使用 GMSL 可靠地滿足工業及汽車高頻寬視訊需求

工業與汽車應用日益仰賴高解析度影像系統，其必須可靠有效地提供即時的高頻寬視訊資料。雖然 GigE Vision 已廣受認識且運用，但新興應用的需求正促使尋找替代方案。Gigabit 多媒體序列連結 (GMSL) 技術就是替代方案之一，可提供多攝影機支援、嚴格的即時處理、降低的複雜度、確定性、低功耗以及緊湊的外型尺寸。

本文將概述 GigE Vision 和 GMSL 之間的主要差異。接著會介紹 Analog Devices 的 GMSL 解決方案，並展示如何利用這些方案大幅降低系統複雜度、提升可靠性，並促成高效的即時視訊傳輸。

相機介面技術如何影響效能

不同介面技術提供的解決方案，可延長相機感測器與主機處理器之間的距離，以符合多數影像應用的基本需求。GigE Vision 攝影機介面標準採用 Gigabit 乙太網路 (GbE) 技術為基礎，已獲得廣泛採用。GigE Vision 攝影機通常仰賴由三個主要元件組成的訊號鏈，包括影像感測器、處理器，以及乙太網路實體層 (PHY) 介面 (圖 1)。

圖 1：乙太網路攝影機使用處理器架構的訊號鏈，會在傳輸前先緩衝並處理影像感測器的資料。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

在感測器端，GigE Vision 攝影機可以使用其內部處理器來支援自訂的感測器介面協定。GigE Vison 在傳輸端則利用標準乙太網路，因此能與相容於多種主機裝置。舉例而言，個人電腦和嵌入式系統通常含有 GbE 連接埠當作標準介面。如果 GigE Vision 攝影機可支援通用驅動程式 (這些系統通常會提供)，就可像其他隨插即用週邊裝置一樣運作。

乙太網路解決方案對於單攝影機應用來說可能具有優勢，但在多攝影機應用中則需要額外的硬體。這些應用通常都需要額外的專用乙太網路交換器或網路介面卡 (NIC) 來處理多重資料流。在視訊資料路徑中加入這些裝置，可能會影響攝影機與主機之間的吞吐量與延遲。

反之，Analog Devices 的 GMSL 技術則採用點對點序列連結作法，可針對需要多重相機且最低延遲的應用提供高效解決方案。GMSL 攝影機最初是針對汽車應用而設計，現在逐漸受到汽車之外的領域採用，當作乙太網路攝影機的替代方案。

在 GMSL 架構應用中，多個緊湊型 GMSL 攝影機會連接到單一 GMSL 主機，而不會影響吞吐量或延遲，但前提是主機系統單晶片 (SoC) 有支援所有攝影機的完整頻寬 (圖 2)。

圖 2：GMSL 多重攝影機應用採用簡易的相機 (左) 搭配個別的 GMSL 連結，再匯集到單一主機 (右)。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

採用 GMSL 的攝影機通常使用簡化的訊號鏈，由影像感測器與 GMSL 序列器組成。GMSL 序列器支援兩種標準感測器介面：

• 第一代 GMSL (GMSL1) 裝置可支援平行低電壓差動訊號 (LVDS) 介面。
• 第二代 GMSL (GMSL2) 與第三代 GMSL (GMSL3) 裝置可支援常用的行動產業處理器介面 (MIPI) 標準，因此能在 GMSL 攝影機中使用多種領先的影像感測器。

在大多數應用中，來自影像感測器的原始資料會以原始格式進行序列化，並透過 GMSL 連結傳送。因為無需處理器及其他輔助元件，GMSL 攝影機的設計與製造變得更簡單。也可針對需要緊湊攝影機外形尺寸和低功耗的應用，提供更有效的解決方案。

GMSL 連結的主機通常是一部客製化的嵌入式系統，其中含有一個或多個硬體式解序列器。只要在主機上執行少量程式碼，通常就足以存取這些硬體式解序列器並取得資料。在影像感測器有驅動程式的情況下，開發人員只需設定適當的暫存器，即可從攝影機讀取視訊流。Analog Devices 的 GMSL 裝置評估套件含有存取這些裝置並探索其功能所需的軟體。如需更多 GMSL 開發上的支援，Analog Devices 也有提供 GMSL 技術的開源軟體資源庫。

處理多攝影機應用的配置

GMSL 的效能優勢源自於此技術處理視訊流傳輸的方式 (圖 3)。

圖 3：在影像感測器曝光與讀取後 (頂端)，GMSL 攝影機會將原始影像資料序列化並傳輸封包，接著會進入閒置狀態，直到下一個影格才喚醒 (中間)；GigE Vision 攝影機會將資料緩衝、處理並以乙太網路訊框型式進行傳輸，然後進入閒置狀態 (底部)。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

全域快門影像感測器會針對每一個影格，在曝光時段結束後立即讀取資料，然後進入閒置狀態，直到下一個影格再喚醒 (圖 3 頂端)。

在攝影機讀取時段開始時，GMSL 和 GigE Vision 攝影機處理資料傳輸的方式有所不同。在 GMSL 攝影機中，GMSL 序列器會立即將影像感測器的資料進行序列化並傳輸，然後返回閒置狀態，直到下一次讀取時段再喚醒 (圖 3 中間)。

在 GigE Vision 攝影機中，處理器會進行緩衝且經常會先處理資料，然後再建立並傳送乙太網路訊框 (圖 3 底部)。

瞭解視訊系統效能的基本因素

實務上，攝影機系統的效能取決於多項因素，包括以下幾個關鍵特性：

連結速率：在 GMSL 和乙太網路攝影機中，最大數據傳輸速度或連結速率會隨攝影機類型而異；然而，每種介面技術皆依賴一組固定的連結速率。以乙太網路為基礎的 GigE Vision 攝影機，會遵循乙太網路標準的連結速率，依規定為一連串的離散步進，範圍從 GigE Vision 攝影機用的 1 Gbit/s 到最先進的 100 GigE Vision 攝影機用的 100 Gbits/s。

GMSL 的連結速率會隨技術的世代而有所不同。GMSL1 支援 1.74 與 3.125 Gbit/s 序列對解序列器連結速率，而 GMSL2 與 GMSL3 則分別支援 6 與 12 Gbit/s。

有效數據傳輸率：在任何數據通訊應用中，有效數據傳輸率指的是數據傳輸率容量，但不包含協定的負擔。此概念同樣適用於視訊數據通訊，其有效傳輸的視訊數據量等於封包或影格酬載中的像素位元深度 × 像素數量。

GMSL 攝影機會以封包形式傳輸視訊數據。GMSL2 和 GMSL3 裝置因使用固定封包大小，因此可達到明確定義的有效數據傳輸率。舉例而言，GMSL2 裝置使用 6 Gbit/s 連結時，建議的視訊頻寬不超過 5.2 Gbit/s。由於該連結同時含有來自感測器 MIPI 介面的協定負擔及遮沒間隔，5.2 Gbits/s 的有效數據傳輸率是指所有輸入 MIPI 數據通道的聚合數據，而非單純的視訊數據。

就像其他乙太網路式裝置，GigE Vision 攝影機會以訊框方式傳輸視訊數據，並使用針對特定應用最佳化的訊框長度。較長的訊框可提升效率，較短的訊框則可降低延遲。使用較高速度的乙太網路有助於減少使用長訊框時的相關風險，以達到更有效的視訊數據傳輸率。

GMSL 和乙太網路式技術皆具有突發傳輸模式。GMSL 攝影機的突發時間僅取決於視訊感測器的讀取時間，因此在實際應用中，突發比率 (突發時間／影格時段) 有可能達到 100%，以支援其完整有效的視訊數據傳輸率。在 GigE Vision 攝影機系統中，為避免視訊數據與乙太網路式環境中常見的其他數據發生衝突，突發比率通常會設定較低 (圖 4)。

圖 4：GMSL 攝影機的視訊數據突發可佔用整個視訊訊框時段 (頂端)，而乙太網路式攝影機的數據突發則與其他來源的數據突發共用網路 (底部)。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

解析度與影格率：GMSL 與乙太網路式攝影機在解析度與影格率上各有取捨，這也是視訊攝影機中最重要的兩項規格，也是推動更高連結速率的主要因素。

如上所述，GMSL 裝置不包含影格緩衝或處理功能。因此，這些攝影機的解析度和影格率完全取決於影像感測器或其內部影像感測器處理器 (ISP) 在連結頻寬內所能支援的能力。在這些系統中，效能通常是解析度、影格率與像素位元深度之間直接取捨而來。

GigE Vision 攝影機因具有內部緩衝和處理能力，因此展現出更為複雜的效能模型。這些攝影機的可用連結速率可能比 GMSL 攝影機更慢，但可能會支援更高的解析度、更高的影格率，或兩者兼具，並具備額外的緩衝和壓縮功能。

延遲：在汽車及工業應用中，系統運作的可靠性與使用者安全性，取決於能否即時並在最小且確定性的延遲時間內，擷取並處理視訊流數據。

在乙太網路式攝影機中，支援較高解析度和影格率的內部緩衝與處理能力，可能會降低延遲效能與確定性反應。然而，若使用這些攝影機，系統層級的延遲不一定會更長，因為攝影機的內部處理能力能讓系統影像流程更有效率。

分析 GMSL 攝影機的延遲較為簡單。GMSL 攝影機系統的訊號鏈從影像感測器輸出到接收 SoC 的輸入端非常短 (參閱圖 2)。由於此訊號鏈僅將原始視訊數據從感測器端的序列器傳送至接收端的解序列器，因此視訊數據的延遲維持在最低且具確定性。

額外的 GMSL 技術能力如何增進應用

傳輸距離：GMSL 序列器和解序列器的設計，通常可在客車中使用同軸纜線傳輸數據，距離可達 15 公尺 (m)。在實際應用中，傳輸距離可超過 15 m，但前提是攝影機硬體要符合 GMSL 通道規範。¹ 進階的 GMSL 裝置，如 Analog Devices 的 MAX9295DGTM/VY+T GMSL 序列器及 MAX96716AGTM-VY GMSL 解序列器，均具備調適性等化能力。因此能支援超過 15 m 的同軸纜線。

同軸纜線供電 (PoC)：GMSL 技術可支援在同一條纜線上傳輸電力和數據。此 PoC 能力在使用同軸纜線的攝影機應用中都會預設啟用，且只需少量被動元件即可完成 PoC 電路。在此配置中，電力與數據會在連結中的單一線路上進行傳輸。

周邊控制與系統連接：GMSL 技術可支援專用的攝影機或顯示器連結，而非各種周邊裝置；然而，GMSL 裝置通常會提供標準介面的連接支援。例如，Analog Devices 的 MAX9295DGTM/VY+T 和 MAX96716AGTM-VY 就支援多種標準介面的通道或直通操作，包括通用輸入／輸出 (GPIO) 、內部整合電路 (I2C) 及序列周邊介面 (SPI)。對於採用 GMSL 攝影機的大型應用，開發人員通常會使用較低速的介面，例如控制器區域網路 (CAN) 匯流排，以交換控制訊號或其他數據。

相機觸發與同步：在 GMSL 裝置中，GPIO 與 I2C 通道效應會在正反雙向通道中的數微秒內完成。透過此能力，觸發可來自於序列器端的影像感測器或解序列器端的系統單晶片 (SoC)，因此可支援多種低延遲觸發與同步需求。

結論

儘管 GigE Vision 在工業及汽車影像領域有一席之地，GMSL 技術可針對需要極低延遲、低複雜度、緊湊外型及確定性的應用提供穩健的解決方案。採用 Analog Devices GMSL 序列器與解序列器打造的 GMSL 式攝影機系統，可簡化多攝影機應用的設計，同時可維持高要求、即時環境所需的效能。

參考資料

1. GMSL2 通道規範使用指南