Классификация и базовые знания об интерфейсе USB-камеры

1. Введение в принцип работы USB-камеры
Принцип работы USB-камер основан на оптической визуализации и сенсорной технологии, и общий процесс заключается в преобразовании оптических изображений в цифровые сигналы изображения, которые могут обрабатываться компьютерами. Свет попадает в камеру через объектив, который фокусирует свет сцены на датчике изображения, формируя оптическое изображение. Оптическое изображение проецируется на поверхность датчика изображения, который обычно включает в себя два типа: CCD (устройство с зарядовой связью) и CMOS (комплементарный металл-оксид-полупроводник). Когда свет попадает на пиксели датчика, он преобразуется в электрический сигнал на основе фотоэлектрического эффекта, а затем процессор изображений преобразует электрический сигнал в цифровой сигнал.
2. Подробный процесс преобразования
Фотоэлектрическое преобразование
Датчик изображения представляет собой полупроводниковый чип с сотнями тысяч или миллионами фотодиодов на своей поверхности. Когда эти фотодиоды подвергаются воздействию света, они генерируют заряды, тем самым преобразуя световые сигналы в аналоговые электрические сигналы. Например, в CMOS-датчиках он преобразует световые сигналы в электрические сигналы пиксель за пикселем, а CMOS-датчики более энергоэффективны и подходят для приложений с низким энергопотреблением.
Аналого-цифровое преобразование
Аналого-цифровое преобразование (А/Ц) - это процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал, разделяющий аналоговый сигнал на дискретные части, а затем представляющий эти части числами. После аналого-цифрового преобразования аналоговый сигнал, генерируемый зарядом, становится цифровым сигналом изображения.
3. Процесс обработки сигнала
Обработка DSP-чипом
Чип цифровой обработки сигналов (DSP) является ключевым компонентом в камерах, который получает цифровые сигналы изображения от датчиков изображения и оптимизирует их с помощью ряда сложных математических алгоритмов. Его структурная основа обычно включает такие компоненты, как процессор обработки изображений (ISP), декодер изображений JPEG (кодер JPEG) и контроллер USB-устройства. DSP может регулировать яркость, контрастность, насыщенность цвета и резкость изображений для улучшения их качества. Основными производителями DSP на рынке являются SONIX и VIMICRO.
4. Прием и отображение на компьютере
Наконец, компьютер получает эти обработанные цифровые сигналы изображения через интерфейс USB и отображает их на экране, позволяя пользователям просматривать и использовать их. Спецификация Universal Video Class (UVC) - это набор стандартов, определенных USB Implementers Forum (USB-IF). Она предоставляет стандартный интерфейс для передачи данных между USB-камерами и компьютерами, позволяя USB-камерам распознаваться и использоваться операционной системой без необходимости установки специальных драйверов, что значительно упрощает настройку и установку устройства.

Классификация интерфейсов USB-камер

Общие типы включают USB2.0 Type-A, USB 3.0 Type-A, USB Type-B, USB Mini-B, USB Micro-B, USB 3.0 Micro-B, USB Type-C
Интерфейс, используемый USB-камерами, в основном представляет собой физический разъем, определенный стандартом USB. С развитием стандартов USB физические интерфейсы также развиваются:
1. USB Type-A (Standard-A):Наиболее распространенный прямоугольный интерфейс, используемый для подключения к хосту компьютера (HUB, док-станция, порты на компьютере). Отличная обратная совместимость. USB 3.0 Type-A (обычно синий язычок) совместим с устройствами и портами USB 2.0/1.1 Type-A (но с пониженной скоростью). USB 2.0 Type-A (обычно черный или белый язычок) совместим с USB 1.1. Подавляющее большинство традиционных USB-камер используют этот интерфейс для подключения к компьютеру. Один конец кабеля - Type-A (подключается к компьютеру), а другой конец обычно Micro-B или Mini-B (подключается к камере). В настоящее время все больше и больше кабелей имеют Type-C (подключаются к камере). Есть положительное и отрицательное направления, но если вставить в противоположном направлении, он не подойдет.
2. USB Type-B (Standard-B):Квадратный интерфейс, больше по размеру, чем Type-A. В основном используется для подключения более крупных устройств, таких как принтеры и сканеры. Очень редко используется для современных USB-камер потребительского класса. Он может появиться на некотором очень старом или специальном промышленном оборудовании для камер. Есть положительное и отрицательное направления.

3. USB Mini-B:Гораздо меньший лестничный интерфейс, чем Type-B.
Раньше это был распространенный интерфейс для цифровых камер, портативных жестких дисков, некоторых устаревших мобильных телефонов и старых USB-камер (популярных примерно с 2005 по 2015 год).
Он был заменен на Micro-B и Type-C и в основном исчез на новых устройствах. Есть положительное и отрицательное направления.
4. USB Micro-B:Очень плоский трапециевидный интерфейс, который в настоящее время является наиболее распространенным интерфейсом USB на мобильных устройствах, помимо Type-C. Широко используется в старых телефонах Android, внешних аккумуляторах, некоторых внешних жестких дисках и большом количестве USB 2.0 камер.
USB 3.0 Micro-B: Дополнительный выступ был добавлен рядом со стандартным интерфейсом Micro-B, чтобы обеспечить дополнительные контакты, необходимые для USB 3.0. Некоторые более новые USB 3.0 камеры могут использовать этот интерфейс. Он по-прежнему является стандартным интерфейсом для многих USB 2.0 камер, но быстро заменяется на Type-C. Есть положительное и отрицательное направления, но конструкция штекера Micro-B облегчает подключение, чем Mini-B (с более выраженной трапецией).

5. USB Type-C:Компактный, овальный, симметричный дизайн.
Вставка вперед и назад: Нет направленности, его можно вставить любым способом.
Многофункциональность: Используется не только для передачи данных USB, но и поддерживает питание (PD), видеовыход DisplayPort, Thunderbolt 3/4 (требуется аутентификация) и т. д.
Высокая пропускная способность: Нативная поддержка USB 3.2 Gen 1/2 (5 Гбит/с/10 Гбит/с) и более высоких скоростей (USB4).
Будущий мейнстрим: Это единое направление интерфейса для почти всех новых устройств (телефоны, ноутбуки, планшеты, периферийные устройства) в настоящее время и в будущем.
Использование: Все больше и больше USB-камер высокого класса (особенно 4K-камеры со спецификациями USB 3.0/3.1/3.2) используют интерфейс Type-C (конец камеры).
Многие новые ноутбуки имеют только порты Type-C и требуют подключения камеры через Type-C или адаптер для использования. Пользователям, которым необходимо приобрести новую камеру, особенно тем, кому требуется высокоскоростная передача (высокое разрешение/высокая частота кадров) или подключение к новому компьютеру, настоятельно рекомендуется интерфейс Type-C (конец камеры).

Общая проблема:
1. Как выбрать подходящий интерфейс?
Пользователи должны оценить, какой интерфейс лучше всего соответствует их личным потребностям, поскольку каждый интерфейс на рынке имеет свои преимущества и должен выбираться в зависимости от конкретных приложений. Например, для камер высокого разрешения или с высокой частотой кадров можно рассмотреть возможность перехода на интерфейс USB 3.0 для достижения более высоких скоростей передачи и лучшего пользовательского опыта; Для общих сценариев использования интерфейса USB 2.0 может быть достаточно для удовлетворения требований.
2. Стабильность и надежность интерфейса
При выборе USB-камеры, помимо учета типа интерфейса, стабильность и надежность самого интерфейса также являются важными влияющими факторами. Пользователи должны обращать внимание на способ подключения и качество кабеля камеры, чтобы обеспечить стабильную передачу сигнала и хорошее качество изображения. Кроме того, необходимо учитывать расстояние между камерой и компьютером. Если расстояние слишком велико, передача сигнала может столкнуться с проблемами. В этом случае можно рассмотреть проводные удлинители или устройства расширения беспроводного сигнала для решения проблемы расстояния.
3. Нужны ли адаптеры и кабели-адаптеры?
В некоторых случаях пользователям может потребоваться использовать специальные адаптеры и кабели-адаптеры для подключения USB-камер. Например, компьютеры Apple не имеют интерфейса USB-A, и пользователи могут использовать адаптер USB-C для подключения камеры к компьютеру; Если камеру необходимо установить в более высоком положении, но длины кабеля USB недостаточно, можно использовать удлинительный кабель USB или расширитель сигнала USB. При выборе адаптеров и кабелей-адаптеров важно убедиться, что они совместимы с типом интерфейса USB камеры и имеют надежную передачу сигнала и стабильное питание.