USB対MIPIカメラモジュール:どちらがあなたの設計に適していますか?

作成日 09.17
製品を設計する際に画像キャプチャが必要な場合—スマートホームデバイス、産業用センサー、医療機器、またはコンシューマーエレクトロニクスであっても—適切なカメラモジュールインターフェースを選択することは重要です。今日最も広く使用されているオプションの2つは、USB(ユニバーサルシリアルバス)とMIPI(モバイル産業プロセッサインターフェース)カメラモジュールです。両者は画像データを伝送するという基本的な機能を果たしますが、そのアーキテクチャ、性能能力、使用ケースは大きく異なります。
誤ったインターフェースを選択すると、高額な再設計、パフォーマンスのボトルネック、または将来的な互換性の問題を引き起こす可能性があります。このガイドでは、主要な違いを詳しく説明します。USBおよびMIPIカメラモジュール、長所と短所を評価し、あなたのデザイン目標にどれが合致するかを決定するためのフレームワークを提供します。

USBおよびMIPIカメラモジュールとは何ですか?

比較に入る前に、それぞれの技術について明確な理解を確立しましょう。

USBカメラモジュール:プラグアンドプレイの簡単さ

USBカメラモジュールは、センサー、レンズ、およびUSBコントローラーをコンパクトなユニットに統合しています。これらは、USBポート(USB 2.0、3.0、3.1、またはUSB-C)を介してホストデバイス(マイクロコントローラー、シングルボードコンピューター、またはPCなど)に接続します。USBインターフェースは、データ伝送と電力供給の両方を処理し、ほとんどの場合、別々の電源ケーブルを必要としません。
USBモジュールは、UVC(USB Video Class)などの標準化されたプロトコルに依存しています。これは、Windows、Linux、macOS、およびほとんどの組み込みオペレーティングシステムによってサポートされるユニバーサルドライバーフレームワークです。つまり、これらはカスタムファームウェアなしで「箱から出して」すぐに動作することが多く、迅速なプロトタイピングや中程度の複雑さの設計に好まれています。

MIPIカメラモジュール:高性能に最適化

MIPIカメラモジュールは、速度、電力効率、コンパクトさが妥協できないモバイルおよび組み込みデバイス向けに、モバイル産業プロセッサインターフェースアライアンスによって開発されました。USBとは異なり、MIPIは差動シリアルインターフェース(通常はMIPI CSI-2、またはカメラシリアルインターフェース2)を使用して、データをホストのアプリケーションプロセッサ(AP)またはシステムオンチップ(SoC)に直接送信します。
MIPIモジュールは、ホストのハードウェアおよびソフトウェアとの緊密な統合を必要とします。カスタムドライバー、信号ルーティング、電力管理がしばしば必要です。プラグアンドプレイ機能は提供されませんが、高解像度で低遅延の画像キャプチャが重要なシナリオでは優れた性能を発揮します。

主な違い:USBとMIPIカメラモジュール

情報に基づいた意思決定を行うために、7つの重要なデザイン基準にわたって2つのインターフェースを比較しましょう:

1. データ転送速度と帯域幅

帯域幅は、カメラモジュールが提供できる最大解像度、フレームレート、および画像品質を決定します。USBとMIPIの比較は以下の通りです:
• USB: バンド幅はUSBの世代によって異なります:
◦ USB 2.0: 最大480 Mbps(720p/30fpsまたは1080p/15fpsに十分)。
◦ USB 3.0/3.1 Gen 1: 最大5 Gbps(4K/30fpsまたは1080p/120fpsをサポート)。
◦ USB 3.1 Gen 2: 最大10 Gbps(8K/30fpsまたは高速マシンビジョンタスクを可能にします)。
しかし、USBは他の接続されたデバイス(例:キーボード、外部ドライブ)と帯域幅を共有しているため、混雑したシステムではレイテンシやフレームドロップが発生する可能性があります。
• MIPI CSI-2: 帯域幅は「レーン」(データチャネル)の数とレーンあたりのデータレートに依存します:
◦ 1レーン MIPI CSI-2 (1.5 Gbps/レーン): ~1.5 Gbps (USB 2.0に類似)。
◦ 4レーンMIPI CSI-2(2.5 Gbps/レーン):最大10 Gbps(USB 3.1 Gen 2に対応)。
◦ 8レーンMIPI CSI-2(4.0 Gbps/レーン):最大32 Gbps(16K/60fpsまたは高ダイナミックレンジ(HDR)ビデオをサポート)。
重要なことに、MIPIはカメラデータ用に専用のレーンを使用しているため、帯域幅は他の周辺機器と共有されず、高負荷のアプリケーションに対してより一貫したパフォーマンスを実現します。
速度の勝者:高解像度、低遅延のユースケースにはMIPI(特に複数のレーン); よりシンプルで帯域幅に制約のあるデザインにはUSB。

2. 消費電力

電力効率は、バッテリー駆動のデバイス(例:スマートフォン、ウェアラブルデバイス、またはポータブル医療機器)にとって重要です。
• USB: USBモジュールはホストのUSBポートから直接電力を引き出します(通常、USB 2.0の場合は5V/500mA、USB 3.0の場合は最大5V/900mA)。便利ではありますが、この固定された電力供給は非効率的であることがあります—モジュールはしばしば電圧変換にエネルギーを浪費します。さらに、USBのプロトコルオーバーヘッド(エラーチェックやデバイス通信のため)は、データ転送中の電力使用量を増加させます。
• MIPI: MIPI CSI-2は低消費電力のために設計されています。これは差動信号を使用しており(USBの単一エンド信号よりも少ない電圧を必要とします)、パワーゲーティング(未使用のレーンを無効にする)や低電力モード(例:画像をキャプチャしていないときのスタンバイ)をサポートしています。MIPIモジュールは、ホストの電圧要件に合わせてカスタム電力管理(例:1.8Vまたは3.3V供給)を可能にし、変換損失を最小限に抑えます。
電力効率の勝者:MIPI—バッテリー駆動デバイスに最適。

3. フォームファクターと統合

カメラモジュールのサイズと統合の容易さは、製品のエンクロージャにどれだけうまくフィットするかに影響します。
• USB: USBモジュールは、一般的にMIPIモジュールよりも大きく、USBコントローラーとコネクタ(例:Type-C、Micro-USB)を含んでいます。ケーブルの長さは柔軟で(USB 2.0の場合は最大5メートル、USB 3.0の場合は3メートル)、カメラをホストから離して取り付ける必要がある設計(例:壁に取り付けられたセキュリティカメラがクローゼット内のRaspberry Piに接続されている)に適しています。
• MIPI: MIPIモジュールは超コンパクトで、外部コネクタがなく、薄く柔軟なフラットケーブル(FFC)またはプリント基板(PCB)トレースを使用して接続します。しかし、MIPIの信号の整合性は距離によって劣化します:典型的なケーブルの長さは10〜20 cmに制限されています。これにより、MIPIはカメラがホストに近く取り付けられるスペース制約のある設計に最適です(例:スマートフォンの前面カメラがSoCの隣にある場合や、ドローンの搭載カメラの場合)。
コンパクトさでの勝者:MIPI;柔軟な配置での勝者:USB。

4. プラグアンドプレイ & 開発の容易さ

市場投入までの時間は重要な設計の優先事項であり、インターフェースの複雑さは開発速度に直接影響します。
• USB: UVC準拠のおかげで、ほとんどのUSBカメラモジュールは市販のドライバーで動作します。開発者はカスタムファームウェアを書く必要がなく、OpenCVやV4L2(Video for Linux 2)などのライブラリを使用して、数分でカメラデータにアクセスできます。これにより、USBはプロトタイピング、趣味のプロジェクト、または厳しい納期のある製品(例:内蔵カメラ付きのスマートミラー)に最適です。
• MIPI: MIPIは、深いハードウェアとソフトウェアの統合を必要とします。ホストデバイスは、専用のMIPI CSI-2ポート(例:NVIDIA Jetson、Raspberry Pi Compute Module、またはQualcomm Snapdragon SoC)を持っている必要があります。開発者は、クロック信号を構成し、レーンのルーティングを最適化し、カメラとホストを同期させるためにカスタムドライバーを書く必要があります。これにより、複雑さと開発時間が増しますが、パフォーマンスの微調整(例:産業検査のための露出時間の調整)が可能になります。
開発の容易さでの勝者:USB—組み込みの専門知識が限られているチームに最適。

5. 互換性とエコシステム

ホストデバイス、ツール、およびサポートの強力なエコシステムは、トラブルシューティングとスケーリングを簡素化できます。
• USB: USBは普遍的な標準であり、ほぼすべてのコンピュータデバイス(PC、Raspberry PiのようなSBC、USBホストを持つArduinoのようなマイクロコントローラ)がUSBをサポートしています。UVC標準はオペレーティングシステム間の互換性を保証し、0.3MPのウェブカメラから4Kの産業用カメラまで、選択肢が豊富なUSBカメラモジュールの市場があります。
• MIPI: MIPIの互換性はより制限されています。ホストデバイスはMIPI CSI-2レシーバーを持っている必要があり、これはモバイルSoC(例:Samsung Exynos)や組み込みプラットフォーム(例:NVIDIA Jetson Nano、Google Coral Dev Board)では一般的ですが、消費者向けPCや基本的なマイクロコントローラーでは稀です。MIPIエコシステムもより断片化されており、モジュール設計はメーカーによって異なり、ドライバーサポートはホストのSoCに依存します。
互換性の勝者:USB—デバイスとOS全体でのより広範なサポート。

6. コスト

コストは、コンポーネントの複雑さ、ボリューム、およびエコシステムの規模に依存します。
• USB: USBカメラモジュールは、低ボリュームではしばしば安価です。USBコントローラーとUVC準拠により製造コストが削減され、大きな市場規模がスケールメリットを促進します。例えば、1080p USBモジュールは5〜15のコストで入手できる一方、4K USB 3.0モジュールは20〜50の範囲です。
• MIPI: MIPIモジュールは、専門的なハードウェア(例:レーンコントローラー)と生産量が少ないため、初期費用が高くなります。1080p MIPIモジュールは通常10〜25のコストがかかり、4K MIPIモジュールは30〜80の範囲です。しかし、大量生産(例:数百万台のスマートフォン)では、MIPIのコストは大幅に下がります。なぜなら、メーカーはモジュールをホストのPCBに直接統合できるからです(コネクタやケーブルを排除)。
低ボリュームプロジェクトの勝者:USB;高ボリューム生産の勝者:MIPI。

7. ユースケースの適合性

最適なインターフェースは、製品のコア要件に依存します。それぞれの技術を一般的なユースケースにマッピングしてみましょう:

USBカメラモジュールを選ぶべき時:

• コンシューマーエレクトロニクス:スマートミラー、IPカメラ、ウェブカメラ、またはゲームアクセサリー(例:外部カメラ付きVRヘッドセット)。
• プロトタイピング & ホビープロジェクト: Raspberry Piベースのロボット、DIYセキュリティシステム、またはホームオートメーションデバイス。
• 産業用低消費電力アプリケーション:バーコードスキャナー、POSシステム、または基本的な品質管理カメラ。
• 柔軟な配置が必要なデバイス:遠隔に取り付けられたセキュリティカメラや、カメラをメインユニットから離して配置する必要がある医療機器。

MIPIカメラモジュールを選ぶべき時:

• モバイルデバイス:スマートフォン、タブレット、ウェアラブルデバイス(例:心拍数カメラを搭載したスマートウォッチ)、またはAR/VRヘッドセット(例:Oculus Quest)。
• 高性能組み込みシステム:ドローン、自律走行車、または機械視覚システム(例:製造における欠陥検出)。
• バッテリー駆動デバイス:ポータブル医療スキャナー、アクションカメラ、または限られた電力予算を持つIoTセンサー。
• スペース制約のあるデザイン:ミニチュアロボット、内視鏡、またはコンパクトな産業センサー。

選び方:ステップバイステップのフレームワーク

どのインターフェースを選ぶべきかまだ迷っていますか?デザイン目標に合わせて選択を調整するために、この4ステップのプロセスに従ってください:

ステップ 1: パフォーマンス要件を定義する

• どの解像度とフレームレートが必要ですか?(例:1080p/30fps 対 4K/60fps)
• 低遅延は重要ですか?(例:自律走行車は10ms未満の遅延が必要ですが、スマートミラーは必要ありません)
• デバイスはバッテリー電源で動作しますか?(効率のためにMIPIを優先)

ステップ2:ホストデバイスを評価する

• あなたのホストにはMIPI CSI-2ポートがありますか?(例:Raspberry Pi 4にはMIPIポートがありますが、Raspberry Pi Zero Wにはありません)
• 他のUSB周辺機器を接続する必要がありますか?(USBは帯域幅の混雑を引き起こす可能性があります)

ステップ3:フォームファクターと配置を考慮する

• モジュールのためにどれくらいのスペースがありますか?(MIPIは小さいです)
• カメラはホストからどれくらい離れますか?(USBは長いケーブルをサポートしています)

ステップ4:開発時間と予算を考慮する

• MIPIドライバーを構築するための組み込み専門知識はありますか?(USBは初心者には簡単です)
• あなたの生産量はどのくらいですか?(MIPIはスケールでコスト効果があります)

最終的な考え: USB 対 MIPI

「一律に適用できる」答えはありません—USBおよびMIPIカメラモジュールは異なる設計ニーズに応えます。
• USBを選択する場合: プラグアンドプレイの簡単さ、柔軟な配置、広範な互換性が必要な場合、または低ボリュームのプロトタイプに取り組んでいる場合。
• MIPIを選択する場合: 高解像度、低遅延、電力効率が必要な場合、またはコンパクトで高容量の製品(例:スマートフォン、ドローン)を設計している場合。
パフォーマンス、フォームファクター、開発目標に合わせて選択を調整することで、高額な再作業を避け、カメラモジュールが最終製品にシームレスに統合されることを保証します。
もしまだ迷っているなら、小さなプロトタイプで両方のインターフェースをテストしてみることを検討してください。多くのメーカーは、USBおよびMIPIモジュール用の低コストの評価キットを提供しています。この実際のテストにより、どちらがあなたのデザインに適しているかを最も明確に把握できます。
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