Een ultieme gids voor het selecteren van camerainterfaces: van MIPI naar GMSL

Eerlijk gezegd, voor vrienden die aan embedded of AI-projecten werken, is hun eerste gedachte waarschijnlijk: "Ze zijn allemaal alleen maar voor het verzenden van beelden - moeten ze echt zo divers zijn?" Sommigen worden geleverd met kleurrijke platte kabels, anderen zien eruit als de oude coaxkabels in liften, en weer anderen hebben zelfs een Ethernet-kabel aangesloten. In feite is dit niet zo dat fabrikanten dit opzettelijk moeilijk maken. De keuze van de interface komt in wezen neer op een afweging tussen vier factoren: bandbreedte, afstand, latentie en kosten. We zullen vandaag geen tijd verspillen aan jargon uit de leerboeken - laten we ter zake komen en het hebben over hoe deze interfaces daadwerkelijk werken.

DVP is als een ouderwetse "boulevard naast elkaar", bestaande uit 8 tot 16 datalijnen, plus een kloklijn en synchronisatiesignaal lijnen. Het maakt gebruik van parallelle transmissie, waarbij gegevens op een ordelijke manier worden verzonden, net als een formatie van mensen die in de rij marcheren.

Voordelen: De grootste verdienste ligt in de eenvoud en directheid. Het verzendt ruwe niveausignalen zonder de noodzaak van complexe coderings- en decoderingslogica. Een eenvoudige driver is voldoende om het te laten werken, en zelfs low-end microcontrollers kunnen het gemakkelijk aan.

Nadelen: Het prestatieplafond is vrij laag. Met meerdere lijnen die parallel zijn gerangschikt, zullen er ernstige overspraak en timingvervorming optreden tussen de lijnen wanneer de transmissiesnelheid toeneemt (d.w.z. de frequentie stijgt). Zodra de frequentie omhoog gaat, wordt het scherm gevuld met sneeuwvlokachtige ruis. Daarom heeft het een zeer smalle bandbreedte en is het in feite verouderd in het high-definition tijdperk.

Toepassingsscenario's: Tegenwoordig is DVP in feite teruggetreden naar een secundaire rol en wordt het voornamelijk gebruikt in barcodescanners, speelgoed met lage pixels of eenvoudige scenario's voor het verzamelen van sensorgegevens. Als uw project alleen het scannen van QR-codes vereist, is DVP nog steeds de meest kosteneffectieve keuze.

Waarom kunnen mobiele telefoons 4K of zelfs 8K video's opnemen? Allemaal dankzij MIPI. Het maakt gebruik van de low-swing differentiële transmissiemodus van MIPI D-PHY/C-PHY. Je kunt het zien als "een type differentiële signaal dat delicater is dan LVDS maar efficiënter". Het is niet langer als een gewone formatie, maar eerder groepen van zeer gecoördineerde "elite speciale eenheden" die om elkaar heen zijn gedraaid. Het beschikt over een extreem sterke anti-interferentiecapaciteit en een ongelooflijk hoge gegevensoverdrachtsefficiëntie. Zo zijn alle modellen van onze reguliere Neardi-ontwikkelborden in principe standaard uitgerust met MIPI-camera-interfaces.

LKB3576 Ontwikkelbord

Voordelen: Extreem hoge bandbreedte in combinatie met ultralaag stroomverbruik. Het kan een verbazingwekkende hoeveelheid gegevens verzenden met minimaal stroomverlies. Wat nog belangrijker is, het interfaceert rechtstreeks met de ISP (Image Signal Processor) in de SoC. Dit betekent dat zodra de afbeelding binnenkomt, de ISP onmiddellijk de verwerkingstaken (kleurcorrectie, ruisonderdrukking, verscherping) kan overnemen zonder de CPU erbij te betrekken.

Nadelen: Het is echt delicaat. De transmissieafstand mag meestal niet groter zijn dan 30 centimeter; het signaal gaat verloren als de PCB-sporen zelfs maar een klein beetje te ver worden geleid. Bovendien is MIPI-debugging een nachtmerrie voor alle ontwikkelaars - je moet complexe D-PHY- of C-PHY-fysieke laaglogica afhandelen en ook die haaruitrekkende beeldkwaliteitparameterbestanden optimaliseren.

Toepassingsscenario's: Het is de kerninterface voor mobiele telefoons, tablets en embedded AI-boxen (RK3576/Raspberry Pi). Als je werkt aan high-real-time gezichtsherkenning of obstakelvermijdingsalgoritmen, is MIPI meestal de meest professionele en efficiënte keuze voor on-board directe verbindingsscenario's.

USB-camera's vertrouwen op het UVC (USB Video Class)-protocol, waardoor plug-and-play beeldoutput mogelijk is. De meeste Neardi RK3588 geïntegreerde apparaten van ontwikkelaars worden meestal geleverd met meerdere gereserveerde USB 3.0-interfaces, en de systeemlaag heeft de UVC-driveraanpassing al voltooid. Zelfs als je geen dure MIPI-module bij de hand hebt, kun je een USB-camera rechtstreeks op het Neardi-bord aansluiten en toch soepel algoritmen uitvoeren.

LPB3588 Intelligente Computer

Voordelen: Plug-and-play (driver-vrije) functionaliteit is de grootste killer feature. Voor algoritmeverificatie en demopresentaties in het lab kun je binnen 5 minuten beelden krijgen, wat een levensredder is voor ontwikkelaars. Verder beschikt het over extreem lage kosten - je kunt elke camera gebruiken die je gemakkelijk in een lokale winkel kunt kopen.

Nadelen: Het gemak gaat ten koste van CPU-bronnen. De onbewerkte beeldgegevens die via USB worden verzonden, zijn buitensporig groot; USB 2.0 kan het simpelweg niet aan. Daarom zal de camera de frames eerst intern comprimeren met behulp van MJPEG of H.264. Als gevolg hiervan moet je CPU een aanzienlijk deel van zijn rekenkracht toewijzen aan decompressie. Veel beginners klagen dat het uitvoeren van YOLO-modellen te traag is - in feite is de CPU al overbelast door het decoderen van frames voordat hij zelfs maar met modelinferentie begint. Als de SoC VPU-hardwaredecodering ondersteunt en de bijbehorende drivers correct zijn geconfigureerd, kan de CPU-belasting van USB-camera's aanzienlijk worden verminderd, maar de algehele latentie kan nog steeds niet overeenkomen met die van MIPI. Bovendien introduceert het compressie- en decompressieproces een waarneembare latentie variërend van tientallen tot honderden milliseconden.

Toepassingsscenario's: Videoconferenties, externe computercamera's, algoritmedemo's in het lab en eenvoudige industriële kwaliteitsinspectie. Als je real-time prestatie-eisen niet extreem streng zijn en de host overschot aan rekenkracht heeft, is USB een perfect haalbare keuze.

Wanneer een camera moet worden geïnstalleerd op het plafond van een cafetaria of zelfs op een kruispunt op enkele kilometers afstand, is een Ethernet-kabel bijna de meest universele en volwassen keuze. Om aan dergelijke high-concurrency, langeafstandsbewakingsbehoeften te voldoen, hebben hardwarefabrikanten geen moeite gespaard bij de interfaceconfiguratie. Neem de LPM3588 Intelligent Computer van Neardi als voorbeeld - op maat gemaakt voor de NVR (Network Video Recorder)-markt, beschikt het over extreem krachtige configuraties: het ondersteunt tot 5 Gigabit Ethernet (1000M)-poorten en 1 Fast Ethernet (100M)-poort. Dit ontwerp is simpelweg gebouwd om meerdere high-definition netwerkcamera's te "voeden"; zelfs als 6 of meer kanalen high-definition videostreams tegelijkertijd binnenkomen, kan de Gigabit-bandbreedte ze gemakkelijk aan zonder bottlenecks.

LPM3588 NVR Computer

Voordelen: Extreem lange transmissieafstand (100-meter klasse), die onbeperkt kan worden verlengd via switches. Het populairst onder ontwikkelaars is de PoE-ondersteuning - één Ethernet-kabel verzorgt zowel de stroomvoorziening als de gegevensoverdracht. Het multi-poortontwerp zoals dat van de LPM3588 elimineert de noodzaak van een externe switch, waardoor de bedradingscomplexiteit van NVR-systemen aanzienlijk wordt vereenvoudigd.

Nadelen: Relatief hoge latentie. Omdat beelden door compressie, netwerkverpakking, transmissie en vervolgens decompressie moeten gaan. In vergelijking met de native real-time prestaties van MIPI, zijn Ethernet-camera's iets trager in reactiesnelheid.

Toepassingsscenario's: Beveiligingsbewaking, slimme steden, statistieken over de mensenstroom in cafetaria's/supermarkten en grensoverschrijdende netwerken op afstand. Simpel gezegd, bijna alle camera's die op muren of nutspalen zijn geïnstalleerd, gebruiken deze interface.

In fabriekswerkplaatsen, mijnen of snel bewegende voertuigen kunnen gewone interfaces nauwelijks een halve dag meegaan. Interfaces hier moeten twee ultieme problemen oplossen: hoe schone signalen te behouden in lawaaierige elektromagnetische omgevingen? En hoe signalen zowel ver als snel te verzenden?

Veel mensen denken dat "analoge signalen" allang naar musea hadden moeten worden verbannen, maar AHD heeft zich met geweld een niche uitgesneden in het digitale tijdperk. Het gebruikt hoogfrequente carriertechnologie om high-definition videosignalen in ouderwetse coaxkabels te persen. Bovendien is het extreem robuust. In omgevingen met hoge trillingen en sterke interferentie, zoals speciale voertuigen (zoals graafmachines, dumper trucks en bussen), zijn complexe digitale interfaces gevoelig voor schermfouten als gevolg van losraken of elektromagnetische golven. Het LPA3588-ontwikkelbord van Neardi is speciaal ontworpen voor dergelijke scenario's en ondersteunt tot 8 kanalen 1080P AHD-camera-ingang. Stel je een sanitaire of logistieke voertuig voor dat is uitgerust met 8 camera's rond de voor-, achter-, links-, rechts-, boven- en onderkant - de LPA3588 kan stabiel alle 8 kanalen signalen ontvangen en met de NPU van de RK3588 een volledige perimeter anti-botsingsvoorspelling uitvoeren. Dit is echt "special forces" niveau prestaties.

LPA3588 Voertuigbesturingshost

Voordelen: Robuust, betaalbaar en lange transmissieafstand. De eisen aan kabels zijn ongelooflijk laag - elke coaxkabel kan signalen stabiel verzenden over 100 tot 200 meter, en zelfs verder onder specifieke omstandigheden. Bovendien is de signaaloverdracht real-time en ongecomprimeerd, zonder de latentie die gepaard gaat met Ethernet-kabels. Voor ruwe omgevingen met beperkte budgetten die real-time bewaking over lange afstanden vereisen (zoals beelden van bouwkranen), is het de onbetwiste kampioen.

Nadelen: Ondersteunt geen "tweerichtingscommunicatie". AHD verzendt voornamelijk videosignalen unidirectioneel - er is geen manier om complexe commando's naar de camera te sturen (zoals diepgaande parameterinstelling) via deze kabel. Bovendien wordt de bovengrens van de beeldkwaliteit beperkt door de analoge standaard, waardoor het moeilijk is om de zuiverheid van digitale signalen te bereiken, met subtiele ruis zichtbaar op grote schermen.

Toepassingsscenario's: Bewakingsupgrades in oude woonwijken, achteruitkijk- en achteruitrijbeelden voor bussen/vrachtwagens en zelfs sommige goedkope ondergrondse apparatuur.

Dit is momenteel de "top-tier" technologie in de automobielsector. Stel je een autonoom rijdend voertuig voor met camera's aan de voorkant, terwijl de hoofdcontrolecomputer zich in de kofferbak bevindt - gescheiden door meer dan tien meter en omgeven door interferentie van verschillende hoogspanningsmotoren. MIPI kan niet zo ver reiken, USB is gevoelig voor crashes en Ethernet heeft een hoge latentie. Zo ontstond SerDes (Serializer/Deserializer)-technologie. GMSL is een uitblinker: het "verpakt fragiele MIPI-signalen in ijzeren blokken" (serialisatie) aan de verzendende kant, stuurt ze via robuuste afgeschermde kabels en "pakt ze vervolgens uit en herstelt" ze naar MIPI aan de ontvangende kant.

Voordelen: Allround en high-performance. Het bereikt echte "vier-in-één via één kabel": één kabel verwerkt video, audio, tweerichtingsbesturingssignalen (I2C/UART) en stroom (PoC) tegelijkertijd. Het beschikt over een extreem hoge bandbreedte (ondersteuning van 8-megapixel, 90fps), met end-to-end latentie controleerbaar op millisecondenniveau - veel lager dan USB- of Ethernet-oplossingen - en voldoet aan strenge automotive-grade normen.

Nadelen: Duur en gesloten ecosysteem. De prijs is vaak tien tot honderd keer die van USB-oplossingen. Gewone ontwikkelaars kunnen nauwelijks de volledige protocolhandleiding verkrijgen en debugging vereist meestal dure gespecialiseerde apparatuur.

Toepassingsscenario's: Autonome voertuigen op L2/L3/L4-niveaus, geavanceerde chirurgische robots en high-end mobiele magazijnrobots (AGV's). Het is de enige keuze voor high-end mobiele apparaten waarbij "leven-of-dood-situaties" of "ultra-lage-latentie real-time reacties" betrokken zijn.

Er is geen "beste" interface - alleen de meest geschikte voor het scenario. Gebruik USB voor labdemo's, MIPI voor high-performance producten, RJ45 voor bewaking op afstand en bijt op je tanden voor GMSL als het gaat om automotive of high-end automatiseringstoepassingen.