В мире встраиваемых систем компьютерного зрения интерфейсы камер являются нейронными цепями, соединяющими датчики изображения с ядрами обработки, определяя, как данные передаются эффективно и надежно.
В современных встраиваемых устройствах выбор интерфейса камеры оказывает решающее влияние на производительность, энергопотребление и стоимость всей системы компьютерного зрения. От смартфонов до беспилотных автомобилей, от промышленных испытаний до медицинской визуализации — различные сценарии применения требуют различных интерфейсных решений.
MIPI CSI-2 в настоящее время является самым популярным стандартом интерфейса камеры в мобильных и встраиваемых устройствах. Его эффективные возможности передачи данных и низкое энергопотребление делают его предпочтительным выбором для большинства смарт-устройств.

01 Обзор интерфейсов и история развития

Развитие технологии интерфейсов встраиваемых камер прошло эволюционный процесс от аналогового к цифровому, от низкой скорости к высокой. Ранние встраиваемые устройства в основном использовали аналоговые интерфейсы, такие как CVBS, но по мере роста потребности в цифровой обработке изображений цифровые интерфейсы постепенно стали основными.
В конце 1990-х годов стали популярны параллельные цифровые интерфейсы, а затем, чтобы удовлетворить потребность в более высоких разрешениях и частоте кадров, появились высокоскоростные последовательные интерфейсы. Альянс MIPI выпустил стандарт CSI-2 в 2005 году, который в настоящее время стал фактическим отраслевым стандартом.
В настоящее время основные интерфейсы включают MIPI CSI-2, DVP, USB и LVDS. Каждый интерфейс имеет свои конкретные сценарии применения, преимущества и недостатки. Понимание характеристик и различий этих интерфейсов имеет решающее значение при проектировании встраиваемых систем компьютерного зрения.

02 Интерфейс MIPI CSI-2

MIPI CSI-2 (Camera Serial Interface 2) — это стандарт последовательного интерфейса камеры, разработанный Mobile Industry Processor Interface Alliance и в настоящее время широко используемый в различных встраиваемых устройствах.
CSI-2 использует многослойную архитектуру: физический уровень (PHY) использует протокол D-PHY или C-PHY, уровень канала передачи данных обеспечивает форматирование пакетов и обнаружение ошибок, а прикладной уровень обрабатывает отображение пикселей в байты.
Этот интерфейс поддерживает несколько типов данных: видеоданные, сигналы синхронизации, встроенные данные и пользовательские данные. Его многоканальная природа позволяет осуществлять параллельную передачу по нескольким каналам данных для увеличения пропускной способности.
Основные преимущества CSI-2 включают высокую пропускную способность (до 6 Гбит/с на канал), низкое энергопотребление, высокую помехозащищенность и небольшое количество контактов. Однако его недостатки — сложный протокол, требование специализированных приемников и относительная сложность отладки.

03 Параллельный интерфейс DVP

DVP (Digital Video Port) — это традиционный параллельный цифровой видеоинтерфейс, который использует 8/10/12/16-битную шину данных, а также сигналы горизонтальной и вертикальной синхронизации и тактовый сигнал пикселей для передачи данных.
Интерфейс DVP имеет простую структуру: шина данных (DATA), тактовый сигнал пикселей (PCLK), горизонтальная синхронизация (HSYNC), вертикальная синхронизация (VSYNC) и некоторые управляющие сигналы. Передача данных запускается по фронту тактового сигнала пикселей.
Преимуществами этого интерфейса являются простой протокол, простота реализации и отладки, а также отсутствие выделенного приемника, что позволяет напрямую подключаться к микроконтроллерам общего назначения. Однако его недостатки включают большое количество контактов, небольшое расстояние передачи, подверженность помехам и ограниченную пропускную способность.
DVP подходит для приложений с низким разрешением и низкой частотой кадров, таких как простое наблюдение и сканирующее оборудование начального уровня. Его максимальная пропускная способность обычно не превышает 200 Мбит/с.

04 Видеоинтерфейс USB

Интерфейс USB-камеры в основном используется для подключения к хост-устройствам. Он соответствует стандарту UVC (USB Video Class) и правильно работает в большинстве операционных систем без установки специализированных драйверов.
Существует несколько версий интерфейса USB: USB 2.0 предлагает пропускную способность 480 Мбит/с, USB 3.0 увеличивает ее до 5 Гбит/с, а новейший USB4 достигает 40 Гбит/с. Более поздние версии поддерживают более высокие разрешения и частоту кадров.
Преимуществами этого интерфейса являются универсальность, простота горячей замены и поддержка передачи на большие расстояния (с помощью удлинительных кабелей). Однако его недостатки — высокое энергопотребление и большая задержка, что делает его непригодным для приложений, требующих чрезвычайно высокой производительности в реальном времени.
USB-камеры широко используются в периферийных устройствах ПК, системах видеоконференций, потребительском наблюдении и других областях, предлагая один из самых простых способов подключения к хост-устройству.

05 Другие специализированные интерфейсы

Интерфейс LVDS (Low Voltage Differential Signaling) использует дифференциальную сигнализацию, обеспечивает высокую помехозащищенность и подходит для передачи на большие расстояния. Он обычно используется в промышленных камерах и автомобильных камерах.
Интерфейс GigE (Gigabit Ethernet) передает видеоданные по Ethernet, поддерживая передачу на сверхбольшие расстояния (до 100 метров), что делает его подходящим для промышленного машинного зрения и крупномасштабных систем наблюдения. Camera Link — это высокоскоростной интерфейс, разработанный специально для промышленного зрения, обеспечивающий пропускную способность до 7 Гбит/с. Однако он относительно дорог и в основном используется в высококлассном оборудовании для промышленного контроля.

06 Соображения при выборе интерфейса

При выборе интерфейса камеры следует учитывать несколько факторов: требования к пропускной способности (разрешение × частота кадров × глубина цвета), ограничения по энергопотреблению, расстояние передачи, сложность системы и бюджет затрат.
Для мобильных устройств предпочтителен MIPI CSI-2 из-за его низкого энергопотребления и высокой эффективности. Простые приложения могут выбрать DVP для снижения затрат.Для подключений к ПК подходит USB.Для промышленных сред рассмотрите GigE или Camera Link.
Совместимость также является ключевым фактором: поддержка интерфейса процессора, насыщенность экосистемы программного обеспечения и доступность ресурсов разработки — все это влияет на решение о выборе интерфейса.

07 Практические примеры применения

В смартфонах MIPI CSI-2 является абсолютным мейнстримом. Многокамерные системы подключаются к процессору через интерфейс CSI-2, совместно используя каналы данных.
Плата разработки, такая как Raspberry Pi, предлагает интерфейсы CSI-2 и DVP. CSI-2 используется для подключения к высокопроизводительным модулям камер, а DVP совместим с простыми датчиками.
Автомобильные камеры обычно используют LVDS или выделенный автомобильный Ethernet, поскольку они требуют передачи на большие расстояния и лучшей помехозащищенности.
Оборудование для промышленного контроля выбирает интерфейсы GigE или Camera Link в зависимости от требований к скорости. Первый подходит для приложений средней скорости, а второй соответствует требованиям высокой скорости и высокой точности.

08 Тенденции будущего развития

Технология интерфейса камеры развивается в направлении более высоких скоростей, меньшего энергопотребления и большей простоты. MIPI CSI-3 использует более новый физический уровень M-PHY, обеспечивая более высокую пропускную способность и лучшую энергоэффективность.
Новые технологии межсоединений, такие как Compute Express Link (CXL), также могут повлиять на область интерфейса камеры в будущем, предлагая решения для подключения с меньшей задержкой и большей пропускной способностью. Также развиваются беспроводные интерфейсы камер.Например, технологии WiFi 6 и 5G обеспечивают беспроводную передачу видео высокой четкости,предоставляя новые решения для дронов и устройств VR/AR.

Когда компания, занимающаяся умным домом, разработала новую камеру для дверного звонка, она изначально выбрала интерфейс DVP для снижения затрат, но обнаружила, что задержка видео была серьезной, а пользовательский опыт был плохим.

После переключения на MIPI CSI-2, хотя стоимость немного увеличилась, плавность видео значительно улучшилась и получила положительные отзывы рынка. Этот тематический пример иллюстрирует критическое влияние выбора интерфейса на производительность продукта.

В заключение, выбор правильного интерфейса встраиваемой камеры требует соблюдения баланса между производительностью, энергопотреблением, стоимостью и сложностью. Понимание технических характеристик и применимых сценариев различных интерфейсов имеет решающее значение для принятия наилучшего решения для конкретного приложения.

Технические решения не должны основываться только на одном параметре; скорее, они должны всесторонне учитывать требования к системе, ресурсы разработки и позиционирование продукта, чтобы выбрать наиболее подходящий канал визуальной передачи.