기가비트 멀티미디어 직렬 링크 카메라: GigE Vision 카메라의 대안

초록

Gigabit Multimedia Serial Link™(GMSL™) 및 Gigabit Ethernet(GigE)는 카메라 애플리케이션에서 다양한 최종 시장에서 종종 볼 수 있는 두 가지 대표적인 링크 기술입니다. 이 글에서는 시스템 아키텍처, 주요 기능 및 제한 사항 측면에서 이 두 기술을 비교 분석합니다. 이를 통해 두 기술의 기본 개념을 설명하고 GMSL 카메라가 GigE Vision® 카메라에 대한 강력한 대안이 되는 이유에 대한 인사이트를 제공합니다.

배경

GigE Vision은 Ethernet 인프라와 프로토콜을 기반으로 하는 네트워크 카메라 인터페이스 표준입니다. 이는 산업 분야에서 널리 채택되고 있습니다. Analog Devices의 GMSL은 비디오 데이터 전송을 전담하는 포인트 투 포인트 시리얼 링크 기술로, 원래는 자동차용 카메라 및 디스플레이 애플리케이션을 위해 설계되었습니다.   이 두 기술은 이미지 센서에서 비디오 데이터를 확장하는 목적에 기여하며, 각각 고유한 특징을 가지고 있습니다. 지난 몇 년 동안 자동차 분야 외에서도 GMSL 카메라가 더 많이 채택되는 것을 볼 수 있었으며, 종종 GigE Vision 카메라의 대안으로 사용되는 경우가 많습니다.

일반적인 시스템 아키텍처

이미지 센서 연결

GigE Vision 카메라(그림 1에 표시됨)는 신호 체인에서 일반적으로 이미지 센서, 프로세서 및 이더넷 PHY라는 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다. 프로세서는 이미지 센서에서 전달된 원시 이미지 데이터를 이더넷 프레임으로 변환하며, 이 과정은 일반적으로 이미지 처리 및 압축 또는 프레임 버퍼링을 포함하여 이더넷이 지원하는 대역폭에 데이터 속도를 맞추는 작업을 수반합니다.

GMSL 카메라의 신호 체인(그림 2에 표시됨)은 일반적으로 이미지 센서와 직렬화기만 포함되어 있어 더 간단합니다. 일반적인 응용 프로그램에서 직렬화기는 이미지 센서로부터의 원시 데이터를 변환한 후 본래의 형식으로 링크를 통해 전송합니다. 프로세서가 필요하지 않아 이러한 카메라들은 디자인하기가 더 간단하고, 작은 카메라 폼팩터와 낮은 전력 소비가 요구되는 응용 프로그램에 더욱 적합합니다.  

호스트 프로세서 연결

GigE Vision 카메라는 다양한 호스트 장치와의 호환성 덕분에 산업에서 널리 받아들여지고 있습니다. 기가비트 이더넷 포트는 개인용 컴퓨터(PC)나 임베디드 플랫폼에서 거의 표준적으로 제공됩니다. 일부 GigE Vision 카메라는 범용 드라이버를 사용하여 진정한 플러그 앤 플레이 경험을 제공합니다.   GMSL 카메라는 호스트 쪽에 디시리얼라이저(deserializer)가 필요합니다. 대부분의 사용 사례에서 호스트 장치는 디시리얼라이저 한 개 또는 여러 개를 포함하는 맞춤형 임베디드 플랫폼입니다. 디시리얼라이저는 이미지 센서 MIPI 출력에서 전달된 원본 형식으로 MIPI 송신기를 통해 이미지 데이터를 전송합니다. 이러한 카메라의 경우, 다른 MIPI 카메라와 마찬가지로 맞춤형 카메라 설계를 위한 카메라 드라이버가 필요합니다. 그러나 이미지 센서에 대한 기존 드라이버가 있다면, SerDes 쌍이 카메라에서 SoC로 비디오 스트림을 가져오기 위해 몇 가지 프로파일 레지스터 또는 몇 가지 레지스터 쓰기만 필요합니다.   카메라를 하나만 사용하는 경우 GigE Vision은 시스템 복잡성 측면에서 GMSL보다 약간의 강점을 가질 수 있습니다. GigE Vision 카메라는 이더넷 포트가 있는 PC나 임베디드 플랫폼에 직접 연결할 수 있기 때문입니다. 그러나 여러 GigE 카메라를 사용하는 경우 이더넷 스위치가 필요합니다. 이더넷 스위치 장치, 여러 이더넷 포트가 있는 네트워크 인터페이스 카드(NIC), 또는 여러 이더넷 포트와 SoC 사이에 있는 이더넷 스위치 IC가 될 수 있습니다. 이러한 경우 총 최대 데이터 속도가 감소하거나, 더 나쁜 경우 카메라와 터미널 장치 간 인터페이스에 따라 예측할 수 없는 지연이 발생할 수 있습니다. Figure 3을 참조하십시오.

GMSL 카메라 시스템에서 하나의 디시리얼라이저(deserializer)는 MIPI C-PHY 또는 D-PHY 송신기(transmitter)를 사용하여 최대 4개의 링크에 연결할 수 있으며, 이를 통해 4개의 카메라 전체 대역폭을 지원할 수 있습니다. SoC가 전체 데이터 속도를 처리할 수 있는 한, 하나 또는 여러 개의 GMSL 장치를 사용하는 것은 대역폭을 손상시키거나 시스템 복잡성을 지나치게 증가시키지 않습니다.

기능 비교: 센서 인터페이스

GMSL 시리얼라이저는 병렬 LVDS(GMSL1) 및 MIPI(GMSL2/GMSL3) 센서 인터페이스만 지원합니다. MIPI는 소비자 및 자동차용 카메라에서 가장 널리 사용되는 이미지 센서 인터페이스이기 때문에, 다양한 이미지 센서를 GMSL 카메라에 사용할 수 있습니다. 그러나 GigE Vision 카메라는 카메라 내부에 사용된 프로세서로 인해 센서 인터페이스 측면에서 더 다양한 활용이 가능합니다.

비디오 사양: 작동 원리

그림 5는 이미지 센서에서 GMSL 링크 또는 GigE 네트워크로 연속적인 비디오 스트림 형식으로 데이터가 전송되는 예제 타이밍 다이어그램을 보여줍니다.

비디오 스트림의 각 프레임에서 이미지 센서는 노출 기간이 끝나자마자 데이터를 보내고, 다음 프레임이 시작되기 전에 휴지 상태로 전환됩니다. 예제 다이어그램은 글로벌 셔터 센서를 더 잘 나타냅니다. 롤링 셔터 센서의 경우, 노출과 읽기 사이에 프레임 수준에서 겹쳐짐이 있을 수 있으며, 이는 노출과 읽기가 각 열별로 개별적으로 제어되기 때문입니다.   센서 측의 GMSL 시리얼라이저는 이미지 센서로부터 데이터를 직렬화하여 고유 프로토콜을 통해 링크로 즉시 전송합니다.   GigE Vision 카메라의 프로세서는 이미지 센서로부터 데이터를 버퍼링하고 종종 처리하며, 이를 Ethernet 프레임으로 정리한 후 네트워크로 전송합니다.  

링크 속도

링크 속도는 링크에서 전송되는 데이터의 이론적인 최고 속도를 지정하며, 다양한 데이터 링크 기술을 비교할 때 종종 주요한 사양으로 간주됩니다. GMSL2, GMSL3, 및 GigE Vision은 모두 개별적이고 고정된 링크 속도를 사용합니다.   GMSL2는 3Gbps 및 6Gbps의 데이터 속도를 지원합니다. GMSL3는 12Gbps의 데이터 속도를 지원하며, 모든 GMSL3 장치는 GMSL2 프로토콜을 사용하는 GMSL2 장치와 하위 호환됩니다.   GigE Vision은 이더넷 표준을 따릅니다. GigE, 2.5 GigE, 5 GigE 및 10 GigE Vision 카메라는 일반적인 애플리케이션에서 흔히 발견됩니다. 이름에서 알 수 있듯이 각각 1Gbps부터 최대 10Gbps의 링크 속도를 지원합니다. 최첨단 GigE Vision 카메라는 100Gbps 링크 속도를 갖춘 100 GigE를 지원할 것입니다.1 GigE Vision의 경우 모든 고속 프로토콜은 저속 프로토콜을 하위 지원합니다.   링크 속도는 비디오 해상도, 프레임 속도, 지연 시간과 밀접하게 관련되어 있지만, 링크 속도만을 기준으로 두 기술을 직접 비교하기는 어렵습니다.

효율적인 비디오 데이터 속도

데이터 통신에서 유효 데이터 전송률은 프로토콜 오버헤드를 제외한 데이터 전송률 용량을 나타내며, 이 개념은 비디오 데이터 통신에도 적용됩니다. 일반적으로 전송되는 유효한 비디오 데이터 양은 패킷 또는 프레임에서 픽셀 비트 깊이 × 픽셀 수로 계산됩니다. 그림 6은 유효 비디오 데이터와 오버헤드 간의 관계를 보여줍니다.

GMSL은 패킷 단위로 비디오 데이터를 전송합니다. GMSL2 및 GMSL3 장치들은 고정된 패킷 크기를 사용하므로, 효과적인 비디오 데이터 전송 속도도 명확하게 정의됩니다. GMSL2 장치를 예로 들어 보겠습니다. 링크가 6Gbps로 설정되었을 때, 비디오 대역폭은 최대 5.2Gbps를 초과하지 않는 것이 권장됩니다. 그러나 링크는 센서의 MIPI 인터페이스로부터 오는 약간의 오버헤드와 블랭킹 타임도 전달하므로, 5.2Gbps는 모든 입력 MIPI 데이터 레인들의 집계 데이터 전송률을 반영하며 초당 5.2Gb의 비디오 데이터 전송을 의미하는 것은 아닙니다.   이더넷은 프레임 단위로 데이터를 전송합니다. GigE Vision은 표준 프레임 크기를 갖고 있지 않으며, 보통 효율성을 높이기 위해 긴 프레임의 이점이나 지연 시간을 줄이기 위해 짧은 프레임의 이점을 균형 있게 고려하는 소프트웨어 솔루션의 일부입니다. 이러한 카메라의 경우, 오버헤드는 보통 5%를 초과하지 않습니다. 더 높은 속도의 이더넷은 긴 프레임을 사용하는 리스크를 줄이고 더 나은 효과적인 비디오 데이터 전송 속도를 달성할 수 있도록 돕습니다.   두 기술 모두 데이터를 버스트 방식으로 전송합니다. 그 결과, 더 긴 기간(한 비디오 프레임 이상의 기간) 동안 평균 데이터 전송 속도는 전송 중의 효과적인 비디오 데이터 전송 속도보다 낮을 수 있습니다. GMSL 카메라의 경우, 버스트 시간은 전적으로 이미지 센서로부터의 읽기 시간에 따라 달라지며, 실제 응용 환경에서 버스트 비율은 100%에 이를 가능성이 있어 완전한 효과적인 비디오 데이터 전송 속도를 지원할 수 있습니다. GigE Vision 카메라는 더 복잡하고 예측 불가능한 네트워크 환경에서 사용될 수 있으며, 이 경우 데이터 충돌을 피하기 위해 버스트 비율이 종종 낮게 설정됩니다. 이를 예로 들어 Figure 7을 참조하십시오.

해상도 및 프레임 속도

해상도와 프레임 속도는 비디오 카메라의 두 가지 가장 중요한 사양으로, 더 높은 링크 속도의 주요 원동력입니다. 이 사양들에 대해 두 기술 모두에는 각각의 장단점이 있습니다.   GMSL 장치는 프레임 버퍼링과 처리를 제공하지 않습니다. 해상도와 프레임 속도는 모두 링크 대역폭 내에서 이미지 센서 또는 센서 측의 ISP가 지원할 수 있는 것에 따라 달라지며, 이는 일반적으로 해상도, 프레임 속도, 픽셀 비트 깊이 간의 단순한 트레이드오프입니다.   GigE Vision의 모델은 더 복잡합니다. 많은 경우 사용 가능한 링크 속도가 GMSL보다 느리지만, 추가적인 버퍼링과 압축을 통해 더 높은 해상도나 더 높은 프레임 속도, 혹은 이 두 가지를 동시에 지원할 수 있습니다. 그러나 이는 모두 지연 시간, 전력 소비, 그리고 카메라 시스템 양측에서 더 비싼 구성 요소라는 비용이 수반됩니다. 일부 덜 일반적인 사용 사례에서는 이러한 카메라가 더 낮은 프레임 속도로 원시 이미지 데이터를 전송하기도 합니다.

지연

지연 시간(Latency)은 특히 데이터를 처리하고 실시간으로 결정을 내리는 애플리케이션에서 비디오 카메라의 또 다른 주요 사양입니다.   GMSL 카메라 시스템은 직렬화 장치 입력/센서 출력에서 비직렬화 장치 출력/수신 SoC 입력까지 낮고 결정적인 지연 시간을 제공합니다.   GigE Vision 카메라는 카메라 내부 처리와 더 복잡한 네트워크 트래픽으로 인해 일반적으로 더 높은 비결정적 지연 시간을 갖습니다. 그러나 카메라 쪽에서의 처리가 시스템 이미지 파이프라인에서 중요한 역할을 하고 보다 전용적이며 효율적인 경우, 시스템 수준의 지연 시간이 반드시 더 길어지는 것은 아닐 수 있습니다.

기타 기능: 전송 거리

GMSL 직렬화기와 역직렬화기는 승용차에서 동축 케이블을 사용해 최대 15미터까지 데이터를 전송하도록 설계되었습니다. 그러나 카메라 하드웨어 시스템이 GMSL 채널 사양을 충족하는 한, 전송 거리는 15미터로 제한되지 않습니다.   GigE Vision은 이더넷 프로토콜을 사용하며, 구리 케이블을 통해 최대 100미터까지 데이터를 전송할 수 있고, 광섬유를 사용하면 더 멀리 전송할 수도 있습니다. 다만, 이 경우 전력 공급 이더넷(PoE)과 같은 일부 기능은 손실될 수 있습니다.

PoC 및 PoE/PoDL

두 기술 모두 동일한 케이블을 통해 전력과 데이터를 전송할 수 있습니다. GMSL은 코엑스 케이블을 통한 전력 공급(PoC)을 사용하고, GigE Vision은 4쌍 이더넷에서는 PoE를, 단일 쌍 이더넷(SPE)에서는 데이터 라인을 통한 전력 공급(PoDL)을 사용합니다. 대부분의 GigE Vision 카메라는 PoE를 사용하는 전통적인 4쌍 와이어를 사용합니다.   PoC는 간단하며 일반적으로 코엑스 구성의 카메라 애플리케이션에서 기본적으로 사용됩니다. 이 구성에서는 링크에서 전력과 데이터가 단일 와이어에서 제공되며, PoC 회로를 위해 필요한 패시브 구성 요소는 소수에 불과합니다.   1Gbps 이상의 데이터 속도를 지원하는 PoE 회로는 카메라와 호스트(혹은 스위치) 양쪽에 능동적 구성 요소를 포함하는 전용 회로를 필요로 합니다. 이는 PoE 기능을 더욱 비싸고 접근하기 어렵게 만듭니다. PoE를 지원하는 GigE Vision 카메라는 일반적으로 로컬 외부 전원 공급 옵션도 함께 제공하는 경우가 많습니다.

주변 장치 제어 및 시스템 연결

GMSL은 전용 카메라 또는 디스플레이 링크로 설계되어 다양한 주변 장치를 지원하지 않습니다. 일반적인 GMSL 카메라 응용 프로그램에서 링크는 온도 센서, 주변 광 센서, IMU, LED 컨트롤러 등 카메라 주변 장치와 통신하기 위해 제어 신호(UART, I2C, SPI)를 전송합니다. GMSL을 카메라 인터페이스로 사용하는 더 큰 시스템들은 일반적으로 다른 장치와 통신하기 위해 CAN 및 이더넷과 같은 저속 인터페이스를 추가로 사용합니다.   GigE Vision 카메라는 내장된 프로세서를 사용하여 카메라 주변 장치의 제어를 처리합니다. 산업용 애플리케이션을 위한 인기 있는 연결 솔루션으로서, 산업용 이더넷은 다양한 기계와 장비를 지원하기 위해 여러 표준 프로토콜을 제공합니다. GigE Vision 카메라는 소프트웨어 및 하드웨어 인터페이스를 통해 네트워크에 직접 연결됩니다.

카메라 트리거 및 타임스탬핑

GMSL 링크는 순방향 및 역방향 채널 모두에서 마이크로초 단위의 저지연 GPIO 및 I2C 터널링을 지원하여 다양한 카메라 트리거링/동기화 구성을 지원합니다. GMSL 카메라 시스템에서 트리거 신호의 소스는 디시리얼라이저(Deserializer)의 SoC 또는 시리얼라이저(Serializer)의 이미지 센서 중 하나가 될 수 있습니다.
 
GigE Vision 카메라는 전용 핀/포트 또는 이더넷 트리거링/동기화 패킷을 통해 하드웨어와 소프트웨어 모두에서 트리거링 옵션을 제공하는 경우가 많습니다. 일반적인 애플리케이션에서 하드웨어 트리거는 다른 카메라 또는 비카메라 장치들과의 응답성과 정확한 동기화를 제공하기 위한 표준 접근 방식으로 사용됩니다. 이러한 카메라에 대해 소프트웨어 트리거링의 주요 문제는 네트워크 지연입니다. 동기화 정확도를 향상시키기 위한 여러 프로토콜이 존재하지만, 정확도가 부족하거나(네트워크 시간 프로토콜(NTP), 밀리초 단위로 동기화) 비용효율적이지 않을 수 있습니다(정밀 시간 프로토콜(PTP), 마이크로초 단위로 동기화하지만 호환 가능한 하드웨어가 필요함).
 
이더넷 네트워크에서 동기화 프로토콜을 사용하는 경우 동일 네트워크의 모든 장치, GigE Vision 카메라를 포함하여 동일한 클록 도메인에서 타임스탬프를 제공할 수 있습니다.
 
GMSL에는 타임스탬핑 기능이 없습니다. 일부 이미지 센서는 MIPI 내장 헤더를 통해 타임스탬프를 제공할 수 있지만, 이는 일반적으로 상위 시스템의 다른 장치와 연결되지 않습니다. 일부 시스템 아키텍처에서는 GMSL 디시리얼라이저가 PTP 네트워크에 있는 SoC와 연결되어 중앙 집중식 클록을 사용할 수 있습니다. 이 기능이 필요하다면 AD-GMSL2ETH-SL을 참고하시기 바랍니다.

결론

요약하자면 (표 1 참조), GMSL은 기존 GigE Vision 솔루션의 강력한 대안 또는 대체 옵션입니다. GigE Vision 카메라와 비교했을 때, GMSL 카메라는 종종 동등하거나 더 나은 링크 속도와 기능을 제공하며, 더 낮은 비용, 더 적은 전력 소모, 더 간단한 시스템 구조와 더 작은 시스템 풋프린트를 제공합니다. 게다가 GMSL은 원래 자동차 응용 분야를 위해 설계되었기 때문에, 수십 년 동안 어려운 환경에서 자동차 엔지니어들에 의해 검증되었습니다. 이는 엔지니어들과 시스템 설계자들에게 신뢰성과 기능적 안전성이 핵심인 시스템 개발에 대한 확신을 줄 것입니다.