GMSL 사용을 통해 산업 및 자동화 고대역폭 비디오 요구 사항을 안정적으로 충족

산업 및 자동화 응용 분야는 실시간, 고대역폭 비디오 데이터를 안정적이고 효율적으로 제공해야 하는 고해상도 영상 시스템에 점점 더 의존하고 있습니다. GigE Vision은 널리 알려진 데다 널리 사용되고 있지만 새로운 응용 분야의 요구 사항으로 인해 대안의 필요성이 제기되고 있습니다. GMSL(기가비트 멀티미디어 직렬 링크) 기술은 이런 대안 중 하나로, 여러 카메라를 지원하며 엄격한 실시간 처리, 감소된 복잡성 ,결정성, 저전력 소모, 콤팩트한 폼 팩터를 제공합니다.

이 기사는 GigE Vision과 GMSL의 주요 차이점에 대한 간략한 개요를 제공합니다. 그런 다음 Analog Devices의 GMSL 솔루션을 소개하고 이 솔루션을 사용하여 시스템 복잡성을 크게 줄이고, 신뢰성을 개선하며, 효율적인 실시간 비디오 전송을 가능하게 하는 방법을 보여줍니다.

카메라 인터페이스 기술이 성능에 미치는 영향

다양한 인터페이스 기술은 카메라 센서와 호스트 프로세서 사이의 거리를 늘려 여러 영상 응용 제품의 기본 요구 사항을 충족하는 솔루션을 제공합니다. GbE(기가비트 이더넷) 기술을 기반으로 하는 GigE Vision 카메라 인터페이스 표준은 광범위하게 채택되고 있습니다. GigE Vision 카메라는 일반적으로 3개의 주요 부품인 이미지 센서, 프로세서, 이더넷 PHY(물리층) 인터페이스로 구성된 신호 체인을 기반으로 합니다.

그림 1: 이더넷 카메라는 전송 전에 이미지 센서 데이터를 버퍼링하고 처리하는 프로세서 기반 신호 체인을 사용합니다(이미지 출처: Analog Devices, Inc.).

센서 측면에서 GigE Vision 카메라는 내부 프로세서를 사용하여 맞춤형 센서 인터페이스 프로토콜을 지원할 수 있습니다. 전송 측면에서는 표준 이더넷을 사용하여 다양한 호스트 장치와의 호환성을 제공합니다. 예를 들어, 개인용 컴퓨터와 임베디드 시스템은 일반적으로 표준 인터페이스로 GbE 포트를 포함하고 있습니다. GigE Vision 카메라가 이러한 시스템에서 일반적으로 사용 가능한 범용 드라이버를 지원하는 경우 또 다른 플러그 앤 플레이 주변 장치처럼 작동합니다.

이더넷 기반 솔루션은 단일 카메라 응용 제품에 유리할 수 있지만 다중 카메라 응용 제품에 사용하려면 추가적인 하드웨어가 필요합니다. 일반적으로, 이러한 응용 제품에는 여러 데이터 스트림을 처리하기 위해 추가 전용 이더넷 스위치 또는 NIC(네트워크 인터페이스 카드)가 필요합니다. 비디오 데이터 경로에 이러한 장치를 포함시키면 카메라와 호스트 사이의 처리량과 지연 시간에 부정적 영향을 미칠 수 있습니다.

또한, Analog Devices의 GMSL 기술은 점대점 직렬 링크 접근 방식을 채택하여, 최소한의 지연을 가진 여러 대의 카메라를 필요로 하는 응용 분야에 효율적인 솔루션을 제공합니다. 처음에 자동차 응용 분야를 위해 설계된 GMSL 카메라는 이더넷 기반 카메라에 대한 대안으로 자동차 공간의 외부에 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

호스트 SoC(시스템 온 칩)이 모든 카메라의 전체 대역폭을 지원할 경우 GMSL 기반 응용 분야에서는 처리량이나 지연 시간에 악영향을 미치지 않으면서 콤팩트한 여러 GMSL 카메라를 단일 GMSL 호스트에 연결할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: GMSL 다중 카메라 응용 분야에서는 개별 GMSL 링크가 단일 호스트(오른쪽)로 수렴되는 단순 카메라(왼쪽)를 사용합니다(이미지 출처: Analog Devices, Inc.).

GMSL을 사용하는 카메라는 대개 이미지 센서와 GMSL 직렬 변환기로 구성된 간소화된 신호 체인을 사용합니다. GMSL 직렬 변환기는 두 가지 표준 센서 인터페이스를 지원합니다.

• 1세대 GMSL(GMSL1) 장치는 병렬 LVDS(저전압 차동 신호) 인터페이스를 지원합니다.
• 2차 GMSL(GMSL2) 및 3차 GMSL(GMSL3) 장치는 인기 있는 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 표준을 지원하여 GMSL 카메라에서 다양한 최첨단 이미지 센서를 사용할 수 있습니다.

대부분의 응용 분야에서 이미지 센서의 원시 데이터는 직렬화되어 원래 형식으로 GMSL 링크를 통해 전송됩니다. 프로세서 및 기타 지원 부품에 대한 필요성을 없앤 GMSL 카메라는 설계 및 제조하기가 더욱 간단합니다. 또한, 콤팩트한 카메라 폼 팩터와 낮은 전력 소모를 필요로 하는 응용 분야에 더욱 효과적인 솔루션을 제공합니다.

GMSL 링크의 호스트는 대개 하나 이상의 하드웨어 직렬 변환기를 결합한 맞춤형 임베디드 시스템입니다. 호스트에서 실행되는 몇 줄의 코드만 있어도 이러한 하드웨어 역직렬 변환기에 액세스하고 데이터를 획득할 수 있습니다. 이미지 센서용 드라이버가 존재하는 경우, 개발자는 적절한 레지스터만 설정하면 카메라에서 비디오 스트림을 읽어올 수 있습니다. Analog Devices의 GMSL 장치 평가 키트에는 이러한 장치에 액세스하고 해당 기능을 활용하는 데 필요한 소프트웨어가 포함되어 있습니다. 추가적인 GMSL 개발 지원을 위해, Analog Devices는 GMSL 기술을 위한 오픈 소스 소프트웨어 리포지토리를 제공합니다.

다중 카메라 응용 구성 문제 해결

GMSL의 성능 이점은 이 기술이 비디오 스트림의 전송을 처리하는 방식에서 비롯됩니다(그림 3).

그림 3: 이미지 센서 노출 및 판독(상단) 시, GMSL 카메라는 다음 프레임까지 유휴 상태로 전환되기 전에 원시 비디오 데이터 패킷을 직렬화 및 전송합니다(중간). GigE Vision 카메라는 유휴 상태로 전환되기 전에 데이터를 버퍼링 및 처리하고 이더넷 프레임으로 전송합니다(하단)(이미지 출처: Analog Devices, Inc.).

각각의 비디오 프레임에 대해, 글로벌 셔터 이미지 센서는 노출 주기 직후 데이터를 읽은 뒤, 다음 프레임까지 유휴 상태로 전환됩니다(그림 3, 상단).

카메라 판독 주기가 시작되면 GMSL 및 GigE Vision 카메라가 데이터 전송을 다르게 처리합니다. GMSL 카메라에서, GMSL 직렬 변환기는 이미지 센서 데이터를 즉시 직렬화하고 전송한 뒤, 다음 판독 주기까지 유휴 상태로 전환됩니다(그림 3, 중간).

GigE Vision 카메라에서, 프로세서는 이더넷 프레임을 구축 및 전송하기 전에 데이터를 버퍼링하고 처리합니다(그림 3, 하단).

비디오 시스템 성능의 기본이 되는 요인 이해하기

실제로, 카메라 시스템의 성능은 다음 주요 특성을 비롯한 여러 요인의 영향을 받습니다.

링크 속도: GMSL 및 이더넷 기반 카메라 모두에서 최대 데이터 전송 속도 또는 링크 속도는 카메라 유형에 따라 달라집니다. 그러나 인터페이스 기술의 각 유형은 고정된 링크 속도를 기반으로 합니다. 이더넷 기반 GigE Vision 카메라는 1Gbit/s(GigE Vision 카메라) ~ 100Gbits/s(최첨단 100 GigE Vision 카메라) 범위에서 일련의 개별 단계로 지정된 링크 속도에 대한 이더넷 표준을 준수합니다.

GMSL의 링크 속도는 기술 세대에 따라 다릅니다. GMSL1은 1.74Gbit/s 및 3.125 Gbit/s 직렬-역직렬 변환기 링크 속도를 지원하고 GMSL2 및 GMSL3은 각각 6Gbits/s 및 12Gbits/s를 지원합니다.

유효 데이터 전송률: 모든 데이터 통신 응용 분야에서, 유효 데이터 전송률은 프로토콜 오버헤드를 제외한 데이터 전송률 용량을 나타냅니다. 이 개념은 또한 전송되는 비디오 데이터 통신에도 적용되는데, 여기서 유효 비디오 데이터 양은 패킷 또는 프레임 페이로드의 픽셀 비트 심도 × 픽셀 수와 같습니다.

GMSL 카메라는 비디오 데이터를 패킷 단위로 전송합니다. GMSL2 및 GMSL3 장치에서 고정된 패킷 크기를 사용하면 명확하게 정의된 유효 데이터 전송률이 제공됩니다. 예를 들어, GMSL2 장치에서 6Gbit/s 링크를 사용할 경우 권장되는 비디오 대역폭은 5.2Gbits/s 이하입니다. 링크에는 센서의 MIPI 인터페이스에서의 프로토콜 오버헤드 및 블랭킹 간격도 포함되어 있으므로 유효 데이터 전송률 5.2Gbits/s는 순수한 비디오 데이터가 아니라 모든 입력 MIPI 데이터 회선에서 집계된 데이터를 나타냅니다.

다른 이더넷 기반 장치와 마찬가지로 GigE Vision 카메라는 특정 응용 분야에 최적화된 프레임 길이를 사용하여 비디오 데이터를 프레임 단위로 전송합니다. 프레임 길이가 길수록 효율성이 향상되고 프레임 길이가 짧을수록 지연 시간이 줄어듭니다. 고속 이더넷을 사용하면 유효 비디오 데이터 전송률을 향상시키기 위해 긴 프레임을 사용할 때 발생할 수 있는 위험을 완화할 수 있습니다.

GMSL 및 이더넷 기반 기술 모두 버스트형 전송 패턴을 나타냅니다. GMSL 카메라의 버스트 시간은 전적으로 비디오 센서의 판독 시간을 기반으로 하므로, 실제 응용 환경의 버스트 비율(버스트 시간/프레임 주기)은 잠재적으로 100%에 도달하여 최대 유효 비디오 데이터 전송률을 지원할 수 있습니다. GigE Vision 카메라 시스템에서는 비디오 데이터와 이더넷 기반 네트워크 환경에 일반적으로 존재하는 다른 데이터 간의 충돌을 회피하기 위해 버스트 비율이 낮은 경우가 많습니다(그림 4).

그림 4: GMSL 카메라의 비디오 데이터 버스트는 최대 비디오 프레임 주기를 차지할 수 있는 반면(상단), 이더넷 기반 카메라의 데이터 버스트는 다른 소스의 데이터 버스트와 네트워크를 공유합니다(하단)(이미지 출처: Analog Devices, Inc.).

해상도 및 프레임 속도: GMSL 카메라와 이더넷 기반 카메라 모두 해상도와 프레임 속도에서 상충 관계가 존재합니다. 해상도와 프레임 속도는 비디오 카메라에 가장 중요한 사양이자 더 높은 링크 속도를 구동하는 핵심 요인입니다.

위에서 설명한 바와 같이 GMSL 장치에는 프레임 버퍼링 또는 처리 기능이 없습니다. 결과적으로, 이러한 카메라의 해상도와 프레임 속도는 링크 대역폭 내에서 이미지 센서 또는 내부 ISP(이미지 센서 프로세서)가 지원할 수 있는 성능 한계에 전적으로 의존합니다. 대개 이러한 시스템의 성능은 해상도, 프레임 속도, 픽섹 비트 심도 사이의 간단한 교환으로 설명됩니다.

GigE Vision 카메라는 내부 버퍼링과 처리 기능에서 유래되는 더 복잡한 성능 모델을 제공합니다. 이러한 카메라는 GMSL 카메라보다 링크 속도가 느리지만, 추가 버퍼링 및 압축을 통해 더 높은 해상도, 더 높은 프레임 속도 또는 둘 모두를 지원할 수도 있습니다

지연 시간: 자동차 및 산업 응용 분야에서, 신뢰할 수 있는 시스템 작동 및 사용자 안전은 최소한의 결정적 지연 시간으로 비디오 스트림 데이터를 실시간으로 획득 및 처리할 수 있는 능력에 따라 좌우됩니다.

이더넷 기반 카메라에서, 더 높은 해상도와 프레임 속도를 지원하는 내부 버퍼링 및 처리 기능은 지연 성능 및 결정론적 응답을 저하시킬 수 있습니다. 그러나 이러한 카메라에서 시스템 수준의 지연 시간이 항상 더 길어지는 것은 아닙니다. 카메라의 내부 처리 기능이 더욱 효율적인 시스템 이미지 파이프라인을 제공할 수 있기 때문입니다.

GMSL 카메라의 지연 시간은 분석하기가 더 간단합니다. GMSL 카메라 시스템은 이미지 센서 출력부터 수신 SoC 입력까지 짧은 신호 체인을 가집니다(그림 2 참조). 이 신호 체인은 센서 측의 직렬 변환기에서 수신 측의 역직렬 변환기로 원시 비디오 데이터를 전달하므로, 비디오 데이터의 지연 시간이 최소화되고 결정성이 유지됩니다.

추가 GMSL 기술 기능을 통해 응용 제품 개선

전송 거리: GMSL 직렬 변환기 및 역직렬 변환기는 대개 여객 차량의 동축 케이블을 사용하여 최대 15m까지 데이터를 전송하도록 설계되었습니다. 실제로, 카메라 하드웨어가 GMSL 채널 사양을 준수할 경우 전송 거리는 15m를 초과할 수 있습니다.¹ Analog Devices의 MAX9295DGTM/VY+T GMSL 직렬 변환기 및 MAX96716AGTM-VY GMSL 역직렬 변환기와 같은 고급 GMSL 장치는 적응형 평준화 기능을 사용합니다. 이를 통해 동축 케이블 길이를 15m 이상으로 연장할 수 있습니다.

PoC(동축을 통한 전력 공급): GMSL 기술은 동일한 케이블에서 전력 및 데이터 전송을 지원합니다. 이 PoC 기능은 대개 동축 케이블을 사용하는 카메라 응용 분야에 기본적으로 사용되며, 몇 개의 수동 부품만 있으면 PoC 회로를 완성할 수 있습니다. 이 구성에서, 전력 및 데이터는 링크의 단일 전선에서 실행됩니다.

주변 장치 제어 및 시스템 연결: GMSL 기술은 다양한 주변 장치가 아니라 전용 카메라 또는 디스플레이 링크를 지원하도록 설계되었습니다. 그러나 GMSL 장치는 표준 인터페이스에 대한 연결을 지원하는 경우가 많습니다. 예를 들어 Analog Devices의 MAX9295DGTM/VY+T 및 MAX96716AGTM-VY는 GPIO(범용 입력/출력), I2C(집적 회로 간), SPI(직렬 주변 장치 인터페이스) 인터페이스 등 여러 표준 인터페이스의 터널링 또는 패스스루 작동을 지원합니다. GMSL 카메라를 사용하는 대규모 응용 분야의 경우 개발자는 일반적으로 제어 신호나 기타 데이터를 교환하기 위해 CAN(컨트롤러 영역 네트워크) 버스와 같은 저속 인터페이스를 사용합니다.

카메라 트리거링 및 동기화: GMSL 장치를 사용하면 GPIO 및 I2C 터널링이 순방향 및 역방향 채널 모두에서 수 마이크로초 이내에 발생합니다. 이 기능을 사용하면 직렬 변환기 측의 이미지 센서 또는 역직렬 변환기 측의 SoC에서 트리거가 발생하여 다양한 저지연 트리거링 및 동기화 요구 사항을 지원할 수 있습니다.

결론

GigE Vision이 산업 및 자동차 영상 분야에서 충분히 인정받고 하지만, GMSL 기술은 최소한의 지연 시간, 낮은 복잡성, 콤팩트한 폼 팩터 및 결정성을 필요로 하는 응용 분야를 위한 강력한 솔루션을 제공합니다. Analog Devices의 GMSL 직렬 변환기 및 역직렬 변환기로 구축된 GMSL 기반 카메라 시스템은 까다로운 실시간 환경에 필요한 성능을 유지하는 동시에 다중 카메라 응용 제품을 단순화하는 간소화된 설계를 실현합니다.

참고 자료

1. GMSL2 Channel Specification User Guide