Przestań podejmować ślepe wybory!

Szczerze mówiąc, dla znajomych pracujących nad projektami wbudowanymi lub AI, gdy po raz pierwszy widzą stół pełen dziwacznych interfejsów kamer, ich wewnętrzne myśli to prawdopodobnie: "Wszystkie służą tylko do przesyłania obrazów - czy naprawdę muszą być tak zróżnicowane?" Niektóre są wyposażone w kolorowe płaskie kable, inne wyglądają jak stare kable koncentryczne w windach, a jeszcze inne mają nawet dołączony kabel Ethernet. W rzeczywistości nie jest to celowe utrudnianie sprawy przez producentów. Wybór interfejsu zasadniczo sprowadza się do kompromisu między czterema czynnikami: przepustowością, odległością, opóźnieniem i kosztem. Nie będziemy dziś tracić czasu na podręcznikowy żargon - przejdźmy od razu do sedna i porozmawiajmy o tym, jak te interfejsy działają.

DVP jest jak staromodowy "bulwar obok siebie", składający się z 8 do 16 linii danych, plus linia zegara i linie sygnału synchronizacji. Wykorzystuje transmisję równoległą, gdzie dane są przesyłane w uporządkowany sposób, tak jak formacja ludzi maszerujących w kolejce.

Zalety: Jego największą zaletą jest prostota i bezpośredniość. Przesyła sygnały surowego poziomu bez potrzeby skomplikowanej logiki kodowania i dekodowania. Wystarczy prosty sterownik, aby go uruchomić, a nawet mikrokontrolery niskiej klasy mogą sobie z nim łatwo poradzić.

Wady: Jego wydajność jest raczej niska. Przy wielu liniach ułożonych równolegle, gdy prędkość transmisji wzrasta (tj. rośnie częstotliwość), wystąpią poważne przesłuchy i odchylenia czasowe między liniami. Gdy częstotliwość wzrośnie, ekran zostanie wypełniony szumem przypominającym płatki śniegu. Dlatego ma bardzo wąską przepustowość i jest zasadniczo przestarzały w erze wysokiej rozdzielczości.

Scenariusze zastosowań: Obecnie DVP zasadniczo wycofał się do roli drugorzędnej, będąc używanym głównie w skanerach kodów kreskowych, zabawkach o niskiej rozdzielczości lub prostych scenariuszach akwizycji danych z czujników. Jeśli Twój projekt wymaga tylko skanowania kodów QR, DVP jest nadal najbardziej opłacalnym wyborem.

Dlaczego telefony komórkowe mogą nagrywać filmy w rozdzielczości 4K, a nawet 8K? Wszystko dzięki MIPI. Wykorzystuje tryb transmisji różnicowej o niskim wahaniu MIPI D-PHY/C-PHY. Możesz pomyśleć o tym jako o "typie sygnału różnicowego, który jest bardziej delikatny niż LVDS, ale bardziej wydajny". To już nie zwykła formacja, ale raczej grupy wysoce skoordynowanych "elitarnych sił specjalnych" skręconych wokół siebie. Szczyci się niezwykle silną odpornością na zakłócenia i niesamowicie wysoką wydajnością transmisji danych. Na przykład, wszystkie modele naszych regularnych płyt rozwojowych Neardi są zasadniczo wyposażone w interfejsy kamer MIPI jako standard.

Płyta rozwojowa LKB3576

Zalety: Niezwykle wysoka przepustowość w połączeniu z ultra niskim zużyciem energii. Może przesyłać zdumiewającą ilość danych przy minimalnej stracie mocy. Co ważniejsze, interfejsuje się bezpośrednio z ISP (Image Signal Processor) wewnątrz SoC. Oznacza to, że jak tylko obraz się pojawi, ISP może natychmiast przejąć zadania przetwarzania (korekcja kolorów, redukcja szumów, wyostrzanie) bez angażowania w ogóle procesora.

Wady: Jest naprawdę delikatny. Odległość transmisji zwykle nie może przekraczać 30 centymetrów; sygnał zostanie utracony, jeśli ścieżki PCB zostaną poprowadzone nawet trochę za daleko. Co więcej, debugowanie MIPI to koszmar dla wszystkich programistów - musisz obsłużyć skomplikowaną logikę warstwy fizycznej D-PHY lub C-PHY, a także zoptymalizować te wywołujące frustrację pliki parametrów jakości obrazu.

Scenariusze zastosowań: Jest to główny interfejs dla telefonów komórkowych, tabletów i wbudowanych pudełek AI (RK3576/Raspberry Pi). Jeśli pracujesz nad algorytmami rozpoznawania twarzy w czasie rzeczywistym lub unikania przeszkód, MIPI jest zwykle najbardziej profesjonalnym i wydajnym wyborem dla scenariuszy bezpośredniego połączenia na pokładzie.

Kamery USB opierają się na protokole UVC (USB Video Class), umożliwiając natychmiastowe generowanie obrazu. Większość urządzeń zintegrowanych Neardi RK3588 programistów jest zwykle wyposażona w wiele zarezerwowanych interfejsów USB 3.0, a warstwa systemowa już zakończyła adaptację sterownika UVC. Nawet jeśli nie masz pod ręką drogiego modułu MIPI, możesz bezpośrednio podłączyć kamerę USB do płyty Neardi i nadal płynnie uruchamiać algorytmy.

Inteligentny komputer LPB3588

Zalety: Funkcjonalność plug-and-play (bez sterowników) to jego największa cecha zabójcza. Do weryfikacji algorytmów i prezentacji demonstracyjnych w laboratorium możesz uzyskać obrazy w 5 minut, co czyni go ratunkiem dla programistów. Ponadto charakteryzuje się niezwykle niskim kosztem - możesz użyć dowolnej kamery kupionej łatwo w lokalnym sklepie.

Wady: Jego wygoda wiąże się z kosztem zasobów procesora. Surowe dane obrazu przesyłane przez USB są nadmiernie duże; USB 2.0 po prostu sobie z tym nie radzi. Dlatego kamera najpierw kompresuje klatki za pomocą MJPEG lub H.264 wewnętrznie. W rezultacie procesor musi przeznaczyć znaczną część swojej mocy obliczeniowej na dekompresję. Wielu początkujących narzeka, że uruchamianie modeli YOLO jest zbyt wolne - w rzeczywistości procesor jest już obciążony dekodowaniem klatek, zanim jeszcze rozpocznie wnioskowanie modelu. Jeśli SoC obsługuje dekodowanie sprzętowe VPU i odpowiednie sterowniki są poprawnie skonfigurowane, obciążenie procesora z kamer USB można znacznie zmniejszyć, ale ogólne opóźnienie nadal nie może dorównać MIPI. Dodatkowo, proces kompresji i dekompresji wprowadza zauważalne opóźnienie wynoszące od dziesiątek do setek milisekund.

Scenariusze zastosowań: Wideokonferencje, zewnętrzne kamery komputerowe, demonstracje algorytmów w laboratorium i prosta kontrola jakości przemysłowej. Jeśli Twoje wymagania dotyczące wydajności w czasie rzeczywistym nie są ekstremalnie rygorystyczne, a host ma nadwyżkę mocy obliczeniowej, USB jest całkowicie wykonalnym wyborem.

Gdy kamera musi być zainstalowana na suficie w kawiarni, a nawet na skrzyżowaniu dróg oddalonym o kilka kilometrów, kabel Ethernet jest prawie najbardziej uniwersalnym i dojrzałym wyborem. Aby sprostać takim potrzebom monitoringu o dużej częstotliwości i na duże odległości, producenci sprzętu nie szczędzili wysiłków w konfiguracji interfejsu. Weźmy za przykład inteligentny komputer LPM3588 firmy Neardi - stworzony na miarę dla rynku NVR (Network Video Recorder), szczyci się niezwykle potężnymi konfiguracjami: obsługuje do 5 portów Gigabit Ethernet (1000M) i 1 port Fast Ethernet (100M). Ten projekt jest po prostu stworzony do "karmienia" wieloma sieciowymi kamerami wysokiej rozdzielczości; nawet jeśli 6 lub więcej kanałów strumieni wideo wysokiej rozdzielczości pojawi się jednocześnie, przepustowość Gigabit może z łatwością sobie z nimi poradzić bez żadnych wąskich gardeł.

Komputer NVR LPM3588

Zalety: Niezwykle duża odległość transmisji (klasa 100-metrowa), którą można przedłużać w nieskończoność za pomocą przełączników. Najpopularniejsze wśród programistów jest jego wsparcie PoE - jeden kabel Ethernet obsługuje zarówno zasilanie, jak i transmisję danych. Konstrukcja z wieloma portami, taka jak w LPM3588, eliminuje potrzebę stosowania zewnętrznego przełącznika, znacznie upraszczając złożoność okablowania systemów NVR.

Wady: Stosunkowo wysokie opóźnienie. Ponieważ obrazy muszą przejść przez kompresję, pakowanie sieciowe, transmisję, a następnie dekompresję. W porównaniu z natywną wydajnością MIPI w czasie rzeczywistym, kamery Ethernet są nieco wolniejsze w reakcji.

Scenariusze zastosowań: Monitoring bezpieczeństwa, inteligentne miasta, statystyki przepływu ludzi w kawiarniach/supermarketach i zdalne sieciowanie między regionami. Mówiąc prościej, prawie wszystkie kamery zainstalowane na ścianach lub słupach używają tego interfejsu.

W warsztatach fabrycznych, kopalniach lub szybko poruszających się pojazdach, zwykłe interfejsy mogą ledwo wytrzymać pół dnia. Interfejsy tutaj muszą rozwiązać dwa ostateczne problemy: jak utrzymać czyste sygnały w hałaśliwym środowisku elektromagnetycznym? I jak przesyłać sygnały zarówno daleko, jak i szybko?

Wiele osób uważa, że "sygnały analogowe" powinny dawno temu trafić do muzeów, ale AHD zmuszony do wyrzeźbienia niszy w erze cyfrowej. Wykorzystuje technologię nośną o wysokiej częstotliwości, aby upchnąć sygnały wideo wysokiej rozdzielczości do staromodnych kabli koncentrycznych. Co więcej, jest niezwykle wytrzymały. W środowiskach o dużych wibracjach i silnych zakłóceniach, takich jak pojazdy specjalne (np. koparki, wywrotki i autobusy), złożone interfejsy cyfrowe są podatne na zakłócenia na ekranie z powodu poluzowania lub fal elektromagnetycznych. Płyta rozwojowa LPA3588 firmy Neardi została zaprojektowana specjalnie do takich scenariuszy, obsługując do 8 kanałów wejścia kamery AHD 1080P. Wyobraź sobie pojazd sanitarny lub logistyczny wyposażony w 8 kamer wokół przodu, tyłu, lewej, prawej, góry i dołu - LPA3588 może stabilnie odbierać wszystkie 8 kanałów sygnałów, a dzięki NPU RK3588, wykonywać pełnozakresową predykcję antykolizyjną. To naprawdę wydajność na poziomie "sił specjalnych".

Host sterowania pojazdem LPA3588

Zalety: Wytrzymały, niedrogi i duża odległość transmisji. Jego wymagania dotyczące kabli są niezwykle niskie - dowolny kabel koncentryczny może stabilnie przesyłać sygnały na odległość od 100 do 200 metrów, a nawet dalej w określonych warunkach. Dodatkowo, jego transmisja sygnału jest w czasie rzeczywistym i nieskompresowana, bez opóźnień związanych z kablami Ethernet. W trudnych warunkach z ograniczonym budżetem, które wymagają monitoringu w czasie rzeczywistym na duże odległości (takich jak nagrania z dźwigu budowlanego), jest to niekwestionowany mistrz.

Wady: Nie obsługuje "dwukierunkowej komunikacji". AHD przesyła głównie sygnały wideo jednokierunkowo - nie ma możliwości wysyłania złożonych poleceń do kamery (takich jak dogłębna regulacja parametrów) za pomocą tego kabla. Co więcej, górna granica jakości obrazu jest ograniczona przez standard analogowy, co utrudnia osiągnięcie czystości sygnałów cyfrowych, z subtelnym szumem widocznym na dużych ekranach.

Scenariusze zastosowań: Ulepszenia nadzoru w starych osiedlach mieszkaniowych, obrazy z tyłu i wsteczne dla autobusów/ciężarówek, a nawet niektóre tanie urządzenia do pracy podziemnej.

To obecnie "najwyższej klasy" technologia w branży motoryzacyjnej. Wyobraź sobie autonomiczny pojazd z kamerami zamontowanymi z przodu, podczas gdy główny komputer sterujący znajduje się w bagażniku - oddzielony o ponad dziesięć metrów i otoczony zakłóceniami z różnych silników wysokiego napięcia. MIPI nie może sięgnąć tak daleko, USB jest podatne na awarie, a Ethernet ma wysokie opóźnienia. W ten sposób powstała technologia SerDes (Serializer/Deserializer). GMSL wyróżnia się wśród nich: "pakuje kruche sygnały MIPI w żelazne bloki" (serializacja) na końcu nadawczym, wysyła je przez solidne kable ekranowane, a następnie "rozpakowuje i przywraca" je do MIPI na końcu odbiorczym.

Zalety: Uniwersalny i wydajny. Osiąga prawdziwe "cztery w jednym za pomocą jednego kabla": jeden kabel obsługuje wideo, audio, dwukierunkowe sygnały sterujące (I2C/UART) i zasilanie (PoC) jednocześnie. Szczyci się niezwykle dużą przepustowością (obsługując 8 megapikseli, 90 kl./s), z opóźnieniem od końca do końca kontrolowanym na poziomie milisekund - znacznie niższym niż rozwiązania USB lub Ethernet - i jest zgodny z rygorystycznymi standardami motoryzacyjnymi.

Wady: Drogi i zamknięty ekosystem. Jego cena jest często od dziesięciu do stu razy wyższa niż w przypadku rozwiązań USB. Zwykli programiści prawie nie mogą uzyskać jego pełnej instrukcji protokołu, a debugowanie zwykle wymaga drogiego, specjalistycznego sprzętu.

Scenariusze zastosowań: Autonomiczne pojazdy na poziomach L2/L3/L4, zaawansowane roboty chirurgiczne i wysokiej klasy mobilne roboty magazynowe (AGV). Jest to jedyny wybór dla wysokiej klasy urządzeń mobilnych, które wiążą się z "sytuacjami życia i śmierci" lub "ultra-niskimi opóźnieniami w czasie rzeczywistym".

Nie ma "najlepszego" interfejsu - tylko ten najbardziej odpowiedni dla danego scenariusza. Używaj USB do demonstracji laboratoryjnych, MIPI do produktów o wysokiej wydajności, RJ45 do zdalnego monitoringu i zaciśnij zęby dla GMSL, jeśli chodzi o zastosowania motoryzacyjne lub zaawansowaną automatyzację.