В мире встроенных систем зрения интерфейсы камер - это нейронные схемы, соединяющие датчики изображения с процессорными ядрами, определяющие эффективность и надежность передачи данных.
В современных встроенных устройствах выбор интерфейса камеры оказывает решающее влияние на производительность, энергопотребление и стоимость всей системы зрения.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 встроенных устройствах.Его эффективные возможности передачи данных и низкое потребление энергии делают его предпочтительным выбором для большинства умных устройств.

01 Обзор интерфейса и история разработки

Развитие технологии интерфейса встроенной камеры прошло эволюционный процесс от аналогового к цифровому, и от низкоскоростного к высокоскоростному.Ранние встроенные устройства в основном использовали аналоговые интерфейсы, такие как CVBS, но по мере роста спроса на цифровую обработку изображений цифровые интерфейсы постепенно стали основным направлением.
В конце 1990-х годов стали популярны параллельные цифровые интерфейсы, а затем, чтобы удовлетворить спрос на более высокие разрешения и частоты кадров, появились высокоскоростные серийные интерфейсы.MIPI Alliance выпустил стандарт CSI-2 в 2005 году., который теперь стал фактическим отраслевым стандартом.
В настоящее время основные интерфейсы включают MIPI CSI-2, DVP, USB и LVDS. Каждый интерфейс имеет свои специфические сценарии применения и преимущества и недостатки.Понимание характеристик и различий этих интерфейсов имеет решающее значение для проектирования встроенных систем зрения.

02 Интерфейс MIPI CSI-2

MIPI CSI-2 (Camera Serial Interface 2) - это стандарт серийного интерфейса камеры, разработанный Альянсом процессоров мобильной промышленности и в настоящее время широко используется в различных встроенных устройствах.
CSI-2 использует многоуровневую архитектуру: физический уровень (PHY) использует протокол D-PHY или C-PHY, уровень связи данных обеспечивает форматирование пакетов и обнаружение ошибок,и уровень приложения обрабатывает отображение пикселя на байт.
Этот интерфейс поддерживает несколько типов данных: видеоданные, сигналы синхронизации, встроенные данные и пользовательские данные.Его многоканальный характер позволяет параллельно передавать данные по нескольким каналам для увеличения пропускной способности.
К основным преимуществам CSI-2 относятся высокая пропускная способность (до 6 Гбит/с/канал), низкое энергопотребление, сильные возможности борьбы с помехами и небольшое количество пин.его недостатки - сложный протокол, необходимость в специализированных приемниках 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,вместе с горизонтальными и вертикальными сигналами синхронизации и пиксельными часами для передачи данных.
Интерфейс DVP имеет простую структуру: шину данных (DATA), пиксельные часы (PCLK), горизонтальную синхронизацию (HSYNC), вертикальную синхронизацию (VSYNC) и некоторые управляющие сигналы.Передача данных запускается краем пиксельного часа.
Преимущества этого интерфейса заключаются в его простом протоколе, простоте внедрения и отладки, а также отсутствии выделенного приемника, что позволяет напрямую подключаться к MCU общего назначения.его недостатки включают большое количество штифтов, короткое расстояние передачи, восприимчивость к помехам и ограниченная пропускная способность.
DVP подходит для приложений с низким разрешением и низкой частотой кадров, таких как простое наблюдение и сканирование на начальном уровне.

04 USB видео интерфейс

Интерфейс камеры USB в основном используется для подключения к устройствам хоста.Он соответствует стандарту UVC (USB Video Class) и работает нормально на большинстве операционных систем без установки специальных драйверов.
Существует несколько версий интерфейса USB: USB 2.0 предлагает полосу пропускания 480 Мбит / с, USB 3.0 увеличивается до 5 Гбит / с, а последняя версия USB4 достигает до 40 Гбит / с.Последующие версии поддерживают более высокие разрешения и частоты кадров.
Преимущества этого интерфейса заключаются в его универсальности, легкой горячей замене и поддержке передачи на большие расстояния (через расширительные кабели).его недостатки - высокое потребление энергии и высокая задержка, что делает его непригодным для приложений, требующих чрезвычайно высокой производительности в реальном времени.
USB-камеры широко используются в периферийных устройствах ПК, системах видеоконференцсвязи, видеонаблюдении потребителей и других областях, предлагая один из простейших способов подключения к устройству хоста.

05 Другие специализированные интерфейсы

Интерфейс LVDS (низковольтная дифференциальная сигнализация) использует дифференциальную сигнализацию, предлагает сильный иммунитет к помехам и подходит для передачи на большие расстояния.Он обычно используется в промышленных и автомобильных камерах..
интерфейс GigE (Gigabit Ethernet) передает видеоданные по Ethernet, поддерживая передачу на сверхдлинные расстояния (до 100 метров),что делает его пригодным для промышленного машинного зрения и крупномасштабных систем наблюдения. Camera Link - это высокоскоростной интерфейс, разработанный специально для промышленного зрения, предлагающий пропускную способность до 7 Гбит/с.он относительно дорогой и в основном используется в высококачественном промышленном оборудовании для инспекции..

06 Учитывания выбора интерфейса

При выборе интерфейса камеры следует учитывать несколько факторов: требования к пропускной способности (разрешение × частота кадров × глубина цвета), ограничения потребления энергии, расстояние передачи, сложность системы,и бюджет расходов.
Для мобильных устройств MIPI CSI-2 предпочтительнее из-за его низкого энергопотребления и высокой эффективности. Для подключения к ПК подходит USB.Для промышленной среды, рассмотрим GigE или Camera Link.
Совместимость также является ключевым фактором: поддержка интерфейса процессора, богатство программной экосистемы и доступность ресурсов для разработки влияют на решение о выборе интерфейса.

07 Примеры практического применения

В смартфонах MIPI CSI-2 является абсолютным мейнстримом.
Разработные платы, такие как Raspberry Pi, предлагают интерфейсы CSI-2 и DVP. CSI-2 используется для подключения к высокопроизводительным модулям камер, в то время как DVP совместим с простыми датчиками.
Автомобильные камеры обычно используют LVDS или выделенный автомобильный Ethernet, потому что они требуют передачи на большие расстояния и лучшего иммунитета к помехам.
Промышленное инспекционное оборудование выбирает интерфейсы GigE или Camera Link на основе требований к скорости.В то время как последний отвечает требованиям высокой скорости и высокой точности.

08 Будущие тенденции развития

Технология интерфейса камеры развивается в направлении более высокой скорости, меньшего потребления энергии и большей простоты.обеспечивая более высокую пропускную способность и лучшую энергоэффективность.
Появляющиеся технологии взаимосвязи, такие как Compute Express Link (CXL), также могут повлиять на поле интерфейсов камер в будущем, предлагая более низкую задержку и более высокую пропускную способность.Интерфейсы беспроводных камер также развиваются.Например, технологии WiFi 6 и 5G позволяют передавать беспроводные видео высокой четкости, предоставление новых решений для беспилотных летательных аппаратов и устройств VR/AR.

Когда компания Smart Home разработала новую камеру для дверного звонка, она изначально выбрала интерфейс DVP для сокращения затрат, но обнаружила, что задержка видео была серьезной и пользовательский опыт был плохим.

После перехода наMIPI CSI-2, в то время как стоимость немного выросла, видеоплатность значительно улучшилась и получила положительные отзывы рынка.Это исследование иллюстрирует критическое влияние выбора интерфейса на производительность продукта.

Вкратце, Выбор правильного интерфейса встроенной камеры требует баланса между производительностью, энергопотреблением, стоимостью и сложностью.Понимание технических характеристик и применимых сценариев различных интерфейсов имеет решающее значение для выбора 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 для выбора наиболее подходящего канала визуальной передачи.