Klassifizierung und Grundwissen der USB-Kamera-Schnittstelle

1. Einführung in die Funktionsweise der USB-Kamera
Die Funktionsweise von USB-Kameras basiert auf optischer Bildgebung und Sensortechnologie, wobei der Gesamtprozess darin besteht, optische Bilder in digitale Bildsignale umzuwandeln, die von Computern verarbeitet werden können. Licht tritt durch das Objektiv in die Kamera ein, das das Licht der Szene auf den Bildsensor fokussiert, um ein optisches Bild zu erzeugen. Das optische Bild wird auf die Oberfläche eines Bildsensors projiziert, der im Allgemeinen zwei Typen umfasst: CCD (Charge Coupled Device) und CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Wenn Licht auf die Sensorpixel scheint, wird es basierend auf dem photoelektrischen Effekt in ein elektrisches Signal umgewandelt, und dann wandelt der Bildprozessor das elektrische Signal in ein digitales Signal um.
2. Detaillierter Konvertierungsprozess
Photoelektrische Konversion
Ein Bildsensor ist ein Halbleiterchip mit Hunderttausenden bis Millionen von Fotodioden auf seiner Oberfläche. Wenn diese Fotodioden dem Licht ausgesetzt werden, erzeugen sie Ladungen und wandeln so Lichtsignale in analoge elektrische Signale um. Beispielsweise wandelt es bei CMOS-Sensoren Lichtsignale pixelweise in elektrische Signale um, und CMOS-Sensoren sind energieeffizienter und für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch geeignet.
Analog-Digital-Wandlung
Die Analog-Digital-Wandlung (A/D) ist der Prozess der Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales Signal, bei dem das analoge Signal in diskrete Teile aufgeteilt und diese Teile dann mit Zahlen dargestellt werden. Nach der Analog-Digital-Wandlung wird das vom Ladungsträger erzeugte analoge Signal zu einem digitalen Bildsignal.
3. Signalverarbeitungsprozess
DSP-Chip-Verarbeitung
Der digitale Signalverarbeitungschip (DSP) ist eine Schlüsselkomponente in Kameras, die digitale Bildsignale von Bildsensoren empfängt und sie durch eine Reihe komplexer mathematischer Algorithmen optimiert. Sein Strukturrahmen umfasst typischerweise Komponenten wie einen Bildsignalprozessor (ISP), einen JPEG-Bilddecoder (JPEG-Encoder) und einen USB-Gerätecontroller. DSP kann die Helligkeit, den Kontrast, die Farbsättigung und die Schärfe von Bildern anpassen, um ihre Qualität zu verbessern. Zu den wichtigsten DSP-Herstellern auf dem Markt gehören SONIX und VIMICRO.
4. Computerempfang und -anzeige
Schließlich empfängt der Computer diese verarbeiteten digitalen Bildsignale über eine USB-Schnittstelle und zeigt sie auf dem Bildschirm an, sodass Benutzer sie anzeigen und verwenden können. Die Universal Video Class (UVC)-Spezifikation ist eine Reihe von Standards, die vom USB Implementers Forum (USB-IF) definiert wurden. Sie bietet eine Standardschnittstelle für die Datenübertragung zwischen USB-Kameras und Computern, sodass USB-Kameras vom Betriebssystem erkannt und verwendet werden können, ohne dass spezielle Treiber installiert werden müssen, was die Geräteeinrichtung und den Installationsprozess erheblich vereinfacht.

Klassifizierung der USB-Kamera-Schnittstelle

Häufige Typen sind USB2.0 Typ-A, USB 3.0 Typ-A, USB Typ-B, USB Mini-B, USB Micro-B, USB 3.0 Micro-B, USB Typ-C
Die von USB-Kameras verwendete Schnittstelle ist hauptsächlich der physische Stecker, der durch den USB-Standard definiert wird. Mit der Entwicklung der USB-Standards entwickeln sich auch die physischen Schnittstellen:
1. USB Typ-A (Standard-A):Die gebräuchlichste rechteckige Schnittstelle, die zum Anschließen des Host-Endes eines Computers (HUB, Dockingstation, Anschlüsse am Computer) verwendet wird. Ausgezeichnete Abwärtskompatibilität. USB 3.0 Typ-A (normalerweise blauer Zungenansatz) ist mit USB 2.0/1.1 Typ-A-Geräten und -Anschlüssen kompatibel (jedoch mit reduzierter Geschwindigkeit). USB 2.0 Typ-A (normalerweise schwarzer oder weißer Zungenansatz) ist mit USB 1.1 kompatibel. Die überwiegende Mehrheit der traditionellen USB-Kameras verwendet diese Schnittstelle, um eine Verbindung zu einem Computer herzustellen. Ein Ende des Kabels ist Typ-A (wird in einen Computer gesteckt), und das andere Ende ist normalerweise Micro-B oder Mini-B (wird in eine Kamera gesteckt). Heutzutage sind immer mehr Kabel Typ-C (werden in eine Kamera gesteckt). Es gibt positive und negative Richtungen, aber wenn es in die entgegengesetzte Richtung eingesetzt wird, passt es nicht.
2. USB Typ-B (Standard-B):Quadratische Schnittstelle, größer als Typ-A. Hauptsächlich zum Anschließen größerer Geräte wie Drucker und Scanner verwendet. Sehr selten für moderne USB-Kameras für Verbraucher verwendet. Es kann auf einigen sehr alten oder speziellen industriellen Kameraausrüstungen erscheinen. Es gibt positive und negative Richtungen.

3. USB Mini-B:Eine viel kleinere Leiterplattenschnittstelle als Typ-B.
Es war früher eine gängige Schnittstelle für Digitalkameras, tragbare Festplatten, einige altmodische Mobiltelefone und alte USB-Kameras (beliebt um 2005-2015).
Es wurde durch Micro-B und Typ-C ersetzt und ist bei neuen Geräten im Wesentlichen verschwunden. Es gibt positive und negative Richtungen.
4. USB Micro-B:Eine sehr flache trapezförmige Schnittstelle, die derzeit die gebräuchlichste USB-Schnittstelle auf Mobilgeräten neben Typ-C ist. Weit verbreitet in alten Android-Telefonen, Powerbanks, einigen externen Festplatten und einer großen Anzahl von USB 2.0-Kameras.
USB 3.0 Micro-B: Ein zusätzlicher Vorsprung wurde neben der Standard-Micro-B-Schnittstelle hinzugefügt, um die zusätzlichen Pins bereitzustellen, die für USB 3.0 erforderlich sind. Einige neuere USB 3.0-Kameras verwenden möglicherweise diese Schnittstelle. Es ist immer noch die Standardschnittstelle für viele USB 2.0-Kameras, wird aber rasch durch Typ-C ersetzt. Es gibt positive und negative Richtungen, aber das Micro-B-Steckerdesign erleichtert das Einstecken als das Mini-B (mit einem ausgeprägteren Trapez).

5. USB Typ-C:Kompaktes, ovales, symmetrisches Design.
Vorwärts- und Rückwärtseinführung: Es gibt keine Richtungsabhängigkeit, es kann in beliebiger Weise eingeführt werden.
Multifunktionalität: Wird nicht nur für die USB-Datenübertragung verwendet, sondern unterstützt auch die Stromversorgung (PD), die DisplayPort-Videoausgabe, Thunderbolt 3/4 (Authentifizierung erforderlich) usw.
Hohe Bandbreite: Native Unterstützung für USB 3.2 Gen 1/2 (5 Gbit/s/10 Gbit/s) und höhere Geschwindigkeiten (USB4).
Zukünftiger Mainstream: Es ist die einheitliche Schnittstellenrichtung für fast alle neuen Geräte (Telefone, Laptops, Tablets, Peripheriegeräte) derzeit und in Zukunft.
Verwendung: Immer mehr High-End-USB-Kameras (insbesondere 4K-Kameras mit USB 3.0/3.1/3.2-Spezifikationen) verwenden die Typ-C-Schnittstelle (Kameraende).
Viele neue Laptops haben nur Typ-C-Anschlüsse und erfordern, dass die Kamera über Typ-C oder einen Adapter angeschlossen wird, um verwendet zu werden. Für Benutzer, die eine neue Kamera kaufen müssen, insbesondere für diejenigen, die eine Hochgeschwindigkeitsübertragung (hohe Auflösung/hohe Bildrate) benötigen oder eine Verbindung zu einem neuen Computer herstellen müssen, wird die Typ-C-Schnittstelle (Kameraende) dringend empfohlen.

Häufiges Problem:
1. Wie wählt man die passende Schnittstelle?
Benutzer sollten bewerten, welche Schnittstelle ihren persönlichen Bedürfnissen am besten entspricht, da jede Schnittstelle auf dem Markt ihre eigenen Vorteile hat und basierend auf spezifischen Anwendungen ausgewählt werden muss. Beispielsweise kann bei Kameras mit hoher Auflösung oder hoher Bildrate die Aufrüstung auf eine USB 3.0-Schnittstelle in Betracht gezogen werden, um höhere Übertragungsraten und eine bessere Benutzererfahrung zu erzielen; Für allgemeine Nutzungsszenarien kann die USB 2.0-Schnittstelle ausreichen, um die Anforderungen zu erfüllen.
2. Schnittstellenstabilität und -zuverlässigkeit
Bei der Auswahl einer USB-Kamera sind neben der Berücksichtigung des Schnittstellentyps auch die Stabilität und Zuverlässigkeit der Schnittstelle selbst wichtige Einflussfaktoren. Benutzer sollten auf die Verbindungsmethode und die Kabelqualität der Kamera achten, um eine stabile Signalübertragung und eine gute Bildqualität zu gewährleisten. Darüber hinaus muss auch der Abstand zwischen der Kamera und dem Computer berücksichtigt werden. Wenn der Abstand zu groß ist, kann die Signalübertragung auf Probleme stoßen. In diesem Fall können kabelgebundene Verlängerungskabel oder drahtlose Signalexpansionsgeräte in Betracht gezogen werden, um das Abstandsproblem zu lösen.
3. Benötigen Sie Adapter und Adapterkabel?
In einigen Fällen müssen Benutzer möglicherweise spezielle Adapter und Adapterkabel verwenden, um USB-Kameras anzuschließen. Beispielsweise haben Apple-Computer keine USB-A-Schnittstelle, und Benutzer können einen USB-C-Adapter verwenden, um die Kamera an den Computer anzuschließen; Wenn die Kamera an einer höheren Position installiert werden muss, die USB-Kabellänge jedoch nicht ausreicht, kann ein USB-Verlängerungskabel oder ein USB-Signalverlängerer verwendet werden. Bei der Auswahl von Adaptern und Adapterkabeln ist es wichtig, sicherzustellen, dass sie mit dem USB-Schnittstellentyp der Kamera kompatibel sind und eine zuverlässige Signalübertragung und eine stabile Stromversorgung aufweisen.