توقف عن اتخاذ الخيارات العمياء! دليل شامل لاختيار واجهة الكاميرا: من MIPI إلى GMSL

بصراحة، بالنسبة للأصدقاء الذين يعملون على مشاريع مضمنة أو مشاريع الذكاء الاصطناعي، عندما يرون لأول مرة جدولًا مليئًا بواجهات كاميرا ذات أشكال غريبة، فإن أفكارهم الداخلية ربما تكون: "إنها جميعها مخصصة فقط لنقل الصور - هل يحتاجون حقًا إلى أن يكونوا متنوعين جدًا؟" يأتي البعض مع كابلات مسطحة ملونة، والبعض الآخر يشبه كابلات المحورية القديمة في المصاعد، وحتى أن البعض الآخر لديه كابل إيثرنت مرفق. في الواقع، هذا ليس من المصنعين الذين يصعبون الأمور عن قصد. يعتمد اختيار الواجهة بشكل أساسي على المفاضلة بين أربعة عوامل: عرض النطاق الترددي والمسافة وزمن الوصول والتكلفة. لن نضيع الوقت في المصطلحات المدرسية اليوم - دعنا ننتقل إلى المطاردة ونتحدث عن كيفية عمل هذه الواجهات بالفعل.

DVP يشبه "الشارع المتجاور" القديم، ويتكون من 8 إلى 16 خط بيانات، بالإضافة إلى خط ساعة وخطوط إشارة المزامنة. يعتمد الإرسال المتوازي، حيث يتم إرسال البيانات بطريقة منظمة تمامًا مثل تشكيل الأشخاص الذين يسيرون في طابور.

المزايا: تكمن أكبر ميزاتها في البساطة والوضوح. تنقل إشارات المستوى الخام دون الحاجة إلى منطق الترميز وفك التشفير المعقد. يكفي برنامج تشغيل بسيط لجعله يعمل، وحتى المتحكمات الدقيقة منخفضة المستوى يمكنها التعامل معه بسهولة.

العيوب: سقف أدائه منخفض إلى حد ما. مع ترتيب خطوط متعددة بالتوازي، عندما تزداد سرعة الإرسال (أي ارتفاع التردد)، سيحدث تداخل شديد وتأخير في التوقيت بين الخطوط. بمجرد ارتفاع التردد، ستملأ الشاشة ضوضاء تشبه رقاقات الثلج. لذلك، لديها نطاق ترددي ضيق للغاية وهي مهملة بشكل أساسي في عصر الدقة العالية.

سيناريوهات التطبيق: في الوقت الحاضر، تراجعت DVP بشكل أساسي إلى دور ثانوي، وتستخدم بشكل أساسي في ماسحات الباركود، وألعاب منخفضة البكسل، أو سيناريوهات الحصول على بيانات المستشعر البسيطة. إذا كان مشروعك يتطلب فقط مسح رموز QR، فإن DVP لا تزال الخيار الأكثر فعالية من حيث التكلفة.

لماذا يمكن للهواتف المحمولة تصوير مقاطع فيديو بدقة 4K أو حتى 8K؟ كل ذلك بفضل MIPI. تعتمد وضع الإرسال التفاضلي منخفض التأرجح لـ MIPI D-PHY/C-PHY. يمكنك التفكير فيها على أنها "نوع من الإشارة التفاضلية الأكثر دقة من LVDS ولكنها أكثر كفاءة". لم تعد مثل التشكيل العادي، بل مجموعات من "القوات الخاصة النخبة" المنسوجة حول بعضها البعض بشكل منسق للغاية. إنها تتمتع بقدرة قوية للغاية على مقاومة التداخل وكفاءة عالية بشكل لا يصدق في نقل البيانات. على سبيل المثال، تم تجهيز جميع طرازات لوحات تطوير Neardi العادية لدينا بواجهات كاميرا MIPI بشكل أساسي كمعيار.

لوحة تطوير LKB3576

المزايا: عرض نطاق ترددي مرتفع للغاية جنبًا إلى جنب مع استهلاك منخفض للطاقة للغاية. يمكنها نقل حجم مذهل من البيانات مع الحد الأدنى من فقدان الطاقة. والأهم من ذلك، أنها تتصل مباشرة بـ ISP (معالج إشارة الصورة) داخل SoC. هذا يعني أنه بمجرد وصول الصورة، يمكن لـ ISP تولي مهام المعالجة على الفور (تصنيف الألوان، وإزالة الضوضاء، والحدة) دون إشراك وحدة المعالجة المركزية على الإطلاق.

العيوب: إنها حساسة حقًا. عادةً ما لا يمكن أن تتجاوز مسافة الإرسال 30 سنتيمترًا؛ ستضيع الإشارة إذا تم توجيه آثار PCB بعيدًا قليلاً. علاوة على ذلك، يعد تصحيح أخطاء MIPI كابوسًا لجميع المطورين - تحتاج إلى التعامل مع منطق الطبقة المادية D-PHY أو C-PHY المعقد، وأيضًا تحسين ملفات معلمات جودة الصورة التي تسبب تساقط الشعر.

سيناريوهات التطبيق: إنها الواجهة الأساسية للهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية وصناديق الذكاء الاصطناعي المضمنة (RK3576/Raspberry Pi). إذا كنت تعمل على خوارزميات التعرف على الوجه أو تجنب العوائق في الوقت الفعلي، فإن MIPI هي عادةً الخيار الأكثر احترافية وكفاءة لسيناريوهات الاتصال المباشر على اللوحة.

تعتمد كاميرات USB على بروتوكول UVC (فئة فيديو USB)، مما يتيح إخراج الصور بنظام التوصيل والتشغيل. عادةً ما تأتي أجهزة Neardi RK3588 المدمجة لمعظم المطورين مع واجهات USB 3.0 متعددة محجوزة، وقد أكملت طبقة النظام بالفعل تكييف برنامج تشغيل UVC. حتى إذا لم يكن لديك وحدة MIPI باهظة الثمن في متناول اليد، فيمكنك توصيل كاميرا USB مباشرة بلوحة Neardi ولا تزال تشغل الخوارزميات بسلاسة.

جهاز كمبيوتر ذكي LPB3588

المزايا: تعد وظيفة التوصيل والتشغيل (بدون برنامج تشغيل) هي الميزة القاتلة الأكبر لها. للحصول على التحقق من الخوارزمية والعروض التوضيحية في المختبر، يمكنك الحصول على الصور في 5 دقائق، مما يجعلها منقذًا للمطورين. علاوة على ذلك، فهي تتميز بتكلفة منخفضة للغاية - يمكنك استخدام أي كاميرا يتم شراؤها بسهولة من متجر محلي.

العيوب: تأتي سهولتها على حساب موارد وحدة المعالجة المركزية. بيانات الصورة الأولية التي يتم إرسالها عبر USB كبيرة بشكل مفرط؛ لا يمكن لـ USB 2.0 التعامل معها ببساطة. لذلك، ستقوم الكاميرا أولاً بضغط الإطارات باستخدام MJPEG أو H.264 داخليًا. نتيجة لذلك، يجب أن تخصص وحدة المعالجة المركزية جزءًا كبيرًا من قوة الحوسبة الخاصة بها لفك الضغط. يشكو العديد من المبتدئين من أن تشغيل نماذج YOLO بطيء جدًا - في الواقع، وحدة المعالجة المركزية مرهقة بالفعل من فك تشفير الإطارات قبل أن تبدأ حتى في استنتاج النموذج. إذا كان SoC يدعم فك تشفير الأجهزة VPU وتم تكوين برامج التشغيل المقابلة بشكل صحيح، فيمكن تقليل حمل وحدة المعالجة المركزية من كاميرات USB بشكل كبير، ولكن لا تزال زمن الوصول الإجمالي لا يمكن أن يطابق زمن الوصول الخاص بـ MIPI. بالإضافة إلى ذلك، تقدم عملية الضغط وفك الضغط زمن وصول ملحوظ يتراوح من عشرات إلى مئات المللي ثانية.

سيناريوهات التطبيق: مؤتمرات الفيديو، وكاميرات الكمبيوتر الخارجية، والعروض التوضيحية للخوارزميات في المختبر، والفحص البسيط للجودة الصناعية. إذا لم تكن متطلبات الأداء في الوقت الفعلي صارمة للغاية وكان لدى المضيف طاقة حوسبة فائضة، فإن USB هو خيار قابل للتطبيق تمامًا.

عندما تحتاج كاميرا إلى التثبيت على سقف كافتيريا أو حتى عند تقاطع طريق على بعد عدة كيلومترات، فإن كابل إيثرنت هو الخيار الأكثر عالمية ونضجًا تقريبًا. لتلبية مثل هذه الاحتياجات عالية التزامن والمراقبة لمسافات طويلة، لم يدخر مصنعو الأجهزة أي جهد في تكوين الواجهة. خذ جهاز الكمبيوتر الذكي LPM3588 من Neardi كمثال - المصمم خصيصًا لسوق NVR (مسجل فيديو الشبكة)، فهو يتميز بتكوينات قوية للغاية: فهو يدعم ما يصل إلى 5 منافذ Gigabit Ethernet (1000M) ومنفذ Fast Ethernet واحد (100M). تم تصميم هذا التصميم ببساطة لـ "تغذية" كاميرات شبكة عالية الدقة متعددة؛ حتى إذا وصلت 6 قنوات أو أكثر من تدفقات الفيديو عالية الدقة في وقت واحد، فيمكن لعرض النطاق الترددي Gigabit التعامل معها بسهولة دون أي اختناقات.

جهاز كمبيوتر LPM3588 NVR

المزايا: مسافة إرسال طويلة للغاية (فئة 100 متر)، والتي يمكن تمديدها إلى أجل غير مسمى عبر المحولات. الأكثر شيوعًا بين المطورين هو دعم PoE - يتعامل كابل إيثرنت واحد مع كل من إمداد الطاقة ونقل البيانات. يعمل التصميم متعدد المنافذ مثل تصميم LPM3588 على التخلص من الحاجة إلى مفتاح خارجي، مما يبسط إلى حد كبير تعقيد أسلاك أنظمة NVR.

العيوب: زمن وصول مرتفع نسبيًا. نظرًا لأنه يجب أن تمر الصور عبر الضغط وتغليف الشبكة والإرسال ثم فك الضغط. بالمقارنة مع الأداء في الوقت الفعلي الأصلي لـ MIPI، فإن كاميرات إيثرنت أبطأ قليلاً في سرعة الاستجابة.

سيناريوهات التطبيق: مراقبة الأمن، والمدن الذكية، وإحصائيات تدفق الأشخاص في الكافيتريات/محلات السوبر ماركت، والشبكات عن بعد عبر المناطق. ببساطة، تستخدم جميع الكاميرات المثبتة على الجدران أو أعمدة المرافق هذه الواجهة تقريبًا.

في ورش العمل والمناجم أو المركبات المتحركة عالية السرعة، بالكاد يمكن للواجهات العادية أن تدوم نصف يوم. يجب أن تحل الواجهات هنا مشكلتين نهائيتين: كيف تحافظ على الإشارات النظيفة في البيئات الكهرومغناطيسية الصاخبة؟ وكيفية إرسال الإشارات بعيدًا وبسرعة؟

يعتقد الكثير من الناس أن "الإشارات التناظرية" يجب أن تكون قد أُرسلت إلى المتاحف منذ زمن طويل، لكن AHD قد نحت بالقوة مكانة في العصر الرقمي. تستخدم تقنية الناقل عالية التردد لضغط إشارات الفيديو عالية الدقة في كابلات محورية قديمة الطراز. علاوة على ذلك، فهي متينة للغاية. في البيئات عالية الاهتزاز والتداخل القوي مثل المركبات الخاصة (مثل الحفارات والشاحنات القلابة والحافلات)، تكون الواجهات الرقمية المعقدة عرضة لخلل الشاشة بسبب الارتخاء أو الموجات الكهرومغناطيسية. تم تصميم لوحة تطوير LPA3588 من Neardi خصيصًا لمثل هذه السيناريوهات، وهي تدعم ما يصل إلى 8 قنوات من مدخل كاميرا AHD بدقة 1080 بكسل. تخيل مركبة صحية أو لوجستية مزودة بـ 8 كاميرات حول مقدمتها وخلفها ويسارها ويمينها وأعلاها وأسفلها - يمكن لـ LPA3588 استقبال جميع قنوات الإشارات الثمانية بثبات، ومع NPU الخاص بـ RK3588، قم بإجراء تنبؤات مضادة للتصادم على نطاق كامل. هذا هو حقًا أداء على مستوى "القوات الخاصة".

مضيف التحكم في السيارة LPA3588

المزايا: متين وبأسعار معقولة ومسافة إرسال طويلة. متطلباتها للكابلات منخفضة بشكل لا يصدق - يمكن لأي كابل محوري أن ينقل الإشارات بثبات لمسافة 100 إلى 200 متر، وحتى أبعد من ذلك في ظل ظروف معينة. بالإضافة إلى ذلك، فإن نقل الإشارات في الوقت الفعلي وغير مضغوط، دون زمن الوصول المرتبط بكابلات إيثرنت. بالنسبة للبيئات القاسية ذات الميزانيات المحدودة التي تتطلب مراقبة في الوقت الفعلي لمسافات طويلة (مثل لقطات رافعة البناء)، فهي البطل بلا منازع.

العيوب: لا يدعم "الاتصال ثنائي الاتجاه". تنقل AHD بشكل أساسي إشارات الفيديو في اتجاه واحد - لا توجد طريقة لإرسال أوامر معقدة إلى الكاميرا (مثل تعديل المعلمات المتعمقة) من خلال هذا الكابل. علاوة على ذلك، يتم تقييد الحد الأعلى لجودة الصورة بالمعيار التناظري، مما يجعل من الصعب تحقيق نقاء الإشارات الرقمية، مع ظهور ضوضاء طفيفة على الشاشات الكبيرة.

سيناريوهات التطبيق: ترقيات المراقبة في المناطق السكنية القديمة، وصور الرؤية الخلفية والعكسية للحافلات/الشاحنات، وحتى بعض معدات التشغيل تحت الأرض منخفضة التكلفة.

هذه حاليًا تقنية "الطبقة العليا" في مجال السيارات. تخيل مركبة قيادة ذاتية مزودة بكاميرات مثبتة في المقدمة، بينما يوجد الكمبيوتر الرئيسي للتحكم في صندوق السيارة - مفصولة بأكثر من عشرة أمتار ومحاطة بتداخل من محركات الجهد العالي المختلفة. لا يمكن لـ MIPI الوصول إلى هذا الحد، و USB عرضة للأعطال، و Ethernet لديه زمن وصول مرتفع. وبالتالي، ظهرت تقنية SerDes (المسلسل/مزيل التسلسل). GMSL هو الأبرز من بينها: فهو "يحزم إشارات MIPI الهشة في كتل حديدية" (تسلسل) في نهاية الإرسال، ويرسلها عبر كابلات محمية قوية، ثم "يفك ويستعيد"ها إلى MIPI في نهاية الاستقبال.

المزايا: شامل وعالي الأداء. إنه يحقق "أربعة في واحد عبر كابل واحد" حقيقي: يتعامل كابل واحد مع الفيديو والصوت وإشارات التحكم ثنائية الاتجاه (I2C/UART) والطاقة (PoC) في وقت واحد. إنه يتميز بعرض نطاق ترددي مرتفع للغاية (يدعم 8 ميجابكسل، 90 إطارًا في الثانية)، مع زمن وصول شامل يمكن التحكم فيه على مستوى المللي ثانية - أقل بكثير من حلول USB أو Ethernet - ويتوافق مع معايير صارمة من الدرجة السيارات.

العيوب: نظام بيئي مكلف ومغلق. غالبًا ما يكون سعره من عشرة إلى مائة ضعف سعر حلول USB. بالكاد يمكن للمطورين العاديين الحصول على دليل البروتوكول الكامل الخاص به، وعادةً ما يتطلب تصحيح الأخطاء معدات متخصصة باهظة الثمن.

سيناريوهات التطبيق: مركبات القيادة الذاتية على مستويات L2/L3/L4، والروبوتات الجراحية المتقدمة، وروبوتات المستودعات المتنقلة المتطورة (AGVs). إنه الخيار الوحيد للأجهزة المحمولة المتطورة التي تتضمن "حالات الحياة أو الموت" أو "استجابات في الوقت الفعلي ذات زمن وصول منخفض للغاية".

لا توجد واجهة "أفضل" - فقط الواجهة الأكثر ملاءمة للسيناريو. استخدم USB للعروض التوضيحية في المختبر، و MIPI للمنتجات عالية الأداء، و RJ45 للمراقبة عن بعد، وقم بقبض أسنانك على GMSL عندما يتعلق الأمر بتطبيقات السيارات أو التشغيل الآلي المتطور.