หยุดเลือกแบบสุ่มสี่สุ่มห้า! คู่มือสุดยอดในการเลือกอินเทอร์เฟซกล้อง: ตั้งแต่ MIPI ถึง GMSL

พูดตามตรง สำหรับเพื่อนที่ทำงานในโครงการฝังตัวหรือ AI เมื่อพวกเขาเห็นตารางที่เต็มไปด้วยอินเทอร์เฟซกล้องรูปทรงแปลก ๆ เป็นครั้งแรก ความคิดภายในของพวกเขาน่าจะเป็น: "พวกมันทั้งหมดมีไว้เพื่อส่งภาพเท่านั้น พวกเขาจำเป็นต้องมีความหลากหลายขนาดนั้นจริงหรือ" บางตัวมาพร้อมกับสายแบนสีสันสดใส บางตัวดูเหมือนสายโคแอกเซียลแบบเก่าในลิฟต์ และบางตัวยังมีสายอีเธอร์เน็ตติดอยู่ด้วย ที่จริงแล้ว นี่ไม่ใช่ผู้ผลิตที่จงใจทำสิ่งที่ยาก การเลือกอินเทอร์เฟซโดยพื้นฐานแล้วต้องแลกมาด้วยปัจจัยสี่ประการ ได้แก่ แบนด์วิธ ระยะทาง เวลาแฝง และต้นทุน เราจะไม่เสียเวลาไปกับศัพท์เฉพาะทางตำราเรียนในวันนี้ มาดูการไล่ล่าและพูดคุยเกี่ยวกับวิธีการทำงานของอินเทอร์เฟซเหล่านี้กันดีกว่า

DVP เป็นเหมือน "ถนนคู่ขนาน" สมัยเก่าที่ประกอบด้วยสายข้อมูล 8 ถึง 16 เส้น รวมถึงสายนาฬิกาและสายสัญญาณการซิงโครไนซ์ ใช้การส่งข้อมูลแบบขนาน โดยที่ข้อมูลจะถูกส่งในลักษณะที่เป็นระเบียบ เช่นเดียวกับกลุ่มคนที่เดินเข้าคิว

ข้อดี: ข้อดีที่ยิ่งใหญ่ที่สุดอยู่ที่ความเรียบง่ายและตรงไปตรงมา โดยจะส่งสัญญาณระดับดิบโดยไม่จำเป็นต้องใช้ตรรกะการเข้ารหัสและถอดรหัสที่ซับซ้อน ไดรเวอร์ธรรมดาก็เพียงพอแล้วที่จะใช้งานได้ และแม้แต่ไมโครคอนโทรลเลอร์ระดับล่างก็สามารถจัดการได้อย่างง่ายดาย

ข้อเสีย: เพดานประสิทธิภาพค่อนข้างต่ำ ด้วยหลายบรรทัดที่จัดเรียงขนานกัน เมื่อความเร็วในการส่งเพิ่มขึ้น (เช่น ความถี่เพิ่มขึ้น) ครอสทอล์คที่รุนแรงและการเบี่ยงเบนของไทม์มิ่งจะเกิดขึ้นระหว่างบรรทัด เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น หน้าจอจะเต็มไปด้วยเสียงคล้ายเกล็ดหิมะ ดังนั้นจึงมีแบนด์วิธที่แคบมากและโดยพื้นฐานแล้วจะล้าสมัยในยุคที่มีความคมชัดสูง

สถานการณ์การใช้งาน: ในปัจจุบันนี้ DVP ได้ย้อนกลับไปสู่บทบาทรอง โดยส่วนใหญ่จะใช้ในเครื่องสแกนบาร์โค้ด ของเล่นที่มีพิกเซลต่ำ หรือสถานการณ์การรับข้อมูลเซ็นเซอร์ธรรมดา หากโปรเจ็กต์ของคุณต้องการเพียงการสแกนโค้ด QR DVP ยังคงเป็นตัวเลือกที่คุ้มค่าที่สุด

เหตุใดโทรศัพท์มือถือจึงสามารถถ่ายวิดีโอ 4K หรือ 8K ได้ ขอขอบคุณ MIPI ทุกท่าน ใช้โหมดการส่งผ่านเฟืองท้ายแบบแกว่งต่ำของ MIPI D-PHY/C-PHY คุณสามารถมองมันเป็น "สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลประเภทหนึ่งที่ละเอียดอ่อนกว่า LVDS แต่มีประสิทธิภาพมากกว่า" มันไม่เหมือนกับขบวนการธรรมดาอีกต่อไป แต่เป็นกลุ่มของ "กองกำลังพิเศษชั้นยอด" ที่มีการประสานงานกันสูงที่บิดเบี้ยวซึ่งกันและกัน มีความสามารถในการป้องกันการรบกวนที่แข็งแกร่งอย่างยิ่งและประสิทธิภาพการรับส่งข้อมูลที่สูงอย่างไม่น่าเชื่อ ตัวอย่างเช่น บอร์ดพัฒนา Neardi ปกติของเราทุกรุ่นจะมีอินเทอร์เฟซกล้อง MIPI เป็นมาตรฐาน

คณะกรรมการพัฒนา LKB3576

ข้อดี: แบนด์วิธที่สูงมากรวมกับการใช้พลังงานต่ำเป็นพิเศษ สามารถส่งข้อมูลปริมาณมหาศาลโดยสูญเสียพลังงานน้อยที่สุด ที่สำคัญกว่านั้นคือเชื่อมต่อโดยตรงกับ ISP (โปรเซสเซอร์สัญญาณภาพ) ภายใน SoC ซึ่งหมายความว่าทันทีที่ภาพเข้ามา ISP ก็สามารถเข้าควบคุมงานการประมวลผลได้ทันที (การให้เกรดสี ลดนอยส์ ปรับความคมชัด) โดยไม่ต้องเกี่ยวข้องกับ CPU เลย

ข้อเสีย: มันละเอียดอ่อนจริงๆ ระยะการส่งข้อมูลมักจะไม่เกิน 30 เซนติเมตร สัญญาณจะหายไปหากเส้นทาง PCB ถูกส่งไปไกลเกินไปเล็กน้อย นอกจากนี้ การแก้ไขจุดบกพร่อง MIPI ยังเป็นฝันร้ายสำหรับนักพัฒนาทุกคน คุณต้องจัดการกับตรรกะเลเยอร์ทางกายภาพ D-PHY หรือ C-PHY ที่ซับซ้อน และยังปรับไฟล์พารามิเตอร์คุณภาพของภาพที่ดึงขนให้เหมาะสมอีกด้วย

สถานการณ์การใช้งาน: เป็นอินเทอร์เฟซหลักสำหรับโทรศัพท์มือถือ แท็บเล็ต และกล่อง AI แบบฝัง (RK3576/Raspberry Pi) หากคุณกำลังทำงานกับอัลกอริธึมการจดจำใบหน้าแบบเรียลไทม์หรือการหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวาง MIPI มักจะเป็นตัวเลือกที่เป็นมืออาชีพและมีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับสถานการณ์การเชื่อมต่อโดยตรงบนบอร์ด

กล้อง USB ใช้โปรโตคอล UVC (USB Video Class) ซึ่งช่วยให้เอาต์พุตภาพแบบพลักแอนด์เพลย์ได้ อุปกรณ์ที่ผสานรวม Neardi RK3588 ของนักพัฒนาส่วนใหญ่มักจะมาพร้อมกับอินเทอร์เฟซ USB 3.0 ที่สงวนไว้หลายอินเทอร์เฟซ และเลเยอร์ของระบบได้ปรับไดรเวอร์ UVC เรียบร้อยแล้ว แม้ว่าคุณจะไม่มีโมดูล MIPI ราคาแพงอยู่ในมือ คุณก็สามารถเชื่อมต่อกล้อง USB เข้ากับบอร์ด Neardi ได้โดยตรง และยังคงเรียกใช้อัลกอริทึมได้อย่างราบรื่น

LPB3588 คอมพิวเตอร์อัจฉริยะ

ข้อดี: ฟังก์ชั่น Plug-and-play (ไม่มีไดรเวอร์) เป็นคุณสมบัติที่โดดเด่นที่สุด สำหรับการตรวจสอบอัลกอริทึมและการนำเสนอสาธิตในห้องแล็บ คุณสามารถรับภาพได้ภายใน 5 นาที ซึ่งช่วยชีวิตนักพัฒนาได้ นอกจากนี้ ยังมีคุณสมบัติต้นทุนต่ำมาก คุณสามารถใช้กล้องที่ซื้อจากร้านค้าในพื้นที่ได้อย่างง่ายดาย

ข้อเสีย: ความสะดวกสบายมาพร้อมกับต้นทุนทรัพยากร CPU ข้อมูลภาพดิบที่ส่งผ่าน USB มีขนาดใหญ่เกินไป USB 2.0 ไม่สามารถจัดการได้ ดังนั้นก่อนอื่นกล้องจะบีบอัดเฟรมโดยใช้ MJPEG หรือ H.264 ภายใน เป็นผลให้ CPU ของคุณต้องจัดสรรพลังการประมวลผลส่วนสำคัญให้กับการขยายการบีบอัด ผู้เริ่มต้นหลายคนบ่นว่าการใช้งานโมเดล YOLO นั้นช้าเกินไป จริงๆ แล้ว CPU นั้นเครียดจากการถอดรหัสเฟรมก่อนที่จะเริ่มการอนุมานโมเดลด้วยซ้ำ หาก SoC รองรับการถอดรหัสฮาร์ดแวร์ VPU และไดรเวอร์ที่เกี่ยวข้องได้รับการกำหนดค่าอย่างเหมาะสม โหลด CPU จากกล้อง USB จะลดลงอย่างมาก แต่เวลาแฝงโดยรวมยังคงไม่ตรงกับ MIPI นอกจากนี้ กระบวนการบีบอัดและคลายการบีบอัดยังนำเสนอเวลาแฝงที่รับรู้ได้ตั้งแต่สิบถึงหลายร้อยมิลลิวินาที

สถานการณ์การใช้งาน: การประชุมทางวิดีโอ กล้องคอมพิวเตอร์ภายนอก การสาธิตอัลกอริทึมในห้องปฏิบัติการ และการตรวจสอบคุณภาพทางอุตสาหกรรมอย่างง่าย หากข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพแบบเรียลไทม์ของคุณไม่เข้มงวดมากนัก และโฮสต์มีพลังการประมวลผลมากเกินไป USB ก็เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุด

เมื่อจำเป็นต้องติดตั้งกล้องบนเพดานโรงอาหาร หรือแม้แต่ทางแยกถนนที่อยู่ห่างออกไปหลายกิโลเมตร สายอีเธอร์เน็ตถือเป็นตัวเลือกที่เป็นสากลและเหมาะสมที่สุด เพื่อตอบสนองความต้องการการตรวจสอบระยะไกลพร้อมกันสูงและระยะไกล ผู้ผลิตฮาร์ดแวร์จึงทุ่มเทความพยายามในการกำหนดค่าอินเทอร์เฟซ ยกตัวอย่างคอมพิวเตอร์อัจฉริยะ LPM3588 ของ Neardi ซึ่งออกแบบโดยเฉพาะสำหรับตลาด NVR (Network Video Recorder) โดยมีการกำหนดค่าที่ทรงพลังอย่างยิ่ง โดยรองรับพอร์ตสูงสุด 5 Gigabit Ethernet (1000M) และพอร์ต Fast Ethernet (100M) 1 พอร์ต การออกแบบนี้สร้างขึ้นเพื่อ "ป้อน" กล้องเครือข่ายความละเอียดสูงหลายตัว แม้ว่าสตรีมวิดีโอความละเอียดสูงตั้งแต่ 6 ช่องขึ้นไปจะมาพร้อมกัน แต่แบนด์วิดธ์ Gigabit ก็สามารถจัดการได้อย่างง่ายดายโดยไม่มีปัญหาคอขวด

LPM3588 NVR คอมพิวเตอร์

ข้อดี: ระยะการส่งข้อมูลที่ยาวมาก (คลาส 100 เมตร) ซึ่งสามารถขยายได้ไม่จำกัดผ่านสวิตช์ สิ่งที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในหมู่นักพัฒนาคือการรองรับ PoE ซึ่งเป็นสายอีเธอร์เน็ตเส้นเดียวที่จัดการทั้งแหล่งจ่ายไฟและการรับส่งข้อมูล การออกแบบหลายพอร์ตเช่นเดียวกับ LPM3588 ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้สวิตช์ภายนอก ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนในการเดินสายของระบบ NVR ลงอย่างมาก

ข้อเสีย: เวลาแฝงค่อนข้างสูง เพราะรูปภาพจะต้องผ่านการบีบอัด แพ็คเกจเครือข่าย การส่งผ่าน และการบีบอัด เมื่อเทียบกับประสิทธิภาพแบบเรียลไทม์ของ MIPI กล้องอีเธอร์เน็ตจะมีความเร็วในการตอบสนองช้ากว่าเล็กน้อย

สถานการณ์การใช้งาน: การตรวจสอบความปลอดภัย เมืองอัจฉริยะ สถิติการสัญจรของผู้คนในโรงอาหาร/ซูเปอร์มาร์เก็ต และเครือข่ายระยะไกลข้ามภูมิภาค พูดง่ายๆ ก็คือ กล้องเกือบทั้งหมดที่ติดตั้งบนผนังหรือเสาไฟฟ้าใช้อินเทอร์เฟซนี้

ในโรงปฏิบัติงานของโรงงาน เหมือง หรือยานพาหนะที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง อินเทอร์เฟซแบบธรรมดาสามารถใช้งานได้เพียงครึ่งวันเท่านั้น อินเทอร์เฟซที่นี่ต้องแก้ปัญหาสำคัญสองประการ: จะรักษาสัญญาณที่สะอาดในสภาพแวดล้อมแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีเสียงดังได้อย่างไร และจะส่งสัญญาณทั้งไกลและเร็วได้อย่างไร?

หลายคนคิดว่า "สัญญาณแอนะล็อก" ควรถูกส่งไปยังพิพิธภัณฑ์มานานแล้ว แต่ AHD ได้พยายามสร้างกลุ่มเฉพาะในยุคดิจิทัล โดยใช้เทคโนโลยีผู้ให้บริการความถี่สูงเพื่อบีบสัญญาณวิดีโอความละเอียดสูงลงในสายโคแอกเชียลแบบเก่า ยิ่งไปกว่านั้น มันยังแข็งแกร่งมากอีกด้วย ในสภาพแวดล้อมที่มีการสั่นสะเทือนสูงและมีสัญญาณรบกวนสูง เช่น ยานพาหนะพิเศษ (เช่น รถขุด รถบรรทุก และรถโดยสาร) อินเทอร์เฟซดิจิทัลที่ซับซ้อนมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาดของหน้าจอเนื่องจากการคลายตัวหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า บอร์ดพัฒนา LPA3588 ของ Neardi ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับสถานการณ์ดังกล่าว โดยรองรับอินพุตกล้อง 1080P AHD ได้สูงสุด 8 ช่อง ลองนึกภาพยานพาหนะเพื่อสุขอนามัยหรือโลจิสติกส์ที่ติดตั้งกล้อง 8 ตัวบริเวณด้านหน้า ด้านหลัง ซ้าย ขวา ด้านบน และด้านล่าง LPA3588 สามารถรับสัญญาณทั้ง 8 ช่องได้อย่างเสถียร และด้วย NPU ของ RK3588 ก็สามารถคาดการณ์การป้องกันการชนกันของขอบเขตเต็มช่วงได้ นี่คือประสิทธิภาพระดับ "กองกำลังพิเศษ" อย่างแท้จริง

LPA3588 โฮสต์ควบคุมยานพาหนะ

ข้อดี: ทนทาน ราคาไม่แพง และระยะการส่งข้อมูลไกล ข้อกำหนดสำหรับสายเคเบิลนั้นต่ำมาก สายโคแอกเซียลใดๆ ก็ตามสามารถส่งสัญญาณได้อย่างเสถียรในระยะ 100 ถึง 200 เมตร และไกลกว่านั้นภายใต้เงื่อนไขเฉพาะ นอกจากนี้ การส่งสัญญาณยังเป็นแบบเรียลไทม์และไม่มีการบีบอัด โดยไม่มีเวลาแฝงที่เกี่ยวข้องกับสายอีเธอร์เน็ต สำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงซึ่งมีงบประมาณจำกัดซึ่งต้องมีการตรวจสอบแบบเรียลไทม์ในระยะไกล (เช่น ภาพวิดีโอของเครนก่อสร้าง) ถือว่าชนะเลิศอย่างไม่มีปัญหา

ข้อเสีย: ไม่รองรับ "การสื่อสารสองทาง" AHD ส่งสัญญาณวิดีโอไปในทิศทางเดียวเป็นหลัก ไม่มีทางใดที่จะส่งคำสั่งที่ซับซ้อนไปยังกล้องได้ (เช่น การปรับพารามิเตอร์เชิงลึก) ผ่านสายเคเบิลนี้ นอกจากนี้ ขีดจำกัดสูงสุดของคุณภาพของภาพยังถูกจำกัดโดยมาตรฐานแอนะล็อก ทำให้ยากต่อการบรรลุความบริสุทธิ์ของสัญญาณดิจิทัล โดยที่สัญญาณรบกวนเล็กน้อยจะมองเห็นได้บนหน้าจอขนาดใหญ่

สถานการณ์การใช้งาน: การอัพเกรดระบบเฝ้าระวังในพื้นที่ที่อยู่อาศัยเก่า ภาพมองหลังและภาพถอยหลังสำหรับรถบัส/รถบรรทุก และแม้แต่อุปกรณ์ปฏิบัติการใต้ดินราคาประหยัดบางประเภท

ปัจจุบันนี้เป็นเทคโนโลยี "ระดับสูงสุด" ในด้านยานยนต์ ลองนึกภาพรถยนต์ขับเคลื่อนอัตโนมัติที่มีกล้องติดตั้งอยู่ที่ด้านหน้า ขณะที่คอมพิวเตอร์ควบคุมหลักอยู่ในท้ายรถ ซึ่งแยกจากกันมากกว่า 10 เมตร และล้อมรอบด้วยสัญญาณรบกวนจากมอเตอร์ไฟฟ้าแรงสูงต่างๆ MIPI ไปไม่ถึงขนาดนั้น USB มีแนวโน้มที่จะล่ม และอีเธอร์เน็ตมีเวลาแฝงสูง ดังนั้นเทคโนโลยี SerDes (Serializer/Deserializer) จึงเกิดขึ้น GMSL มีความโดดเด่นในหมู่พวกเขา โดยจะ "บรรจุสัญญาณ MIPI ที่เปราะบางลงในบล็อกเหล็ก" (การทำให้เป็นอนุกรม) ที่ปลายส่งสัญญาณ ส่งผ่านสายเคเบิลที่มีฉนวนหุ้มที่แข็งแกร่ง จากนั้น "คลายบรรจุภัณฑ์และกู้คืน" สัญญาณเหล่านั้นไปยัง MIPI ที่ปลายรับ

ข้อดี: รอบด้านและประสิทธิภาพสูง บรรลุ "สี่ในหนึ่งเดียวบนสายเคเบิลเส้นเดียว" ที่แท้จริง: สายเคเบิลหนึ่งเส้นจัดการวิดีโอ เสียง สัญญาณควบคุมสองทาง (I2C/UART) และพลังงาน (PoC) พร้อมกัน มีแบนด์วิธที่สูงมาก (รองรับ 8 ล้านพิกเซล, 90fps) โดยมีการควบคุมเวลาแฝงจากต้นทางถึงปลายทางที่ระดับมิลลิวินาที ซึ่งต่ำกว่าโซลูชัน USB หรืออีเธอร์เน็ตอย่างมาก และเป็นไปตามมาตรฐานระดับยานยนต์ที่เข้มงวด

ข้อเสีย: ระบบนิเวศที่มีราคาแพงและปิด ราคาของมันมักจะสูงกว่าโซลูชัน USB ถึงสิบถึงร้อยเท่า นักพัฒนาทั่วไปแทบจะไม่สามารถรับคู่มือโปรโตคอลฉบับสมบูรณ์ได้ และการดีบักมักต้องใช้อุปกรณ์พิเศษราคาแพง

สถานการณ์การใช้งาน: ยานพาหนะขับเคลื่อนอัตโนมัติที่ระดับ L2/L3/L4 หุ่นยนต์ผ่าตัดขั้นสูง และหุ่นยนต์คลังสินค้าเคลื่อนที่ระดับไฮเอนด์ (AGV) เป็นตัวเลือกเดียวสำหรับอุปกรณ์เคลื่อนที่ระดับไฮเอนด์ที่เกี่ยวข้องกับ "สถานการณ์ชีวิตหรือความตาย" หรือ "การตอบสนองแบบเรียลไทม์ที่มีความหน่วงต่ำเป็นพิเศษ"

ไม่มีอินเทอร์เฟซที่ "ดีที่สุด" มีเพียงอินเทอร์เฟซที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสถานการณ์เท่านั้น ใช้ USB สำหรับการสาธิตในห้องปฏิบัติการ, MIPI สำหรับผลิตภัณฑ์ประสิทธิภาพสูง, RJ45 สำหรับการตรวจสอบระยะไกล และพยายามอย่างเต็มที่สำหรับ GMSL เมื่อพูดถึงยานยนต์หรือแอปพลิเคชันระบบอัตโนมัติระดับไฮเอนด์