¡Deje de tomar decisiones a ciegas! Una guía definitiva para la selección de la interfaz de la cámara: de MIPI a GMSL

Para ser honesto, para los amigos que trabajan en proyectos de sistemas embebidos o IA, cuando ven por primera vez una mesa llena de interfaces de cámara de formas extrañas, sus pensamientos internos son probablemente: "Todas son solo para transmitir imágenes, ¿realmente necesitan ser tan diversas?" Algunas vienen con coloridos cables planos, otras parecen los antiguos cables coaxiales de los ascensores, y otras incluso tienen un cable Ethernet conectado. De hecho, esto no es que los fabricantes lo hagan deliberadamente difícil. La elección de la interfaz se reduce esencialmente a un compromiso entre cuatro factores: ancho de banda, distancia, latencia y costo. No perderemos tiempo con jerga de libros de texto hoy, vayamos al grano y hablemos de cómo funcionan realmente estas interfaces.

DVP es como un "bulevar lado a lado" anticuado, que consta de 8 a 16 líneas de datos, más una línea de reloj y líneas de señal de sincronización. Adopta la transmisión en paralelo, donde los datos se transmiten de manera ordenada como una formación de personas marchando en fila.

Ventajas: Su mayor mérito reside en la simplicidad y la sencillez. Transmite señales de nivel bruto sin necesidad de lógica de codificación y decodificación compleja. Un simple controlador es suficiente para que funcione, e incluso los microcontroladores de gama baja pueden manejarlo fácilmente.

Desventajas: Su techo de rendimiento es bastante bajo. Con múltiples líneas dispuestas en paralelo, cuando aumenta la velocidad de transmisión (es decir, aumenta la frecuencia), se producirán graves diafonías y sesgos de tiempo entre las líneas. Una vez que la frecuencia sube, la pantalla se llenará de ruido similar a copos de nieve. Por lo tanto, tiene un ancho de banda muy estrecho y está básicamente obsoleto en la era de la alta definición.

Escenarios de aplicación: Hoy en día, DVP básicamente ha retrocedido a un papel secundario, que se utiliza principalmente en escáneres de códigos de barras, juguetes de baja resolución o escenarios simples de adquisición de datos de sensores. Si su proyecto solo requiere escanear códigos QR, DVP sigue siendo la opción más rentable.

¿Por qué los teléfonos móviles pueden grabar vídeos en 4K o incluso en 8K? Todo gracias a MIPI. Adopta el modo de transmisión diferencial de bajo swing de MIPI D-PHY/C-PHY. Puedes pensar en ello como "un tipo de señal diferencial que es más delicada que LVDS pero más eficiente". Ya no es como una formación ordinaria, sino más bien grupos de "fuerzas especiales de élite" altamente coordinadas entrelazadas entre sí. Cuenta con una capacidad antiinterferencias extremadamente fuerte y una eficiencia de transmisión de datos increíblemente alta. Por ejemplo, todos los modelos de nuestras placas de desarrollo Neardi regulares están básicamente equipados con interfaces de cámara MIPI como estándar.

Placa de desarrollo LKB3576

Ventajas: Ancho de banda extremadamente alto combinado con un consumo de energía ultrabajo. Puede transmitir un volumen asombroso de datos con una pérdida de energía mínima. Más importante aún, se interconecta directamente con el ISP (Procesador de señal de imagen) dentro del SoC. Esto significa que tan pronto como entra la imagen, el ISP puede hacerse cargo inmediatamente de las tareas de procesamiento (gradación de color, reducción de ruido, nitidez) sin involucrar a la CPU en absoluto.

Desventajas: Es verdaderamente delicado. La distancia de transmisión generalmente no puede exceder los 30 centímetros; la señal se perderá si los trazados de la PCB se enrutan incluso un poco demasiado lejos. Además, la depuración de MIPI es una pesadilla para todos los desarrolladores: debe manejar la compleja lógica de la capa física D-PHY o C-PHY, y también optimizar esos archivos de parámetros de calidad de imagen que hacen perder el pelo.

Escenarios de aplicación: Es la interfaz principal para teléfonos móviles, tabletas y cajas de IA integradas (RK3576/Raspberry Pi). Si está trabajando en algoritmos de reconocimiento facial en tiempo real o de evitación de obstáculos, MIPI suele ser la opción más profesional y eficiente para escenarios de conexión directa a bordo.

Las cámaras USB se basan en el protocolo UVC (USB Video Class), lo que permite la salida de imágenes plug-and-play. Los dispositivos integrados Neardi RK3588 de la mayoría de los desarrolladores suelen venir con múltiples interfaces USB 3.0 reservadas, y la capa del sistema ya ha completado la adaptación del controlador UVC. Incluso si no tiene un costoso módulo MIPI a mano, puede conectar directamente una cámara USB a la placa Neardi y seguir ejecutando algoritmos sin problemas.

Ordenador inteligente LPB3588

Ventajas: La funcionalidad plug-and-play (sin controlador) es su mayor característica asesina. Para la verificación de algoritmos y las presentaciones de demostración en el laboratorio, puede obtener imágenes en 5 minutos, lo que lo convierte en un salvavidas para los desarrolladores. Además, presenta un costo extremadamente bajo: puede usar cualquier cámara comprada fácilmente en una tienda local.

Desventajas: Su conveniencia tiene el costo de los recursos de la CPU. Los datos de imagen sin procesar transmitidos a través de USB son excesivamente grandes; USB 2.0 simplemente no puede manejarlo. Por lo tanto, la cámara primero comprimirá los fotogramas utilizando MJPEG o H.264 internamente. Como resultado, su CPU tiene que asignar una parte significativa de su potencia de cálculo a la descompresión. Muchos principiantes se quejan de que ejecutar modelos YOLO es demasiado lento; en realidad, la CPU ya está forzada por la decodificación de fotogramas antes de que siquiera comience la inferencia del modelo. Si el SoC admite la decodificación de hardware VPU y los controladores correspondientes están configurados correctamente, la carga de la CPU de las cámaras USB se puede reducir significativamente, pero la latencia general aún no puede coincidir con la de MIPI. Además, el proceso de compresión y descompresión introduce una latencia perceptible que oscila entre decenas y cientos de milisegundos.

Escenarios de aplicación: Videoconferencias, cámaras de ordenador externas, demostraciones de algoritmos en el laboratorio e inspección de calidad industrial simple. Si sus requisitos de rendimiento en tiempo real no son extremadamente estrictos y el host tiene potencia de cálculo sobrante, USB es una opción perfectamente viable.

Cuando una cámara necesita instalarse en el techo de una cafetería o incluso en una intersección de la carretera a varios kilómetros de distancia, un cable Ethernet es casi la opción más universal y madura. Para satisfacer tales necesidades de supervisión de alta concurrencia y larga distancia, los fabricantes de hardware no han escatimado esfuerzos en la configuración de la interfaz. Tomemos como ejemplo el ordenador inteligente LPM3588 de Neardi, diseñado a medida para el mercado NVR (Grabador de vídeo en red), que cuenta con configuraciones extremadamente potentes: admite hasta 5 puertos Gigabit Ethernet (1000M) y 1 puerto Fast Ethernet (100M). Este diseño está simplemente construido para "alimentar" múltiples cámaras de red de alta definición; incluso si entran simultáneamente 6 o más canales de transmisiones de vídeo de alta definición, el ancho de banda Gigabit puede manejarlos fácilmente sin ningún cuello de botella.

Ordenador NVR LPM3588

Ventajas: Distancia de transmisión extremadamente larga (clase de 100 metros), que se puede extender indefinidamente a través de conmutadores. Lo más popular entre los desarrolladores es su compatibilidad con PoE: un cable Ethernet maneja tanto la fuente de alimentación como la transmisión de datos. El diseño de múltiples puertos como el del LPM3588 elimina la necesidad de un conmutador externo, lo que simplifica en gran medida la complejidad del cableado de los sistemas NVR.

Desventajas: Latencia relativamente alta. Debido a que las imágenes deben pasar por compresión, empaquetado de red, transmisión y luego descompresión. En comparación con el rendimiento en tiempo real nativo de MIPI, las cámaras Ethernet son ligeramente más lentas en la velocidad de respuesta.

Escenarios de aplicación: Supervisión de seguridad, ciudades inteligentes, estadísticas de flujo de personas en cafeterías/supermercados y redes remotas interregionales. En pocas palabras, casi todas las cámaras instaladas en paredes o postes de servicios públicos utilizan esta interfaz.

En los talleres de fábrica, las minas o los vehículos en movimiento a alta velocidad, las interfaces ordinarias apenas pueden durar medio día. Las interfaces aquí deben resolver dos problemas fundamentales: ¿cómo mantener las señales limpias en entornos electromagnéticos ruidosos? ¿Y cómo transmitir señales tanto lejos como rápido?

Mucha gente piensa que las "señales analógicas" deberían haber sido consignadas a los museos hace mucho tiempo, pero AHD ha tallado a la fuerza un nicho en la era digital. Utiliza tecnología de portadora de alta frecuencia para comprimir señales de vídeo de alta definición en cables coaxiales anticuados. Además, es extremadamente resistente. En entornos de alta vibración y fuertes interferencias como vehículos especiales (como excavadoras, volquetes y autobuses), las interfaces digitales complejas son propensas a fallos de pantalla debido al aflojamiento o las ondas electromagnéticas. La placa de desarrollo LPA3588 de Neardi está diseñada específicamente para tales escenarios, y admite hasta 8 canales de entrada de cámara AHD de 1080P. Imagine un vehículo de saneamiento o logístico equipado con 8 cámaras alrededor de su parte delantera, trasera, izquierda, derecha, superior e inferior: el LPA3588 puede recibir de forma estable los 8 canales de señales y, con la NPU del RK3588, realizar predicciones de prevención de colisiones perimetrales de rango completo. Este es verdaderamente un rendimiento de nivel de "fuerzas especiales".

Host de control de vehículos LPA3588

Ventajas: Robusto, asequible y de larga distancia de transmisión. Sus requisitos para los cables son increíblemente bajos: cualquier cable coaxial puede transmitir señales de forma estable durante 100 a 200 metros, e incluso más lejos en condiciones específicas. Además, su transmisión de señal es en tiempo real y sin comprimir, sin la latencia asociada con los cables Ethernet. Para entornos hostiles con presupuestos limitados que requieren supervisión en tiempo real a larga distancia (como imágenes de grúas de construcción), es el campeón indiscutible.

Desventajas: No admite la "comunicación bidireccional". AHD transmite principalmente señales de vídeo unidireccionalmente: no hay forma de enviar comandos complejos a la cámara (como el ajuste de parámetros en profundidad) a través de este cable. Además, el límite superior de la calidad de la imagen está restringido por el estándar analógico, lo que dificulta lograr la pureza de las señales digitales, con un ruido sutil visible en las pantallas grandes.

Escenarios de aplicación: Actualizaciones de vigilancia en zonas residenciales antiguas, imágenes de visión trasera e inversa para autobuses/camiones, e incluso algunos equipos de operación subterránea de bajo costo.

Esta es actualmente la tecnología de "primer nivel" en el campo de la automoción. Imagine un vehículo de conducción autónoma con cámaras montadas en la parte delantera, mientras que el ordenador de control principal está en el maletero, separados por más de diez metros y rodeados de interferencias de varios motores de alto voltaje. MIPI no puede llegar tan lejos, USB es propenso a fallos y Ethernet tiene una alta latencia. Por lo tanto, la tecnología SerDes (Serializador/Deserializador) entró en existencia. GMSL destaca entre ellos: "empaqueta señales MIPI frágiles en bloques de hierro" (serialización) en el extremo transmisor, las envía a través de cables blindados robustos y luego las "desempaqueta y restaura" a MIPI en el extremo receptor.

Ventajas: Completo y de alto rendimiento. Logra un verdadero "cuatro en uno a través de un solo cable": un cable maneja vídeo, audio, señales de control bidireccionales (I2C/UART) y alimentación (PoC) simultáneamente. Cuenta con un ancho de banda extremadamente alto (compatible con 8 megapíxeles, 90 fps), con una latencia de extremo a extremo controlable a nivel de milisegundos, mucho más baja que las soluciones USB o Ethernet, y cumple con los estrictos estándares de grado automotriz.

Desventajas: Ecosistema caro y cerrado. Su precio es a menudo de diez a cien veces el de las soluciones USB. Los desarrolladores ordinarios difícilmente pueden obtener su manual de protocolo completo, y la depuración generalmente requiere equipos especializados caros.

Escenarios de aplicación: Vehículos de conducción autónoma en los niveles L2/L3/L4, robots quirúrgicos avanzados y robots de almacén móviles de alta gama (AGV). Es la única opción para dispositivos móviles de alta gama que involucran "situaciones de vida o muerte" o "respuestas en tiempo real de latencia ultrabaja".

No existe la interfaz "mejor", solo la más adecuada para el escenario. Utilice USB para demostraciones de laboratorio, MIPI para productos de alto rendimiento, RJ45 para supervisión remota y apriete los dientes para GMSL cuando se trate de aplicaciones automotrices o de automatización de alta gama.