In der Welt der eingebetteten Sehsysteme sind Kamera-Schnittstellen die neuronalen Schaltungen, die Bildsensoren mit Verarbeitungskernen verbinden und bestimmen, wie Daten effizient und zuverlässig übertragen werden.
In den heutigen eingebetteten Geräten hat die Wahl der Kamera-Schnittstelle einen entscheidenden Einfluss auf die Leistung, den Stromverbrauch und die Kosten des gesamten Sehsystems.von industriellen Tests bis hin zur medizinischen Bildgebung, erfordern unterschiedliche Anwendungsszenarien unterschiedliche Schnittstellenlösungen.
MIPI CSI-2 ist derzeit der beliebteste Kamera-Interface-Standard in mobilen und eingebetteten Geräten.Seine effizienten Datenübertragungsmöglichkeiten und sein geringer Stromverbrauch machen ihn zur bevorzugten Wahl für die meisten intelligenten Geräte.

01 Schnittstellenübersicht und Entwicklungsgeschichte

Die Entwicklung der Embedded-Kamera-Schnittstellentechnologie hat sich von analog zu digital und von niedriggeschwindig zu hochgeschwindig entwickelt.Frühe eingebettete Geräte verwendeten hauptsächlich analoge Schnittstellen wie CVBS, aber als die Nachfrage nach digitaler Bildverarbeitung wuchs, wurden digitale Schnittstellen allmählich zum Mainstream.
In den späten 1990er Jahren wurden parallele digitale Schnittstellen beliebt, und anschließend, um die Nachfrage nach höheren Auflösungen und Bildraten zu decken, entstanden schnelle serielle Schnittstellen.Die MIPI-Allianz veröffentlichte 2005 den CSI-2-Standard, die inzwischen de facto zum Industriestandard geworden ist.
Zu den derzeit gängigen Schnittstellen gehören MIPI CSI-2, DVP, USB und LVDS. Jede Schnittstelle hat ihre eigenen spezifischen Anwendungsszenarien sowie Vor- und Nachteile.Das Verständnis der Merkmale und Unterschiede dieser Schnittstellen ist für die Entwicklung eingebetteter Bildverarbeitungssysteme von entscheidender Bedeutung.

02 MIPI CSI-2-Schnittstelle

MIPI CSI-2 (Camera Serial Interface 2) ist ein von der Mobile Industry Processor Interface Alliance entwickelter Kamera-Serienschnittstellenstandard, der heute in verschiedenen Embedded-Geräten weit verbreitet ist.
CSI-2 nutzt eine Schichtenarchitektur: Die physische Schicht (PHY) verwendet das D-PHY- oder C-PHY-Protokoll, die Datenverbindungsschicht bietet Paketformatierung und Fehlererkennung,und die Anwendungsschicht handhabt Pixel-zu-Byte-Mapping.
Diese Schnittstelle unterstützt mehrere Datentypen: Videodaten, Synchronisationssignale, eingebettete Daten und benutzerdefinierte Daten.Seine mehrkanälige Natur ermöglicht eine parallele Übertragung über mehrere Datenkanäle, um die Bandbreite zu erhöhen.
Zu den Hauptvorteilen von CSI-2 zählen hohe Bandbreite (bis zu 6 Gbps/Kanal), geringer Stromverbrauch, starke Störungsbekämpfungsfähigkeiten und eine geringe Pinzahl.Die Nachteile sind das komplexe Protokoll., die Notwendigkeit spezialisierter Empfänger und die relative Schwierigkeit des Debugs.

03 Parallele Schnittstelle für DVP

DVP (Digital Video Port) ist eine traditionelle parallele digitale Videooberfläche, die einen 8/10/12/16-Bit-Datenbus verwendet.zusammen mit horizontalen und vertikalen Synchronisationssignalen und einer Pixeluhr für die Datenübertragung.
Die DVP-Schnittstelle hat eine einfache Struktur: einen Datenbus (DATA), eine Pixeluhr (PCLK), horizontale Synchronisation (HSYNC), vertikale Synchronisation (VSYNC) und einige Steuerungssignale.Die Datenübertragung wird durch den Rand der Pixeluhr ausgelöst.
Die Vorteile dieser Schnittstelle sind sein einfaches Protokoll, die Leichtigkeit der Implementierung und Debugging und das Fehlen eines dedizierten Empfängers, der eine direkte Verbindung zu allgemeingültigen MCUs ermöglicht.Zu den Nachteilen gehört eine große Anzahl von Pins., kurze Übertragungsstrecke, Anfälligkeit für Störungen und begrenzte Bandbreite.
DVP eignet sich für Anwendungen mit niedriger Auflösung und niedriger Bildrate, wie z. B. einfache Überwachungs- und Einstiegsgeräte.

04 USB-Video-Schnittstelle

Die USB-Kamera-Schnittstelle wird hauptsächlich zur Verbindung mit Hostgeräten verwendet.Es entspricht dem UVC-Standard (USB Video Class) und funktioniert ordnungsgemäß auf den meisten Betriebssystemen, ohne spezielle Treiber zu installieren.
Es gibt mehrere Versionen der USB-Schnittstelle: USB 2.0 bietet eine Bandbreite von 480 Mbps, USB 3.0 erhöht sich auf 5 Gbps und das neueste USB4 erreicht bis zu 40 Gbps.Spätere Versionen unterstützen höhere Auflösungen und Bildraten.
Die Vorteile dieser Schnittstelle sind ihre Vielseitigkeit, die einfache Warmwechselbarkeit und die Unterstützung der Fernübertragung (über Verlängerungskabel).Seine Nachteile sind hoher Stromverbrauch und hohe Latenzzeit, so dass es für Anwendungen, die eine extrem hohe Echtzeitleistung erfordern, ungeeignet ist.
USB-Kameras werden in PC-Peripheriegeräten, Videokonferenzsystemen, Verbraucherüberwachung und anderen Bereichen weit verbreitet und bieten eine der einfachsten Möglichkeiten, sich mit einem Hostgerät zu verbinden.

05 Andere spezialisierte Schnittstellen

Die LVDS-Schnittstelle (Low Voltage Differential Signaling) verwendet Differenzsignalisierung, bietet eine starke Störungsschutzfähigkeit und eignet sich für die Fernübertragung.Es wird häufig in Industrie- und Automobilkameras verwendet.
Die GigE-Schnittstelle (Gigabit Ethernet) überträgt Videodaten über Ethernet und unterstützt die Übertragung über sehr große Entfernungen (bis zu 100 Meter).für industrielle Bildverarbeitungssysteme und Großüberwachungssysteme geeignet. Camera Link ist eine Hochgeschwindigkeits-Schnittstelle, die speziell für die industrielle Vision entwickelt wurde und eine Bandbreite von bis zu 7 Gbps bietet.Es ist relativ teuer und wird hauptsächlich in hochwertigen industriellen Inspektionsgeräten verwendet..

06 Überlegungen zur Auswahl der Schnittstelle

Bei der Auswahl einer Kameraoberfläche sollten mehrere Faktoren berücksichtigt werden: Bandbreitenanforderungen (Auflösung × Bildrate × Farbtiefe), Stromverbrauchsbeschränkungen, Übertragungsdistanz, Systemkomplexität,und Kostenbudget.
Für mobile Geräte wird MIPI CSI-2 wegen seines geringen Stromverbrauchs und seiner hohen Effizienz bevorzugt.Für PC-Verbindungen ist USB geeignet.Für industrielle Umgebungen gilt GigE oder Camera Link.
Kompatibilität ist auch eine wichtige Überlegung: Prozessor-Schnittstellenunterstützung, Reichtum des Software-Ökosystems und Verfügbarkeit von Entwicklungsressourcen beeinflussen alle die Schnittstellenwahlentscheidung.

07 Praktische Anwendungsbeispiele

In Smartphones ist MIPI CSI-2 der absolute Mainstream. Mehrkamerasysteme verbinden sich über die CSI-2-Schnittstelle mit dem Prozessor und teilen Datenkanäle.
Entwicklungsplatten wie der Raspberry Pi bieten sowohl CSI-2- als auch DVP-Schnittstellen.
Automobilkameras verwenden typischerweise LVDS oder dediziertes Automobil-Ethernet, da sie eine Fernübertragung und eine bessere Störimmunität erfordern.
Industrieprüfgeräte wählen entweder GigE- oder Camera Link-Schnittstellen anhand der Geschwindigkeitsanforderungen aus.Während letztere Anforderungen an hohe Geschwindigkeit und hohe Präzision erfüllen.

08 Zukunftsentwicklungstrends

Die Kamera-Schnittstellentechnologie entwickelt sich zu höheren Geschwindigkeiten, geringeren Stromverbrauch und größerer Einfachheit.eine höhere Bandbreite und eine bessere Energieeffizienz.
Aufstrebende Interkonnektionstechnologien wie Compute Express Link (CXL) können sich auch zukünftig auf das Kamera-Interface-Feld auswirken, da sie niedrigere Latenzzeiten und höhere Bandbreiten für die Konnektivität bieten.Auch drahtlose Kamera-Schnittstellen entwickeln sich weiter.Beispielsweise ermöglichen WiFi 6 und 5G-Technologien eine drahtlose Hochdefinitions-Videoübertragung.Bereitstellung neuer Lösungen für Drohnen und VR/AR-Geräte.

Als ein Smart Home-Unternehmen eine neue Türglockenkamera entwickelte, wählte es zunächst eine DVP-Schnittstelle, um Kosten zu senken, stellte jedoch fest, dass die Videolatenz stark war und die Benutzererfahrung schlecht war.

Nach der Umstellung auf eineMIPI CSI-2, während die Kosten leicht anstiegen, verbesserte sich die Videofluenz deutlich und erhielt positive Marktbewertungen.Diese Fallstudie verdeutlicht die entscheidende Wirkung der Schnittstellenwahl auf die Produktleistung.

Zusammenfassend, Die Wahl der richtigen eingebetteten Kamera-Schnittstelle erfordert ein Gleichgewicht zwischen Leistung, Stromverbrauch, Kosten und Komplexität.Das Verständnis der technischen Eigenschaften und der anwendbaren Szenarien verschiedener Schnittstellen ist entscheidend, um die beste Wahl für eine bestimmte Anwendung zu treffen..

Technische Entscheidungen sollten sich nicht nur auf einen einzigen Parameter stützen, sondern umfassend die Systemanforderungen, Entwicklungsressourcen,und Produktpositionierung zur Auswahl des am besten geeigneten visuellen Übertragungskanals.