Στον κόσμο των ενσωματωμένων συστημάτων όρασης, οι διεπαφές της κάμερας είναι τα νευρωνικά κυκλώματα που συνδέουν τους αισθητήρες εικόνας με τους πυρήνες επεξεργασίας, καθορίζοντας τον τρόπο αποτελεσματικής και αξιόπιστης μετάδοσης δεδομένων.
Στις σημερινές ενσωματωμένες συσκευές, η επιλογή της διεπαφής της κάμερας έχει κρίσιμη επίδραση στην απόδοση, την κατανάλωση ενέργειας και το κόστος ολόκληρου του συστήματος όρασης.από τις βιομηχανικές δοκιμές μέχρι την ιατρική απεικόνιση, διαφορετικά σενάρια εφαρμογής απαιτούν διαφορετικές λύσεις διεπαφών.
Το MIPI CSI-2 είναι σήμερα το πιο δημοφιλές πρότυπο διεπαφής κάμερας σε κινητές και ενσωματωμένες συσκευές.Οι αποτελεσματικές δυνατότητες μετάδοσης δεδομένων και η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας το καθιστούν την προτιμώμενη επιλογή για τις περισσότερες έξυπνες συσκευές.

01 Επισκόπηση και ιστορία ανάπτυξης διεπαφών

Η ανάπτυξη της τεχνολογίας ενσωματωμένης διεπαφής κάμερας έχει υποστεί μια εξελικτική διαδικασία από αναλογική σε ψηφιακή και από χαμηλής ταχύτητας σε υψηλής ταχύτητας.Οι πρώτες ενσωματωμένες συσκευές χρησιμοποιούσαν κυρίως αναλογικές διεπαφές όπως το CVBS, αλλά καθώς η ζήτηση για ψηφιακή επεξεργασία εικόνων αυξήθηκε, οι ψηφιακές διεπαφές σταδιακά έγιναν κυρίαρχες.
Στα τέλη της δεκαετίας του 1990, οι παράλληλες ψηφιακές διεπαφές έγιναν δημοφιλείς και, στη συνέχεια, για να καλύψουν την ζήτηση για υψηλότερες ανάλυσεις και ποσοστά πλαισίων, εμφανίστηκαν σειριακές διεπαφές υψηλής ταχύτητας.Η MIPI Alliance κυκλοφόρησε το πρότυπο CSI-2 το 2005, η οποία έχει πλέον γίνει de facto το βιομηχανικό πρότυπο.
Επί του παρόντος, οι κύριες διεπαφές περιλαμβάνουν MIPI CSI-2, DVP, USB και LVDS. Κάθε διεπαφή έχει τα δικά της ειδικά σενάρια εφαρμογής και τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα.Η κατανόηση των χαρακτηριστικών και των διαφορών αυτών των διεπαφών είναι ζωτικής σημασίας για το σχεδιασμό ενσωματωμένων συστημάτων όρασης.

02 Διασύνδεση MIPI CSI-2

Το MIPI CSI-2 (Camera Serial Interface 2) είναι ένα πρότυπο σειριακής διεπαφής κάμερας που αναπτύχθηκε από την Mobile Industry Processor Interface Alliance και χρησιμοποιείται πλέον ευρέως σε διάφορες ενσωματωμένες συσκευές.
Το CSI-2 χρησιμοποιεί μια πολυεπίπεδη αρχιτεκτονική: το φυσικό στρώμα (PHY) χρησιμοποιεί το πρωτόκολλο D-PHY ή C-PHY, το στρώμα σύνδεσης δεδομένων παρέχει μορφοποίηση πακέτων και ανίχνευση σφαλμάτων,και το στρώμα εφαρμογής χειρίζεται τη χαρτογράφηση από pixel σε byte.
Αυτή η διεπαφή υποστηρίζει πολλαπλούς τύπους δεδομένων: δεδομένα βίντεο, σήματα συγχρονισμού, ενσωματωμένα δεδομένα και δεδομένα που ορίζονται από τον χρήστη.Η πολυκαναλική φύση του επιτρέπει παράλληλη μετάδοση σε πολλαπλά κανάλια δεδομένων για την αύξηση του εύρους ζώνης.
Τα κύρια πλεονεκτήματα του CSI-2 περιλαμβάνουν υψηλό εύρος ζώνης (έως 6 Gbps/κανάλι), χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, ισχυρές δυνατότητες κατά των παρεμβολών και μικρό αριθμό πινών.Τα μειονεκτήματα είναι το πολύπλοκο πρωτόκολλο, η απαίτηση για εξειδικευμένους δέκτες και η σχετική δυσκολία της αποδιορθώσεως.

03 Παράλληλη διεπαφή DVP

Το DVP (Digital Video Port) είναι ένα παραδοσιακό παράλληλο ψηφιακό βιντεοσύνδεσμο που χρησιμοποιεί μια λεωφορεία δεδομένων 8/10/12/16 bit,μαζί με οριζόντια και κατακόρυφα σήματα συγχρονισμού και ρολόι με εικονοστοιχεία για τη μετάδοση δεδομένων.
Η διεπαφή DVP έχει μια απλή δομή: μια λεωφορεία δεδομένων (DATA), ένα ρολόι pixel (PCLK), οριζόντιο συγχρονισμό (HSYNC), κατακόρυφο συγχρονισμό (VSYNC) και μερικά σήματα ελέγχου.Η μετάδοση δεδομένων ενεργοποιείται από την άκρη του ρολογιού των pixel.
Τα πλεονεκτήματα αυτής της διεπαφής είναι το απλό πρωτόκολλο, η ευκολία εφαρμογής και ελάττωσης και η απουσία ειδικού δέκτη, επιτρέποντας την άμεση σύνδεση με MCU γενικής χρήσης.Τα μειονεκτήματα του περιλαμβάνουν ένα μεγάλο αριθμό καρφίτσες, μικρή απόσταση μετάδοσης, ευαισθησία σε παρεμβολές και περιορισμένο εύρος ζώνης.
Το DVP είναι κατάλληλο για εφαρμογές χαμηλής ανάλυσης και χαμηλού ρυθμού εικόνας, όπως απλή παρακολούθηση και εξοπλισμός σαρώσης εισόδου.

04 Διασύνδεση βίντεο USB

Η διεπαφή της κάμερας USB χρησιμοποιείται κυρίως για τη σύνδεση με τις συσκευές υποδοχής.Συμμορφώνεται με το πρότυπο UVC (USB Video Class) και λειτουργεί σωστά στα περισσότερα λειτουργικά συστήματα χωρίς την εγκατάσταση εξειδικευμένων οδηγών.
Υπάρχουν αρκετές εκδόσεις της διεπαφής USB: το USB 2.0 προσφέρει εύρος ζώνης 480Mbps, το USB 3.0 αυξάνεται σε 5Gbps και το πιο πρόσφατο USB4 φτάνει μέχρι 40Gbps.Αργότερες εκδόσεις υποστηρίζουν υψηλότερες ανάλυσεις και ρυθμούς πλαισίων.
Τα πλεονεκτήματα αυτής της διεπαφής είναι η ευελιξία της, η εύκολη θερμή εναλλαγή και η υποστήριξη της μετάδοσης μεγάλων αποστάσεων (μέσω καλωδίων επέκτασης).Τα μειονεκτήματα του είναι η υψηλή κατανάλωση ισχύος και η υψηλή καθυστέρηση., καθιστώντας το ακατάλληλο για εφαρμογές που απαιτούν εξαιρετικά υψηλές επιδόσεις σε πραγματικό χρόνο.
Οι κάμερες USB χρησιμοποιούνται ευρέως σε περιφερειακά συστήματα υπολογιστών, συστήματα βιντεοδιάσκεψης, παρακολούθηση καταναλωτών και σε άλλους τομείς, προσφέροντας έναν από τους απλούστερους τρόπους σύνδεσης με μια συσκευή υποδοχής.

05 Άλλες εξειδικευμένες διεπαφές

Η διεπαφή LVDS (Low Voltage Differential Signaling) χρησιμοποιεί διαφορική σηματοδότηση, προσφέρει ισχυρή ανθεκτικότητα στις παρεμβολές και είναι κατάλληλη για μετάδοση μεγάλων αποστάσεων.Χρησιμοποιείται συνήθως σε βιομηχανικές κάμερες και κάμερες αυτοκινήτων.
Η διεπαφή GigE (Gigabit Ethernet) μεταδίδει δεδομένα βίντεο μέσω Ethernet, υποστηρίζοντας τη μετάδοση υπερυψωμένων αποστάσεων (έως 100 μέτρα),που το καθιστά κατάλληλο για βιομηχανικά συστήματα μηχανικής όρασης και μεγάλης κλίμακας παρακολούθησηςΤο Camera Link είναι μια υψηλής ταχύτητας διεπαφή σχεδιασμένη ειδικά για βιομηχανική όραση, προσφέροντας εύρος ζώνης έως και 7Gbps.είναι σχετικά δαπανηρό και χρησιμοποιείται κυρίως σε εξοπλισμό βιομηχανικής επιθεώρησης υψηλού επιπέδου.

06 Σχέσεις επιλογής διεπαφής

Όταν επιλέγετε μια διεπαφή κάμερας, εξετάστε διάφορους παράγοντες: απαιτήσεις εύρους ζώνης (ανακοίνωση × ρυθμός καρές × βάθος χρώματος), περιορισμούς κατανάλωσης ενέργειας, απόσταση μετάδοσης, πολυπλοκότητα του συστήματος,και προϋπολογισμού κόστους.
Για τις κινητές συσκευές, το MIPI CSI-2 προτιμάται για τη χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και την υψηλή απόδοσή του.Για συνδέσεις υπολογιστών, το USB είναι κατάλληλο.Για βιομηχανικά περιβάλλοντα, σκεφτείτε το GigE ή το Camera Link.
Η συμβατότητα είναι επίσης βασικός παράγοντας: η υποστήριξη διεπαφών επεξεργαστών, ο πλούτος του οικοσυστήματος λογισμικού και η διαθεσιμότητα πόρων ανάπτυξης επηρεάζουν όλες την απόφαση επιλογής διεπαφών.

07 Παραδείγματα πρακτικής εφαρμογής

Στα smartphones, το MIPI CSI-2 είναι το απόλυτο mainstream.
Τα πλαίσια ανάπτυξης όπως το Raspberry Pi προσφέρουν τόσο διεπαφές CSI-2 όσο και DVP.
Οι κάμερες αυτοκινήτων χρησιμοποιούν συνήθως LVDS ή αφιερωμένο αυτοκινητοβιομηχανικό Ethernet επειδή απαιτούν μετάδοση μεγάλης απόστασης και καλύτερη ανοσία στις παρεμβολές.
Ο βιομηχανικός εξοπλισμός επιθεώρησης επιλέγει είτε τις διεπαφές GigE είτε τις διεπαφές Camera Link με βάση τις απαιτήσεις ταχύτητας.ενώ το τελευταίο πληροί τις απαιτήσεις υψηλής ταχύτητας και υψηλής ακρίβειας.

08 Μελλοντικές τάσεις ανάπτυξης

Η τεχνολογία διεπαφής της κάμερας εξελίσσεται προς υψηλότερες ταχύτητες, χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας και μεγαλύτερη απλότητα.παρέχοντας μεγαλύτερο εύρος ζώνης και καλύτερη απόδοση ενέργειας.
Οι αναδυόμενες τεχνολογίες διασύνδεσης, όπως η Compute Express Link (CXL), ενδέχεται επίσης να επηρεάσουν το πεδίο των διεπαφών της κάμερας στο μέλλον, προσφέροντας χαμηλότερη καθυστέρηση και λύσεις συνδεσιμότητας υψηλότερου εύρους ζώνης.Οι ασύρματες κάμερες εξελίσσονται επίσης.Για παράδειγμα, οι τεχνολογίες WiFi 6 και 5G επιτρέπουν την ασύρματη μετάδοση βίντεο υψηλής ευκρίνειας,παροχή νέων λύσεων για drones και συσκευές VR/AR.

Όταν μια εταιρεία έξυπνων σπιτιών ανέπτυξε μια νέα κάμερα κουδουνιού, αρχικά επέλεξε μια διεπαφή DVP για να μειώσει το κόστος, αλλά διαπίστωσε ότι η καθυστέρηση βίντεο ήταν σοβαρή και η εμπειρία χρήστη ήταν κακή.

Μετά την αλλαγή σεMIPI CSI-2, ενώ το κόστος αυξήθηκε ελαφρώς, η ροή του βίντεο βελτιώθηκε σημαντικά και έλαβε θετικές κριτικές της αγοράς.Η παρούσα μελέτη περιπτώσεων δείχνει τον κρίσιμο αντίκτυπο της επιλογής των διεπαφών στις επιδόσεις του προϊόντος.

Συνοπτικά, Η επιλογή της σωστής διεπαφής ενσωματωμένης κάμερας απαιτεί την εξισορρόπηση μεταξύ της απόδοσης, της κατανάλωσης ενέργειας, του κόστους και της πολυπλοκότητας.Η κατανόηση των τεχνικών χαρακτηριστικών και των εφαρμοστέων σενάριων των διαφόρων διεπαφών είναι ζωτικής σημασίας για τη λήψη της καλύτερης επιλογής για μια συγκεκριμένη εφαρμογή.

Οι τεχνικές αποφάσεις δεν θα πρέπει να βασίζονται αποκλειστικά σε μία μόνο παράμετρο, αλλά θα πρέπει να λαμβάνουν συνολικά υπόψη τις απαιτήσεις του συστήματος, τους πόρους ανάπτυξης,και τοποθέτηση του προϊόντος για την επιλογή του πλέον κατάλληλου καναλιού οπτικής μετάδοσης.