Utiliser la technologie GMSL pour répondre de manière fiable aux exigences industrielles et automobiles en matière de vidéo à large bande passante

Les applications industrielles et automobiles dépendent de plus en plus de systèmes d'imagerie haute résolution qui doivent fournir des données vidéo à large bande passante en temps réel de manière fiable et efficace. Si la technologie GigE Vision est bien connue et largement utilisée, les exigences des nouvelles applications incitent à rechercher des alternatives. La technologie Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL) est l'une de ces alternatives, offrant la prise en charge de plusieurs caméras, un traitement en temps réel rigoureux, une complexité réduite, le déterminisme, une faible consommation d'énergie et un facteur de forme compact.

Cet article fournit un bref aperçu des principales différences entre GigE Vision et GMSL. Il présente ensuite des solutions GMSL d'Analog Devices et montre comment elles peuvent être utilisées pour réduire considérablement la complexité système, améliorer la fiabilité et permettre une transmission vidéo efficace en temps réel.

Impact des technologies d'interface de caméra sur les performances

Les différentes technologies d'interface offrent des solutions permettant d'étendre la distance entre les capteurs des caméras et le processeur hôte afin de répondre aux exigences de base de nombreuses applications d'imagerie. Reposant sur la technologie Gigabit Ethernet (GbE), la norme d'interface de caméra GigE Vision a été largement adoptée. Les caméras GigE Vision s'appuient généralement sur une chaîne de signaux comprenant trois composants principaux : un capteur d'image, un processeur et une interface de couche physique (PHY) Ethernet (Figure 1).

Figure 1 : Les caméras Ethernet utilisent une chaîne de signaux basée sur un processeur qui met en mémoire tampon et traite les données du capteur d'image avant leur transmission. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Côté capteur, les caméras GigE Vision peuvent utiliser leur processeur interne pour prendre en charge des protocoles d'interface de capteur personnalisés. Côté transmission, en utilisant l'Ethernet standard, les caméras GigE Vision permettent la compatibilité avec une large gamme de dispositifs hôtes. Par exemple, les ordinateurs personnels et les systèmes embarqués incluent typiquement un port GbE comme interface standard. Si la caméra GigE Vision prend en charge un pilote universel, généralement disponible avec ces systèmes, elle fonctionne comme un autre périphérique plug-and-play.

Les solutions basées sur Ethernet peuvent être avantageuses pour les applications à une caméra, mais elle requièrent du matériel supplémentaire pour une utilisation dans les applications multi-caméras. En règle générale, ces applications nécessitent un commutateur Ethernet dédié supplémentaire ou une carte d'interface réseau (NIC) pour gérer les multiples flux de données. L'inclusion de ces dispositifs dans le chemin de données vidéo peut potentiellement compromettre le débit et la latence entre les caméras et l'hôte.

Alternativement, la technologie GMSL d'Analog Devices utilise une approche de liaison série point-à-point, offrant une solution efficace pour les applications qui exigent plusieurs caméras avec une latence minimale. Conçues à l'origine pour les applications automobiles, les caméras GMSL sont de plus en plus adoptées en dehors du secteur automobile comme alternative aux caméras basées sur Ethernet.

Dans une application basée sur GMSL, plusieurs caméras GMSL compactes peuvent se connecter à un seul hôte GMSL sans compromettre le débit ou la latence, à condition que le système sur puce (SoC) hôte prenne en charge la bande passante complète de toutes les caméras (Figure 2).

Figure 2 : Les applications multi-caméras GMSL utilisent des caméras simples (à gauche) avec des liaisons GMSL individuelles convergeant vers un hôte unique (à droite). (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Les caméras avec GMSL utilisent généralement une chaîne de signaux simplifiée comprenant un capteur d'image et un sérialiseur GMSL. Les sérialiseurs GMSL prennent en charge deux interfaces de capteur standard :

• Les dispositifs GMSL de première génération (GMSL1) prennent en charge l'interface de signalisation différentielle à basse tension (LVDS) parallèle.
• Les dispositifs GMSL de deuxième génération (GMSL2) et de troisième génération (GMSL3) prennent en charge la norme populaire Mobile Industry Processor Interface (MIPI), permettant l'utilisation d'une large gamme de capteurs d'image de premier plan dans les caméras GMSL.

Dans la plupart des applications, les données brutes du capteur d'image sont sérialisées et envoyées dans leur format d'origine via une liaison GMSL. En éliminant le recours à un processeur et à d'autres composants de support, les caméras GMSL sont plus simples à concevoir et à fabriquer. Elles offrent également une solution plus efficace pour les applications exigeant un facteur de forme de caméra compact et une faible consommation d'énergie.

L'hôte pour une liaison GMSL est typiquement un système embarqué personnalisé qui combine un ou plusieurs désérialiseurs matériels. Quelques lignes de code exécutées sur l'hôte suffisent généralement pour accéder à ces désérialiseurs matériels et acquérir les données. Dans les cas où un pilote existe pour le capteur d'image, les développeurs doivent simplement définir les registres appropriés pour lire le flux vidéo de la caméra. Les kits d'évaluation des dispositifs GMSL d'Analog Devices incluent les logiciels requis pour accéder à ces dispositifs et explorer leurs capacités. Pour un support de développement GMSL supplémentaire, Analog Devices fournit un référentiel de logiciels open-source pour la technologie GMSL.

Gestion des configurations d'applications multi-caméras

Les avantages GMSL en termes de performances découlent de la manière dont cette technologie gère la transmission d'un flux vidéo (Figure 3).

Figure 3 : Après l'exposition et la lecture du capteur d'image (en haut), une caméra GMSL sérialise et transmet des paquets de données vidéo brutes avant d'entrer en mode veille jusqu'à la trame suivante (au milieu). Une caméra GigE Vision met en mémoire tampon, traite et transmet les données dans des trames Ethernet avant de passer en mode veille (en bas). (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Pour chaque trame vidéo, un capteur d'image à obturateur global lit les données immédiatement après la période d'exposition, puis entre en mode veille jusqu'à la trame suivante (Figure 3, en haut).

Lorsque la période de lecture de la caméra commence, les caméras GMSL et GigE Vision gèrent la transmission de données différemment. Dans les caméras GMSL, le sérialiseur GMSL sérialise et transmet immédiatement les données du capteur d'image, puis repasse en mode veille jusqu'à la prochaine période de lecture (Figure 3, au milieu).

Dans les caméras GigE Vision, le processeur met les données en mémoire tampon et les traite fréquemment avant de créer et de transmettre des trames Ethernet (Figure 3, en bas).

Comprendre les facteurs influençant les performances des systèmes vidéo

Dans la pratique, les performances d'un système de caméra dépendent de plusieurs facteurs, dont certaines de ces caractéristiques clés :

Débit de liaison : dans les caméras GMSL et Ethernet, la vitesse de transmission des données maximum, ou débit de liaison, varie selon le type de caméra. Cependant, chaque type de technologie d'interface repose sur un ensemble de débits de liaison fixes. Les caméras GigE Vision basées sur Ethernet adhèrent aux normes Ethernet pour les débits de liaison, qui sont spécifiés dans une série de niveaux discrets, s'étendant de 1 Gbps pour les caméras GigE Vision à 100 Gbps pour les caméras 100 GigE Vision de pointe.

Les débits de liaison pour GMSL varient en fonction de la génération de la technologie. GMSL1 prend en charge des débits de liaison série-désérialiseur de 1,74 Gbps et 3,125 Gbps, tandis que GMSL2 et GMSL3 prennent en charge 6 Gbps et 12 Gbps, respectivement.

Débit de données effectif : dans toute application de communication de données, le débit de données effectif décrit la capacité de débit de données, sans la surcharge du protocole. Ce concept s'applique également aux communications de données vidéo, où la quantité effective de données vidéo transférées est égale à la profondeur de bits par pixel × nombre de pixels dans la charge utile d'un paquet ou d'une trame.

Les caméras GMSL transmettent les données vidéo par paquets. L'utilisation de tailles de paquets fixes dans les dispositifs GMSL2 et GMSL3 résulte en un débit de données effectif bien défini. Par exemple, lorsque les dispositifs GMSL2 utilisent une liaison 6 Gbps, la bande passante vidéo recommandée ne doit pas dépasser 5,2 Gbps. Étant donné que la liaison inclut également la surcharge du protocole et les intervalles de suppression de l'interface MIPI du capteur, le débit de données effectif de 5,2 Gbps représente les données agrégées provenant de toutes les voies de données MIPI d'entrée, plutôt que les données purement vidéo.

Comme les autres dispositifs basés sur Ethernet, les caméras GigE Vision transmettent les données vidéo par trames, en utilisant une longueur de trame optimisée pour l'application spécifique. Les trames plus longues améliorent l'efficacité, tandis que les trames plus courtes réduisent le délai. L'utilisation d'Ethernet à plus haut débit permet d'atténuer les risques associés à l'utilisation de trames longues afin d'obtenir un meilleur débit vidéo effectif.

Les technologies GMSL et Ethernet présentent toutes les deux des modèles de transmission en rafale. Le temps de rafale pour les caméras GMSL dépend uniquement du temps de lecture du capteur vidéo, de sorte que le rapport de rafale (temps de rafale/période de trame) dans les applications réelles peut potentiellement atteindre 100 % pour prendre en charge le débit de données vidéo effectif total. Dans un système de caméra GigE Vision, le rapport de rafale est souvent faible pour éviter les collisions entre les données vidéo et d'autres données typiquement présentes dans un environnement réseau basé sur Ethernet (Figure 4).

Figure 4 : La rafale de données vidéo d'une caméra GMSL peut occuper une période de trame vidéo complète (en haut), tandis que la rafale de données d'une caméra Ethernet partage le réseau avec des rafales de données provenant d'autres sources (en bas). (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Résolution et fréquence de trames : les caméras GMSL et Ethernet présentent toutes les deux des compromis en termes de résolution et de fréquence de trames, qui sont deux des spécifications les plus critiques pour les caméras vidéo et des facteurs clés de l'augmentation des débits de liaison.

Comme indiqué précédemment, les dispositifs GMSL n'incluent pas de capacités de mémoire vidéo ou de traitement de trame. Par conséquent, la résolution et la fréquence de trames de ces caméras dépendent uniquement de ce que le capteur d'image ou son processeur de capteur d'image (ISP) interne peut prendre en charge dans la bande passante de liaison. En règle générale, les performances dans ces systèmes sont un échange direct entre la résolution, la fréquence de trames et la profondeur de bits par pixel.

Les caméras GigE Vision présentent un modèle de performances plus complexe en raison de leurs capacités de mise en mémoire tampon et de traitement internes. Ces caméras peuvent présenter un débit de liaison utilisable plus lent que les caméras GMSL, mais elles peuvent également prendre en charge des résolutions plus élevées, des fréquences de trames plus élevées, ou les deux, avec une mise en mémoire tampon et une compression supplémentaires.

Latence : dans les applications automobiles et industrielles, le fonctionnement système fiable et la sécurité des utilisateurs dépendent de la capacité à acquérir et à traiter les données de flux vidéo en temps réel avec une latence minimale et déterministe.

Dans les caméras Ethernet, les capacités de mise en mémoire tampon et de traitement internes qui prennent en charge une résolution et des fréquences de trames plus élevées peuvent dégrader les performances de latence et la réponse déterministe. Cependant, avec ces caméras, la latence au niveau système n'est pas forcément toujours plus élevée, car les capacités de traitement interne des caméras peuvent aboutir à un pipeline d'images système plus efficace.

La latence dans les caméras GMSL est plus simple à analyser. Les systèmes de caméra GMSL ont une chaîne de signaux courte, de la sortie du capteur d'image jusqu'à l'entrée du SoC de réception (Figure 2). Étant donné que cette chaîne de signaux transmet simplement des données vidéo brutes d'un sérialiseur côté capteur à un désérialiseur côté réception, la latence des données vidéo reste minimale et déterministe.

Les capacités GMSL supplémentaires améliorent les applications

Distance de transmission : les sérialiseurs et désérialiseurs GMSL sont généralement conçus pour transmettre des données jusqu'à 15 m à l'aide de câbles coaxiaux dans les véhicules de tourisme. Dans la pratique, les distances de transmission peuvent dépasser 15 m, à condition que le matériel de caméra soit conforme à la spécification de canal GMSL.¹ Les dispositifs GMSL avancés, tels que le sérialiseur GMSL MAX9295DGTM/VY+T et le désérialiseur GMSL MAX96716AGTM-VY d'Analog Devices, utilisent des capacités d'égalisation adaptative. Cela permet des longueurs de câbles coaxiaux supérieures à 15 m.

Power-over-Coax (PoC) : la technologie GMSL prend en charge la transmission d'alimentation et de données sur un même câble. Cette capacité PoC est généralement utilisée par défaut dans les applications de caméra avec câble coaxial et ne requiert que quelques composants passifs pour compléter un circuit PoC. Dans cette configuration, l'alimentation et les données passent par un seul fil dans la liaison.

Contrôle périphérique et connectivité système : la technologie GMSL est conçue pour prendre en charge des liaisons de caméra ou d'affichage dédiées, plutôt qu'une grande variété de périphériques. Cependant, les dispositifs GMSL fournissent souvent un support de connectivité pour les interfaces standard. Par exemple, les dispositifs MAX9295DGTM/VY+T et MAX96716AGTM-VY d'Analog Devices prennent en charge le fonctionnement en mode tunnel ou pass-through de plusieurs interfaces standard, notamment les interfaces GPIO, I2C et SPI. Pour les grandes applications employant des caméras GMSL, les développeurs utilisent généralement des interfaces à plus bas débit telles qu'un bus CAN (Controller Area Network) pour échanger des signaux de commande ou d'autres données.

Déclenchement de caméra et synchronisation : avec les dispositifs GMSL, la tunnellisation GPIO et I2C s'effectue en quelques microsecondes, aussi bien dans le canal direct que dans le canal inverse. Cette capacité permet aux déclenchements de provenir soit du capteur d'image côté sérialiseur, soit du SoC côté désérialiseur, répondant ainsi à diverses exigences de déclenchement et de synchronisation à faible latence.

Conclusion

Tandis que GigE Vision occupe une place bien méritée dans l'imagerie industrielle et automobile, la technologie GMSL offre une solution robuste pour les applications exigeant une latence minimale, une faible complexité, des facteurs de forme compacts et le déterminisme. Intégrant des sérialiseurs et des désérialiseurs GMSL d'Analog Devices, les systèmes de caméras basés sur GMSL permettent des conceptions rationalisées qui simplifient les applications multi-caméras tout en maintenant les performances requises dans les environnements en temps réel exigeants.

Référence

1. Guide de l'utilisateur pour la spécification de canal GMSL2