USB 3.0 vs. MIPI CSI-2による高解像度埋め込みビジョン：技術的深堀り

高解像度埋め込みビジョンシステムの領域では、インターフェースの選択が性能、コスト、システムの複雑さに大きな影響を与える可能性があります。この分野での2つの主要なインターフェースはUSB 3.0とMIPI CSI-2です。このブログ投稿では、埋め込みビジョンプロジェクトのために情報に基づいた決定を下すのに役立つように、これらのインターフェースの技術的側面を深く掘り下げます。​

USB 3.0、別名SuperSpeed USBは、高速データ転送の増大する需要に応えるために導入されました。従来の規格と比較して、帯域幅が大幅に向上しており、最大理論転送速度は5 Gbps（ギガビット毎秒）です。この高帯域幅は、埋め込みビジョンセットアップにおけるカメラからホストシステムへの高解像度ビデオストリーミングなど、幅広いアプリケーションに適しています。

USB 3.0は、以前のUSBバージョンと比較して、より複雑な物理層設計を使用しています。データ転送専用の4本（送信用2本と受信用2本）を含む9本のワイヤを特徴とし、差動信号方式で動作します。この差動信号方式は、電磁干渉（EMI）を減少させ、高速データレートを長いケーブル長で実現するのに役立ちます。この規格は、追加のリピーターやブースターなしで、通常最大5メートルまでの長いケーブル長もサポートしています。

USB 3.0プロトコルは、USB 2.0およびUSB 1.1デバイスとの後方互換性を持つように設計されています。データは送信のためにパケットに分割されるパケットベースの通信システムを使用しています。プロトコルには、信頼性のあるデータ転送を確保するために、トークンパケット、データパケット、ハンドシェイクパケットなど、さまざまな種類のパケットが含まれています。USB 3.0は、カメラからのビデオストリームのような大容量データ転送に一般的に使用されるバルク転送を含む、さまざまな転送タイプもサポートしています。この転送タイプは、利用可能な帯域幅の効率的な利用を可能にします。

USB 3.0の利点の一つは、その改善された電力管理機能です。USB 2.0と比較して、接続されたデバイスにより多くの電力を供給でき、場合によっては最大900 mA（ミリアンペア）まで供給可能です。この機能は、高解像度の画像処理や処理に追加の電力を必要とする組み込みビジョンカメラにとって有益です。さらに、USB 3.0は、デバイスがデータを積極的に転送していないときに電力消費を削減するのに役立つサスペンドやレジュームなどの電力管理状態をサポートしています。

MIPI CSI-2 (モバイル業界プロセッサインターフェース カメラシリアルインターフェース 2) は、特にカメラとプロセッサ間の通信のために特別に設計された高性能インターフェース標準です。低消費電力と高効率で高解像度のビデオデータを処理できる能力により、組み込みビジョン市場で大きな人気を得ています。

MIPI CSI-2は通常、USB 3.0に似た差動信号方式を使用しますが、短距離での高速データ転送のために最適化された設計がされています。一般的には、データレーンのセット（通常1〜4レーン）と制御レーンで構成されています。各データレーンは高データレートをサポートでき、最新のMIPI CSI-2のバージョンでは、1レーンあたり最大2.5 Gbpsを達成することができます。これにより、4レーンを使用する場合、合計帯域幅は最大10 Gbpsになります。MIPI CSI-2の物理層はコンパクトで低消費電力に設計されており、スペースが制約されている組み込みシステムや電力に敏感なシステムに最適です。

MIPI CSI-2プロトコルは、ビデオデータ転送のために高度に最適化されています。パケット化されたデータ形式を使用しており、ビデオデータは効率的な伝送のためにパケットに整理されています。このプロトコルには、信頼性のあるデータ配信を確保するためのエラー訂正やフロー制御などの機能が含まれています。MIPI CSI-2は、バーストモードや連続モードなど、カメラとホストシステムの要件に応じて調整できるさまざまなデータ転送モードもサポートしています。さらに、このプロトコルはカメラ内の画像信号プロセッサ（ISP）と密接に連携するように設計されており、生の画像データまたは処理された画像データの効率的な処理と転送を可能にします。

電力管理はMIPI CSI-2の重要な側面です。これは、バッテリー駆動の組み込みデバイスにとって重要な低消費電力で動作するように設計されています。インターフェースは、使用されていないときに低電力状態に入ることができ、全体の電力消費を削減します。これは、クロックゲーティングや個々のレーンの電源オフモードなどの機能を通じて実現されます。MIPI CSI-2の電力管理機能は、ウェアラブルデバイスやモバイルロボットなど、バッテリー寿命が重要な要素であるアプリケーションにとって魅力的な選択肢となります。

帯域幅に関して言えば、MIPI CSI-2は生の理論的容量の点で優位に立っています。最大帯域幅は10 Gbps（4レーン使用）で、8Kやそれ以上の解像度の非常に高解像度のビデオデータを容易に処理できます。一方、USB 3.0は最大5 Gbpsを提供します。実際のシナリオでは、MIPI CSI-2はプロトコルオーバーヘッドが低いため、より高いネット画像帯域幅を提供できます。ただし、USB 3.0は、特に最高の解像度やフレームレートを必要としない多くの高解像度アプリケーションに対しては、依然として良好なパフォーマンスを発揮します。

USB 3.0は、通常5メートルまでの長いケーブル長をサポートしており、カメラとホストシステムを物理的に分離する必要があるアプリケーションで利点となる場合があります。それに対して、MIPI CSI-2は主に短距離接続のために設計されており、ケーブル長は通常約30 cmに制限されています。この短いケーブル長は、インターフェースの高速性と信号劣化を最小限に抑える必要性によるものです。カメラとプロセッサが単一のボード上または小型デバイス内で密接に統合されているアプリケーションでは、MIPI CSI-2の短いケーブル長の要件は欠点ではありません。

MIPI CSI-2は、その低消費電力で知られており、バッテリー駆動または電力に敏感な組み込みシステムにとって優れた選択肢です。低消費電力状態やデータ転送中の効率的な電力使用などの電力管理機能が、この利点に寄与しています。USB 3.0は、以前のバージョンと比較して電力管理が改善されていますが、一般的に高データレートで動作する際にはより多くの電力を消費します。この消費電力の違いは、バッテリー寿命や全体的な電力効率が重要な考慮事項であるアプリケーションにおいて決定的な要因となる可能性があります。

コストの面では、USB 3.0はより広く採用され、標準化されたインターフェースであるという利点があります。カメラ、ホストコントローラー、ケーブルなど、USB 3.0互換のコンポーネントの大規模なエコシステムがあり、これによりコストが低くなる可能性があります。さらに、USB 3.0のプラグアンドプレイの特性は、システム統合を簡素化し、開発時間とコストを削減します。一方、MIPI CSI-2は、特に非モバイルアプリケーションでは、より専門的なコンポーネントやドライバーを必要とする場合があります。これにより、特に小規模生産ではコストが高くなる可能性があります。ただし、大量生産のモバイルおよび組み込みアプリケーションでは、MIPI CSI-2コンポーネントのコストは競争力があります。

USB 3.0は広範で確立されたエコシステムを持っています。Windows、Linux、macOSを含む多くの異なるオペレーティングシステムやホストデバイスと互換性があります。この広範な互換性により、既存のシステムにUSB 3.0カメラを統合することが容易になります。MIPI CSI-2は主にモバイルおよび組み込みプラットフォームを対象としていますが、ロボティクス、産業オートメーション、自動車アプリケーションの分野で特に成長しているエコシステムがあります。ただし、その互換性はMIPIプロトコルをサポートする特定のプロセッサファミリーおよびオペレーティングシステムに限られる場合があります。

産業検査システム: 産業環境では、カメラを制御システムからさまざまな距離に配置する必要があるため、USB 3.0の長いケーブル長のサポートが有益です。たとえば、大規模な製造工場では、カメラを使用して生産ラインの異なるポイントでコンベヤーベルト上の製品を検査でき、USB 3.0インターフェースにより中央制御システムへの接続が容易になります。

デスクトップベースのビジョンシステム：機械ビジョン開発やビデオ監視などのアプリケーションのために高解像度カメラをデスクトップコンピュータに統合する際、USB 3.0は便利で広くサポートされたインターフェースを提供します。デスクトップコンピュータに利用可能なUSBポートの数が多いため、必要に応じて複数のカメラを簡単に拡張および接続することができます。

モバイルロボティクス：モバイルロボットでは、電力消費とスペースが重要な要素です。MIPI CSI-2カメラは、小型のバッテリー駆動ロボットに統合され、ナビゲーション、物体検出、マッピングなどのタスクに対する視覚機能を提供します。MIPI CSI-2の低電力消費はロボットのバッテリー寿命を延ばすのに役立ち、そのコンパクトなフォームファクターはロボットの設計への容易な統合を可能にします。

ウェアラブルビジョンデバイス：スマートグラスやボディカメラなどのウェアラブルデバイスには、MIPI CSI-2が理想的な選択肢です。これらのデバイスは、拡張現実、視覚支援、またはセキュリティ監視などのアプリケーションに高解像度カメラを必要とします。MIPI CSI-2の低消費電力と小型サイズは、これらのコンパクトで電力に敏感なウェアラブルデバイスへの統合に適しています。

USB 3.0とMIPI CSI-2は、高解像度の組み込みビジョンアプリケーションにおいて独自の利点を提供します。USB 3.0は、高帯域幅、長いケーブル長のサポート、広い互換性、比較的低コストのバランスを提供し、幅広いアプリケーションに適しています。一方、MIPI CSI-2は、非常に高解像度のビデオに対する高帯域幅、低消費電力、コンパクトなフォームファクターなどの分野で優れており、電力に敏感でスペースに制約のあるアプリケーションに最適な選択肢となります。組み込みビジョンプロジェクトのためにこれら2つのインターフェースのいずれかを選択する際には、帯域幅の要件、ケーブル長のニーズ、消費電力の制約、コスト、既存システムとの互換性などの要因を考慮することが重要です。これらの要因を慎重に評価することで、特定のアプリケーションのニーズに最も適したインターフェースを選択し、高解像度の組み込みビジョンシステムにおける最適なパフォーマンスと効率を確保することができます。