Прекратите делать слепые выборы!

Если честно, у друзей, работающих над проектами встраиваемых систем или искусственного интеллекта, при первом взгляде на таблицу с разнообразными интерфейсами камер, внутренние мысли, вероятно, такие: «Они все просто для передачи изображений — неужели они действительно должны быть такими разными?» Одни поставляются с красочными плоскими кабелями, другие похожи на старые коаксиальные кабели в лифтах, а у третьих даже есть кабель Ethernet. На самом деле, это не производители намеренно усложняют задачу. Выбор интерфейса по сути сводится к компромиссу между четырьмя факторами: пропускной способностью, расстоянием, задержкой и стоимостью. Мы не будем тратить время на учебный жаргон сегодня — давайте перейдем к сути и поговорим о том, как эти интерфейсы на самом деле работают.

DVP похож на старомодный «бульвар», состоящий из 8–16 линий данных, плюс линия синхронизации и линии синхронизации. Он использует параллельную передачу, где данные передаются упорядоченным образом, как строй людей, марширующих в колонне.

Преимущества: Его самый большой плюс — простота и понятность. Он передает сигналы сырого уровня без необходимости сложной логики кодирования и декодирования. Достаточно простого драйвера, чтобы заставить его работать, и даже микроконтроллеры низкого уровня могут легко справиться с этим.

Недостатки: Его потолок производительности довольно низок. При расположении нескольких линий параллельно, когда скорость передачи увеличивается (т. е. частота возрастает), между линиями возникают сильные перекрестные помехи и временные искажения. Как только частота повышается, экран заполняется шумом, похожим на снежинки. Поэтому у него очень узкая полоса пропускания, и он в основном устарел в эпоху высокого разрешения.

Сценарии применения: В настоящее время DVP в основном отступил на второстепенную роль, в основном используется в сканерах штрих-кодов, игрушках с низким разрешением или простых сценариях сбора данных с датчиков. Если вашему проекту требуется только сканирование QR-кодов, DVP по-прежнему является наиболее экономичным выбором.

Почему мобильные телефоны могут снимать видео в формате 4K или даже 8K? Все благодаря MIPI. Он использует режим дифференциальной передачи с низким размахом MIPI D-PHY/C-PHY. Вы можете думать об этом как о «типе дифференциального сигнала, который более деликатен, чем LVDS, но более эффективен». Это уже не обычный строй, а скорее группы хорошо скоординированных «элитных спецназовцев», переплетенных друг с другом. Он обладает чрезвычайно высокой помехозащищенностью и невероятно высокой эффективностью передачи данных. Например, все модели наших обычных плат разработки Neardi в основном оснащены интерфейсами камер MIPI в стандартной комплектации.

Плата разработки LKB3576

Преимущества: Чрезвычайно высокая пропускная способность в сочетании со сверхнизким энергопотреблением. Он может передавать поразительный объем данных с минимальными потерями энергии. Что еще более важно, он напрямую взаимодействует с ISP (Image Signal Processor) внутри SoC. Это означает, что как только изображение поступает, ISP может немедленно приступить к обработке задач (цветокоррекция, шумоподавление, повышение резкости), вообще не задействуя процессор.

Недостатки: Он действительно деликатный. Расстояние передачи обычно не может превышать 30 сантиметров; сигнал будет потерян, если трассы печатной платы проложены даже немного слишком далеко. Более того, отладка MIPI — кошмар для всех разработчиков — вам нужно обрабатывать сложную логику физического уровня D-PHY или C-PHY, а также оптимизировать эти раздражающие файлы параметров качества изображения.

Сценарии применения: Это основной интерфейс для мобильных телефонов, планшетов и встраиваемых AI-боксов (RK3576/Raspberry Pi). Если вы работаете над алгоритмами распознавания лиц или предотвращения препятствий в режиме реального времени, MIPI обычно является наиболее профессиональным и эффективным выбором для сценариев прямого подключения на плате.

USB-камеры полагаются на протокол UVC (USB Video Class), обеспечивающий вывод изображений по принципу «подключи и работай». Большинство интегрированных устройств Neardi RK3588 разработчиков обычно поставляются с несколькими зарезервированными интерфейсами USB 3.0, а на системном уровне уже завершена адаптация драйвера UVC. Даже если у вас нет дорогого модуля MIPI под рукой, вы все равно можете напрямую подключить USB-камеру к плате Neardi и плавно запускать алгоритмы.

Интеллектуальный компьютер LPB3588

Преимущества: Функциональность «подключи и работай» (без драйверов) — его самая большая киллер-фича. Для проверки алгоритмов и демонстраций в лаборатории вы можете получить изображения за 5 минут, что спасает жизнь разработчикам. Кроме того, он отличается чрезвычайно низкой стоимостью — вы можете использовать любую камеру, легко купленную в местном магазине.

Недостатки: Его удобство достигается за счет ресурсов процессора. Необработанные данные изображения, передаваемые через USB, чрезмерно велики; USB 2.0 просто не может с этим справиться. Поэтому камера сначала сжимает кадры, используя MJPEG или H.264. В результате вашему процессору приходится выделять значительную часть своей вычислительной мощности на распаковку. Многие новички жалуются, что запуск моделей YOLO происходит слишком медленно — на самом деле, процессор уже напряжен от декодирования кадров, прежде чем он даже начнет вывод модели. Если SoC поддерживает аппаратное декодирование VPU и соответствующие драйверы настроены правильно, нагрузка на процессор от USB-камер может быть значительно снижена, но общая задержка все равно не может соответствовать задержке MIPI. Кроме того, процесс сжатия и распаковки вносит ощутимую задержку, варьирующуюся от десятков до сотен миллисекунд.

Сценарии применения: Видеоконференции, внешние компьютерные камеры, демонстрации алгоритмов в лаборатории и простой промышленный контроль качества. Если ваши требования к производительности в реальном времени не являются чрезвычайно строгими, а у хоста есть избыточная вычислительная мощность, USB — вполне жизнеспособный выбор.

Когда камеру необходимо установить на потолке кафетерия или даже на перекрестке дорог в нескольких километрах, кабель Ethernet — почти самый универсальный и зрелый выбор. Чтобы удовлетворить такие потребности в мониторинге с высокой степенью параллелизма и на больших расстояниях, производители оборудования не жалеют усилий при настройке интерфейса. Возьмем, к примеру, интеллектуальный компьютер Neardi LPM3588 — разработанный специально для рынка NVR (Network Video Recorder), он может похвастаться чрезвычайно мощными конфигурациями: он поддерживает до 5 портов Gigabit Ethernet (1000M) и 1 порт Fast Ethernet (100M). Эта конструкция просто создана для «питания» нескольких сетевых камер высокого разрешения; даже если одновременно поступает 6 или более каналов видеопотоков высокого разрешения, пропускная способность Gigabit легко справится с ними без каких-либо узких мест.

Компьютер LPM3588 NVR

Преимущества: Чрезвычайно большое расстояние передачи (класс 100 метров), которое можно расширять бесконечно с помощью коммутаторов. Наиболее популярной среди разработчиков является поддержка PoE — один кабель Ethernet обрабатывает как питание, так и передачу данных. Многопортовый дизайн, как у LPM3588, избавляет от необходимости во внешнем коммутаторе, значительно упрощая сложность проводки систем NVR.

Недостатки: Относительно высокая задержка. Потому что изображения должны пройти через сжатие, сетевую упаковку, передачу, а затем распаковку. По сравнению с нативной производительностью MIPI в реальном времени, камеры Ethernet немного медленнее по скорости отклика.

Сценарии применения: Мониторинг безопасности, умные города, статистика потока людей в кафетериях/супермаркетах и удаленные сети между регионами. Проще говоря, почти все камеры, установленные на стенах или столбах, используют этот интерфейс.

В заводских цехах, шахтах или быстро движущихся транспортных средствах обычные интерфейсы едва ли продержатся полдня. Интерфейсы здесь должны решить две основные проблемы: как поддерживать чистые сигналы в шумной электромагнитной среде? И как передавать сигналы как далеко, так и быстро?

Многие люди думают, что «аналоговые сигналы» должны были быть отправлены в музеи давным-давно, но AHD насильно вырезала нишу в эпоху цифровых технологий. Он использует высокочастотную технологию несущей для сжатия видеосигналов высокой четкости в старомодные коаксиальные кабели. Более того, он чрезвычайно прочный. В условиях высокой вибрации и сильных помех, таких как специальные транспортные средства (например, экскаваторы, самосвалы и автобусы), сложные цифровые интерфейсы подвержены сбоям на экране из-за ослабления или электромагнитных волн. Плата разработки Neardi LPA3588 разработана специально для таких сценариев, поддерживая до 8 каналов входного сигнала AHD 1080P. Представьте себе санитарный или логистический автомобиль, оснащенный 8 камерами вокруг его передней, задней, левой, правой, верхней и нижней частей — LPA3588 может стабильно принимать все 8 каналов сигналов, а с помощью NPU RK3588 выполнять прогноз столкновений по всему периметру. Это действительно производительность уровня «спецназа».

Хост управления транспортным средством LPA3588

Преимущества: Прочный, доступный и большая дальность передачи. Его требования к кабелям невероятно низки — любой коаксиальный кабель может стабильно передавать сигналы на расстояние от 100 до 200 метров и даже дальше при определенных условиях. Кроме того, его передача сигнала осуществляется в реальном времени и без сжатия, без задержек, связанных с кабелями Ethernet. Для суровых условий с ограниченным бюджетом, требующих мониторинга в реальном времени на больших расстояниях (например, кадры с башенного крана), это бесспорный чемпион.

Недостатки: Не поддерживает «двустороннюю связь». AHD в основном передает видеосигналы в одностороннем порядке — нет возможности отправлять сложные команды на камеру (например, углубленную настройку параметров) через этот кабель. Более того, верхний предел качества изображения ограничен аналоговым стандартом, что затрудняет достижение чистоты цифровых сигналов, с едва заметным шумом, видимым на больших экранах.

Сценарии применения: Модернизация видеонаблюдения в старых жилых районах, изображения заднего вида и заднего хода для автобусов/грузовиков и даже некоторое недорогое оборудование для подземных работ.

В настоящее время это «технология высшего уровня» в автомобильной области. Представьте себе автомобиль с автономным управлением с камерами, установленными спереди, а главный компьютер управления находится в багажнике — разделенные более чем десятью метрами и окруженные помехами от различных высоковольтных двигателей. MIPI не может достичь такой дальности, USB подвержен сбоям, а Ethernet имеет высокую задержку. Таким образом, появилась технология SerDes (Serializer/Deserializer). GMSL выделяется среди них: он «упаковывает хрупкие сигналы MIPI в железные блоки» (сериализация) на передающем конце, отправляет их через прочные экранированные кабели, а затем «распаковывает и восстанавливает» их в MIPI на принимающем конце.

Преимущества: Универсальный и высокопроизводительный. Он обеспечивает настоящие «четыре в одном по одному кабелю»: один кабель обрабатывает видео, аудио, двунаправленные управляющие сигналы (I2C/UART) и питание (PoC) одновременно. Он может похвастаться чрезвычайно высокой пропускной способностью (поддержка 8 мегапикселей, 90 кадров в секунду), с задержкой от начала до конца, контролируемой на уровне миллисекунд — намного ниже, чем решения USB или Ethernet — и соответствует строгим автомобильным стандартам.

Недостатки: Дорогостоящая и закрытая экосистема. Его цена часто в десять-сто раз превышает стоимость решений USB. Обычные разработчики вряд ли смогут получить его полное руководство по протоколу, а отладка обычно требует дорогостоящего специализированного оборудования.

Сценарии применения: Автономные транспортные средства на уровнях L2/L3/L4, передовые хирургические роботы и высококлассные мобильные складские роботы (AGV). Это единственный выбор для мобильных устройств высокого класса, связанных с «ситуациями жизни и смерти» или «сверхнизкой задержкой в реальном времени».

Нет «лучшего» интерфейса — только тот, который наиболее подходит для данного сценария. Используйте USB для лабораторных демонстраций, MIPI для высокопроизводительных продуктов, RJ45 для удаленного мониторинга и стисните зубы для GMSL, когда дело доходит до автомобильных или высококлассных автоматизированных приложений.