Una guida definitiva alla selezione dell'interfaccia della fotocamera: da MIPI a GMSL

Ad essere onesti, per gli amici che lavorano su progetti embedded o di intelligenza artificiale, quando vedono per la prima volta una tabella piena di interfacce per fotocamere dalle forme strane, i loro pensieri interiori sono probabilmente: "Sono tutte solo per la trasmissione di immagini: devono davvero essere così diverse?" Alcune sono dotate di cavi piatti colorati, altre sembrano i vecchi cavi coassiali degli ascensori e altre ancora hanno persino un cavo Ethernet collegato. In realtà, non è che i produttori rendano deliberatamente le cose difficili. La scelta dell'interfaccia si riduce essenzialmente a un compromesso tra quattro fattori: larghezza di banda, distanza, latenza e costo. Oggi non perderemo tempo con il gergo dei libri di testo: andiamo dritti al punto e parliamo di come funzionano effettivamente queste interfacce.

DVP è come un "viale affiancato" vecchio stile, composto da 8 a 16 linee dati, più una linea di clock e linee di segnale di sincronizzazione. Adotta la trasmissione parallela, in cui i dati vengono trasmessi in modo ordinato proprio come una formazione di persone che marciano in coda.

Vantaggi: Il suo più grande merito risiede nella semplicità e nella linearità. Trasmette segnali di livello grezzo senza la necessità di una logica di codifica e decodifica complessa. È sufficiente un semplice driver per farlo funzionare e anche i microcontroller di fascia bassa possono gestirlo facilmente.

Svantaggi: Il suo limite di prestazioni è piuttosto basso. Con più linee disposte in parallelo, quando la velocità di trasmissione aumenta (cioè, la frequenza aumenta), si verificheranno gravi diafonia e sfasamento temporale tra le linee. Una volta che la frequenza aumenta, lo schermo si riempirà di rumore simile a fiocchi di neve. Pertanto, ha una larghezza di banda molto stretta ed è fondamentalmente obsoleto nell'era dell'alta definizione.

Scenari applicativi: Al giorno d'oggi, DVP è fondamentalmente tornato a un ruolo secondario, utilizzato principalmente negli scanner di codici a barre, nei giocattoli a basso pixel o negli scenari di acquisizione di dati da sensori semplici. Se il tuo progetto richiede solo la scansione di codici QR, DVP è ancora la scelta più conveniente.

Perché i telefoni cellulari possono girare video in 4K o persino in 8K? Tutto grazie a MIPI. Adotta la modalità di trasmissione differenziale a bassa oscillazione di MIPI D-PHY/C-PHY. Puoi considerarlo come "un tipo di segnale differenziale più delicato di LVDS ma più efficiente". Non è più come una formazione ordinaria, ma piuttosto gruppi di "forze speciali d'élite" altamente coordinate intrecciate tra loro. Vanta un'elevatissima capacità di anti-interferenza e un'incredibile efficienza di trasmissione dei dati. Ad esempio, tutti i modelli delle nostre schede di sviluppo Neardi regolari sono fondamentalmente dotati di interfacce per fotocamere MIPI come standard.

Scheda di sviluppo LKB3576

Vantaggi: Larghezza di banda estremamente elevata combinata con un consumo energetico ultra-basso. Può trasmettere un'enorme quantità di dati con una perdita di potenza minima. Ancora più importante, si interfaccia direttamente con l'ISP (Image Signal Processor) all'interno del SoC. Ciò significa che non appena l'immagine entra, l'ISP può immediatamente assumere i compiti di elaborazione (gradazione del colore, riduzione del rumore, nitidezza) senza coinvolgere affatto la CPU.

Svantaggi: È davvero delicato. La distanza di trasmissione di solito non può superare i 30 centimetri; il segnale andrà perso se le tracce del PCB vengono instradate anche solo un po' troppo lontano. Inoltre, il debug MIPI è un incubo per tutti gli sviluppatori: è necessario gestire la complessa logica dello strato fisico D-PHY o C-PHY e ottimizzare anche quei file di parametri di qualità dell'immagine che fanno impazzire.

Scenari applicativi: È l'interfaccia principale per telefoni cellulari, tablet e box AI embedded (RK3576/Raspberry Pi). Se stai lavorando su algoritmi di riconoscimento facciale in tempo reale o di evitamento degli ostacoli, MIPI è di solito la scelta più professionale ed efficiente per scenari di connessione diretta a bordo.

Le fotocamere USB si basano sul protocollo UVC (USB Video Class), che consente l'output di immagini plug-and-play. I dispositivi integrati Neardi RK3588 della maggior parte degli sviluppatori sono solitamente dotati di più interfacce USB 3.0 riservate e il livello di sistema ha già completato l'adattamento del driver UVC. Anche se non hai a portata di mano un costoso modulo MIPI, puoi collegare direttamente una fotocamera USB alla scheda Neardi ed eseguire comunque gli algoritmi senza problemi.

Computer intelligente LPB3588

Vantaggi: La funzionalità plug-and-play (senza driver) è la sua caratteristica principale. Per la verifica degli algoritmi e le presentazioni demo in laboratorio, puoi ottenere immagini in 5 minuti, il che lo rende un salvavita per gli sviluppatori. Inoltre, presenta un costo estremamente basso: puoi utilizzare qualsiasi fotocamera acquistata facilmente in un negozio locale.

Svantaggi: La sua praticità ha il costo delle risorse della CPU. I dati grezzi delle immagini trasmessi tramite USB sono eccessivamente grandi; USB 2.0 semplicemente non può gestirlo. Pertanto, la fotocamera comprimerà prima i fotogrammi utilizzando MJPEG o H.264 internamente. Di conseguenza, la CPU deve allocare una parte significativa della sua potenza di calcolo alla decompressione. Molti principianti si lamentano del fatto che l'esecuzione dei modelli YOLO è troppo lenta: in realtà, la CPU è già sotto pressione dalla decodifica dei fotogrammi prima ancora di iniziare l'inferenza del modello. Se il SoC supporta la decodifica hardware VPU e i driver corrispondenti sono configurati correttamente, il carico della CPU dalle fotocamere USB può essere significativamente ridotto, ma la latenza complessiva non può ancora corrispondere a quella di MIPI. Inoltre, il processo di compressione e decompressione introduce una latenza percettibile che va da decine a centinaia di millisecondi.

Scenari applicativi: Videoconferenze, fotocamere per computer esterne, demo di algoritmi in laboratorio e semplici ispezioni di qualità industriale. Se i tuoi requisiti di prestazioni in tempo reale non sono estremamente rigorosi e l'host ha una potenza di calcolo in eccesso, USB è una scelta perfettamente valida.

Quando una fotocamera deve essere installata sul soffitto di una caffetteria o anche a un incrocio stradale a diversi chilometri di distanza, un cavo Ethernet è quasi la scelta più universale e matura. Per soddisfare tali esigenze di monitoraggio ad alta concorrenza e a lunga distanza, i produttori di hardware non hanno risparmiato sforzi nella configurazione dell'interfaccia. Prendi come esempio il computer intelligente LPM3588 di Neardi: realizzato su misura per il mercato NVR (Network Video Recorder), vanta configurazioni estremamente potenti: supporta fino a 5 porte Gigabit Ethernet (1000M) e 1 porta Fast Ethernet (100M). Questo design è semplicemente costruito per "alimentare" più telecamere di rete ad alta definizione; anche se arrivano contemporaneamente 6 o più canali di flussi video ad alta definizione, la larghezza di banda Gigabit può gestirli facilmente senza colli di bottiglia.

Computer NVR LPM3588

Vantaggi: Distanza di trasmissione estremamente lunga (classe 100 metri), che può essere estesa indefinitamente tramite switch. La più popolare tra gli sviluppatori è il suo supporto PoE: un cavo Ethernet gestisce sia l'alimentazione che la trasmissione dei dati. Il design multi-porta come quello dell'LPM3588 elimina la necessità di uno switch esterno, semplificando notevolmente la complessità del cablaggio dei sistemi NVR.

Svantaggi: Latenza relativamente elevata. Poiché le immagini devono passare attraverso la compressione, l'impacchettamento di rete, la trasmissione e quindi la decompressione. Rispetto alle prestazioni in tempo reale native di MIPI, le telecamere Ethernet sono leggermente più lente nella velocità di risposta.

Scenari applicativi: Monitoraggio della sicurezza, città intelligenti, statistiche sul flusso di persone in caffetterie/supermercati e networking remoto interregionale. In poche parole, quasi tutte le telecamere installate su muri o pali utilizzano questa interfaccia.

Nelle officine, nelle miniere o nei veicoli in movimento ad alta velocità, le interfacce ordinarie possono a malapena durare mezza giornata. Le interfacce qui devono risolvere due problemi fondamentali: come mantenere segnali puliti in ambienti elettromagnetici rumorosi? E come trasmettere segnali sia lontano che velocemente?

Molte persone pensano che i "segnali analogici" dovrebbero essere stati consegnati ai musei molto tempo fa, ma AHD si è ritagliato con la forza una nicchia nell'era digitale. Utilizza la tecnologia a portante ad alta frequenza per comprimere i segnali video ad alta definizione in cavi coassiali vecchio stile. Inoltre, è estremamente robusto. In ambienti con forti vibrazioni e forti interferenze come veicoli speciali (come escavatori, autocarri con cassone ribaltabile e autobus), le complesse interfacce digitali sono soggette a problemi di schermo a causa dell'allentamento o delle onde elettromagnetiche. La scheda di sviluppo LPA3588 di Neardi è progettata appositamente per tali scenari, supportando fino a 8 canali di ingresso telecamera AHD 1080P. Immagina un veicolo sanitario o logistico dotato di 8 telecamere attorno alla parte anteriore, posteriore, sinistra, destra, superiore e inferiore: l'LPA3588 può ricevere stabilmente tutti gli 8 canali di segnali e, con l'NPU dell'RK3588, eseguire la previsione anticollisione perimetrale a gamma completa. Questa è davvero una performance di livello "forze speciali".

Host di controllo del veicolo LPA3588

Vantaggi: Robusto, conveniente e lunga distanza di trasmissione. I suoi requisiti per i cavi sono incredibilmente bassi: qualsiasi cavo coassiale può trasmettere stabilmente segnali per 100-200 metri e anche più lontano in condizioni specifiche. Inoltre, la sua trasmissione del segnale è in tempo reale e non compressa, senza la latenza associata ai cavi Ethernet. Per ambienti difficili con budget limitati che richiedono il monitoraggio in tempo reale a lunga distanza (come le riprese di gru edili), è il campione indiscusso.

Svantaggi: Non supporta la "comunicazione bidirezionale". AHD trasmette principalmente segnali video in modo unidirezionale: non c'è modo di inviare comandi complessi alla fotocamera (come la regolazione approfondita dei parametri) tramite questo cavo. Inoltre, il limite superiore della qualità dell'immagine è limitato dallo standard analogico, rendendo difficile raggiungere la purezza dei segnali digitali, con un rumore sottile visibile su schermi di grandi dimensioni.

Scenari applicativi: Aggiornamenti di sorveglianza in vecchie aree residenziali, immagini posteriori e inverse per autobus/camion e persino alcune apparecchiature operative sotterranee a basso costo.

Questa è attualmente la tecnologia "top-tier" nel settore automobilistico. Immagina un veicolo a guida autonoma con telecamere montate nella parte anteriore, mentre il computer di controllo principale si trova nel bagagliaio, separato da più di dieci metri e circondato dalle interferenze di vari motori ad alta tensione. MIPI non può arrivare così lontano, USB è soggetto a crash ed Ethernet ha un'elevata latenza. Quindi, la tecnologia SerDes (Serializer/Deserializer) è nata. GMSL è un punto di riferimento tra loro: "impacchetta fragili segnali MIPI in blocchi di ferro" (serializzazione) all'estremità di trasmissione, li invia tramite robusti cavi schermati e quindi li "disimballa e ripristina" in MIPI all'estremità di ricezione.

Vantaggi: Completo e ad alte prestazioni. Ottiene il vero "quattro in uno su un singolo cavo": un cavo gestisce video, audio, segnali di controllo bidirezionali (I2C/UART) e alimentazione (PoC) contemporaneamente. Vanta una larghezza di banda estremamente elevata (supporto 8 megapixel, 90 fps), con una latenza end-to-end controllabile a livello di millisecondi, molto inferiore alle soluzioni USB o Ethernet, e conforme a rigorosi standard di livello automobilistico.

Svantaggi: Ecosistema costoso e chiuso. Il suo prezzo è spesso da dieci a cento volte superiore a quello delle soluzioni USB. Gli sviluppatori ordinari possono difficilmente ottenere il suo manuale completo del protocollo e il debug richiede solitamente costose apparecchiature specializzate.

Scenari applicativi: Veicoli a guida autonoma a livelli L2/L3/L4, robot chirurgici avanzati e robot di magazzino mobili di fascia alta (AGV). È l'unica scelta per i dispositivi mobili di fascia alta che coinvolgono "situazioni di vita o di morte" o "risposte in tempo reale a bassissima latenza".

Non esiste un'interfaccia "migliore": solo quella più adatta allo scenario. Usa USB per le demo in laboratorio, MIPI per prodotti ad alte prestazioni, RJ45 per il monitoraggio remoto e stringi i denti per GMSL quando si tratta di applicazioni automobilistiche o di automazione di fascia alta.