도로 테스트를 거친 GMSL 카메라의 새로운 시장 진출

자동차 부문의 경우 신뢰성, 성능, 전자적으로 열악한 환경에서의 빠른 데이터 전송률과 같은 엄격한 요구 사항이 있어, 자동차 응용 제품용으로 개발된 기술은 다른 시장으로도 이전되는 경우가 많이 있습니다. 바로 그런 이유에서, Gigabit Multimedia Serial Link(GMSL™) 카메라가 자동화 및 로봇 공학, 스마트 농업, 디지털 헬스케어, 항공 전자 공학, 로보택시, 소매 및 창고 재고 관리 등의 분야에서 비전 응용 제품을 위한 최적의 시장을 확보할 수 있었습니다.

원래 차량 내 고속 비디오 및 데이터 전송을 위한 응용 제품을 지원하기 위해 처음 도입되었던 Analog Devices GMSL은 광범위하게 사용되는 검증된 기술로, 고속 비디오 링크에 새로운 수준의 성능을 제공하고 단일 케이블을 통한 멀티 스트리밍을 가능하게 합니다.

비전 응용 제품이 고품질 비디오를 보장하기 위해서는 매우 큰 데이터 스트림이 필요합니다. 풀 HD 이미지는 1080개의 행과 1920개의 열로 구성되는데, 이는 200만 픽셀에 해당하며, 각 픽셀은 빨간색, 녹색, 파란색 화소로 구성되어 있어 총 600만 화소입니다. 각 화소는 8비트 데이터를 의미하므로, 한 프레임당 약 50Mbps의 데이터가 생성됩니다. 초당 60프레임의 경우 카메라 한 대에 필요한 데이터 전송률은 3.5Gbps 이상입니다.

2008년에 처음 출시된 1세대 GMSL은 저전압 차동 신호(LVDS) 표준을 활용하여 최대 3.125Gbps의 병렬 데이터 다운링크 속도를 제공했습니다. 이는 특히 여러 대의 카메라 시스템과 기타 첨단 운전자 보조 응용 제품(ADAS)의 데이터를 전송하는 것과 차량 내 고화질 평면 패널 디스플레이의 사용이 증가한 상황에 딱 맞는 지원을 제공할 수 있었습니다.

2018년에는 2세대인 GMSL2가 출시되어 데이터 전송률이 최대 6Gbps로 향상되었으며, 소비자 가전 및 차량용 카메라에 널리 사용되는 이미지 센서 인터페이스인 HDMI 및 MIPI 인터페이스 표준 등 더 많은 표준 고속 비디오 인터페이스를 지원합니다. 이러한 발전은 최대 8MP 해상도의 풀 고화질(FHD) 디스플레이와 카메라를 지원했습니다.

그 다음 세대인 GMSL3는 단일 케이블을 통해 최대 12Gbps의 데이터를 전송할 수 있으며, 다중 4K 해상도 스트림, 여러 디스플레이의 데이지 체이닝, 차량의 전면, 후면, 측면에 위치한 여러 카메라를 통합하여 360° 시야를 제공하는 기능 등을 지원합니다. 오늘날은 점점 더 많은 자동차 제조업체가 백미러와 사이드미러에 카메라를 제공하고, 충돌을 방지하기 위한 전방 및 후방 카메라를 추가하며, 운전자와 승객의 안전을 모니터링하기 위한 차량 내 카메라를 도입하고 있습니다. GMSL3는 여러 동영상 피드와 LiDAR 및 레이더의 데이터를 집계할 수 있습니다.

카메라가 CMOS 센서 수준으로 축소되면서, 이전에는 놀라운 화질로 여겨지던 영상을 저비용과 저전력으로 구현할 수 있게 되었습니다. 이미지 센서에는 수백만 개의 수용기 요소가 있으며, 각 수용기 요소는 측정값을 디지털 값으로 변환하여 병렬 인터페이스의 직렬 데이터 레인을 통해 동기화 정보와 함께 스트리밍합니다.

GMSL2와 GMSL3는 모두 설계자와 벤더가 GMSL 카메라를 위한 광범위한 이미지 센서에 액세스할 수 있는 MIPI 인터페이스 표준을 활용합니다.

GMSL과 GigE 비교

비전 응용 제품을 처음 제작하는 엔지니어는 GMSL 또는 기가비트 이더넷(GigE) 비전 기술 사용 여부를 반드시 결정해야 합니다. GigE는 주로 이더넷 네트워크 인프라와 표준에 의존하므로, 산업용 응용 제품에서 널리 사용됩니다.

2.5GigE, 5GigE 및 10GigE를 지원하는 GigE 비전 카메라는 최근 응용 제품에 널리 사용되며, 100GigE의 최첨단 카메라는 최대 100Gbps의 데이터 전송률을 활용할 수 있습니다. GMSL은 동축 케이블 또는 차폐 연선 케이블을 통해 최대 15미터까지 데이터를 전송하도록 설계된 반면, GigE의 경우 100m까지 전송할 수 있습니다(두 경우 모두 특정 조건에서는 초과 달성 가능).

각 기술은 동일한 케이블을 통해 데이터와 전력을 전송할 수 있습니다. GMSL은 동축 케이블을 통한 전력 공급(PoC)을 사용하므로 비디오, 오디오, 제어, 데이터 및 전력을 단일 채널로 전송할 수 있습니다. 대부분의 GigE Vision 응용 제품은 4페어 이더넷의 경우 이더넷을 통한 전력 공급(PoE), 그보다 덜 일반적인 싱글 페어 이더넷(SPE)의 경우 데이터 회선을 통한 전력 공급(PoDL)에 의존합니다.

시스템 요구 사항 및 응용 제품 요구 사항에 따라 가장 적합한 비전 기술이 결정됩니다. 예를 들어 GigE Vision은 단일 카메라 응용 제품, 특히 이더넷 포트가 있는 PC 또는 임베디드 플랫폼에 직접 연결하는 경우 몇 가지 장점이 있습니다.

여러 대의 카메라를 사용하는 경우, GigE Vision 응용 제품은 전용 이더넷 스위치, 여러 이더넷 포트가 있는 네트워크 인터페이스 카드(NIC) 또는 이더넷 스위치 IC를 사용해야 합니다. 이러한 스위칭 요구 사항은 잠재적으로 최대 총 데이터 전송률을 감소시키고 카메라와 단말 장치 사이에 예측 불가능한 대시 시간을 발생시킬 수 있는 반면, GMSL은 보다 간단하고 직접적인 아키텍처를 제공합니다.

GigE Vision 장치는 추가 버퍼링 및 압축을 통해 더 높은 해상도와 더 높은 프레임률을 지원하거나, 두 가지를 동시에 지원할 수 있습니다. GMSL 장치에서는 프레임 버퍼링 및 처리가 제공되지 않으므로, 해상도와 프레임률은 이미지 센서가 링크 대역폭 내에서 지원할 수 있는 사항에 따라 달라집니다. 엔지니어는 해상도, 프레임률, 픽셀 비트 심도 간의 적절한 균형을 찾아야 합니다.

고속 비디오 아키텍처를 간소화하는 GMSL

GigE Vision 카메라는 일반적으로 이미지 센서, 프로세서, 이더넷 물리층(PHY)을 포함하는 신호 체인을 사용합니다(그림 1). 센서의 원시 이미지 데이터는 프로세서에 의해 이더넷 프레임으로 변환되며, 지원되는 이더넷 대역폭의 데이터 전송률에 알맞도록 압축 또는 프레임 버퍼링에 의존하는 경우가 많습니다.

그림 1: GigE Vision 카메라의 센서 측에 있는 주요 신호 체인 부품의 모습 (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

GMSL 카메라 신호 체인은 프로세서를 사용하지 않는 직렬 변환기/직병렬 변환기(SerDes) 아키텍처를 사용합니다(그림 2). 대신 이미지 센서 병렬 데이터는 직렬 변환기에 의해 고속 직렬 데이터 스트림으로 변환됩니다. 백엔드에서는 직병렬 변환기가 직렬 데이터를 다시 병렬 형식으로 변환하여 전자 제어 장치(ECU) 시스템 온 칩(SoC)에서 처리합니다.

그림 2: GMSL 카메라는 센서 측에서 GigE Vision보다 더 간단한 신호 체인 아키텍처를 활용합니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

GMSL 카메라 아키텍처를 사용하면 전력 소비가 적은 소형 폼 팩터 카메라를 더 간단하게 설계할 수 있습니다. 직렬 변환기는 표준 MIPI CSI-2 인터페이스를 통해 카메라에 직접 연결하고 GMSL 링크를 통해 패킷화된 데이터를 전송할 수 있습니다.

일반적인 호스트 장치는 하나 이상의 직병렬 변환기가 있는 맞춤형 임베디드 플랫폼으로, 이미지 센서 MIPI 출력과 동일한 형식으로 MIPI 트랜스미터를 통해 이미지 데이터를 전송합니다. 맞춤형 설계를 위해서는 새로운 GMSL 카메라 구동기가 필요하지만, 이미지 센서용 기존 구동기가 있는 경우 몇 개의 프로파일 레지스터 또는 레지스터 쓰기만으로 카메라에서 제어 장치로 비디오 스트림을 활성화하는 데 활용할 수 있습니다.

GMSL 부품

ADI는 다양한 인터페이스를 지원하는 포괄적인 직렬 변환기 및 직병렬 변환기 포트폴리오를 제공합니다. 견고한 PHY 설계, 낮은 비트 오류율(BER), 하위 호환성의 장점을 제공하며, 모든 비디오 프로토콜을 연결할 수 있습니다(예: HDMI에서 Open LVDS 디스플레이 인터페이스(oLDI)로).

엔지니어는 장치 인터페이스, 데이터 전송률, 대역폭, 전력 소비, 환경 조건, 케이블 길이 등 응용 제품 요구사항에 따라 최적의 부품을 선택해야 합니다. 기타 요인으로는 EMI, 오류 처리, 신호 무결성 등이 있습니다. ADI의 GMSL 부품의 몇 가지 예는 다음과 같습니다

• CSI-2-GMSL2 직렬 변환기(그림 3)인 MAX96717은 순방향으로 3Gbps 또는 6Gbps, 역방향으로 187.5Mbps의 고정 속도로 작동합니다.

그림 3: MAX96717 직렬 변환기를 활용한 데이터 스트림을 보여주는 회로도 (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

• MAX96716A는 듀얼 GMSL2 직렬 입력을 MIPI CSI-2로 변환합니다. GMSL2 입력은 독립적으로 작동하며, 두 입력에서의 비디오 데이터를 집계하여 단일 CSI-2 포트에서 출력하거나 중복을 위해 두 번째 포트에 복제할 수 있습니다.
• 쿼드 터널링 직병렬 변환기인 MAX96724는 4개의 GMSL 2/1 입력을 2개의 MIPI D-PHY 또는 C-PHY 출력으로 변환합니다. 데이터 링크 속도는 GMSL2의 경우 6/3Gbps, GMSL1의 경우 3.12Gbps이며, 역방향 링크 속도는 GMSL2의 경우 187.5Mbps, GMSL1의 경우 1Mbps입니다.
• MAX96714 직병렬 변환기는 단일 GMSL 2/1 입력을 순방향으로 3Gbps 또는 6Gbps, 역방향으로 187.5Mbps의 고정 속도로 MIPI CSI-2 출력으로 변환합니다.
• MAX96751은 HDMI 2.0 입력이 있는 GMSL2 직렬 변환기로, HDMI를 단일 또는 이중 GMSL2 시리얼 프로토콜로 변환하며, 영상 및 양방향 데이터의 전이중 및 단일 와이어 전송이 가능합니다.
• MAX9295D는 단일 또는 이중 포트 4레인 MIPI CSI-2 데이터 스트림을 GMSL2 또는 GMSL1로 변환합니다.

또한 ADI는 MAX96724 장치를 위한 MAX96724-BAK-EVK# 평가 키트와 같은 여러 개발 도구를 제공합니다.

결론

복잡성이 감소된 GMSL 카메라는 GigE Vision에 비해 더 작고 일반적으로 더 비용 효율적인 솔루션을 제공할 수 있습니다. GMSL은 머신러닝과 자율 주행부터 인포테인먼트와 안전에 이르기까지, 점점 더 다양한 카메라 및 디스플레이 기반 응용 제품에 마이크로초 단위의 대기 시간으로 고해상도 디지털 영상을 안정적으로 전송합니다. 수백만 개의 GMSL 링크가 오늘날 도로 위의 운전자 경험을 향상시키며 그 안정성과 성능을 입증하고 있습니다.