In de wereld van embedded vision-systemen zijn camera-interfaces de neurale circuits die beeldsensoren verbinden met verwerkingskernen, en bepalen hoe gegevens efficiënt en betrouwbaar worden verzonden.
In de huidige embedded devices heeft de keuze van de camera-interface een cruciale impact op de prestaties, het stroomverbruik en de kosten van het gehele vision-systeem. Van smartphones tot zelfrijdende auto's, van industriële tests tot medische beeldvorming, verschillende toepassingsscenario's vereisen verschillende interface-oplossingen.
MIPI CSI-2 is momenteel de meest populaire camera-interfacestandaard in mobiele en embedded devices. De efficiënte gegevensoverdrachtmogelijkheden en het lage stroomverbruik maken het de voorkeurskeuze voor de meeste slimme apparaten.

01 Interface Overzicht en Ontwikkelingsgeschiedenis

De ontwikkeling van embedded camera-interfacetechnologie heeft een evolutionair proces doorgemaakt van analoog naar digitaal, en van laag- naar hoog-snelheid. Vroege embedded devices gebruikten voornamelijk analoge interfaces zoals CVBS, maar naarmate de vraag naar digitale beeldverwerking groeide, werden digitale interfaces geleidelijk mainstream.
Eind jaren 90 werden parallelle digitale interfaces populair, en vervolgens, om te voldoen aan de vraag naar hogere resoluties en framesnelheden, kwamen high-speed seriële interfaces op. De MIPI Alliance bracht in 2005 de CSI-2-standaard uit, die nu de de facto industriestandaard is geworden.
Momenteel omvatten mainstream interfaces MIPI CSI-2, DVP, USB en LVDS. Elke interface heeft zijn eigen specifieke toepassingsscenario's en voor- en nadelen. Het begrijpen van de kenmerken en verschillen van deze interfaces is cruciaal voor het ontwerpen van embedded vision-systemen.

02 MIPI CSI-2 Interface

MIPI CSI-2 (Camera Serial Interface 2) is een seriële camera-interfacestandaard ontwikkeld door de Mobile Industry Processor Interface Alliance en wordt nu veel gebruikt in verschillende embedded devices.
CSI-2 maakt gebruik van een gelaagde architectuur: de fysieke laag (PHY) gebruikt het D-PHY- of C-PHY-protocol, de datalinklaag biedt pakketformattering en foutdetectie, en de applicatielaag verwerkt pixel-naar-byte-mapping.
Deze interface ondersteunt meerdere gegevenstypen: videogegevens, synchronisatiesignalen, embedded data en door de gebruiker gedefinieerde gegevens. De multi-channel aard maakt parallelle transmissie over meerdere datakanalen mogelijk om de bandbreedte te vergroten.
De belangrijkste voordelen van CSI-2 zijn onder meer hoge bandbreedte (tot 6 Gbps/kanaal), laag stroomverbruik, sterke anti-interferentie mogelijkheden en een klein aantal pinnen. De nadelen zijn echter het complexe protocol, de vereiste voor gespecialiseerde ontvangers en de relatieve moeilijkheid van debugging.

03 DVP Parallelle Interface

DVP (Digital Video Port) is een traditionele parallelle digitale video-interface die een 8/10/12/16-bits databus gebruikt, samen met horizontale en verticale synchronisatiesignalen en een pixelklok voor gegevensoverdracht.
De DVP-interface heeft een eenvoudige structuur: een databus (DATA), een pixelklok (PCLK), horizontale synchronisatie (HSYNC), verticale synchronisatie (VSYNC) en enkele controlesignalen. Gegevensoverdracht wordt geactiveerd door de rand van de pixelklok.
De voordelen van deze interface zijn het eenvoudige protocol, de eenvoudige implementatie en debugging, en het ontbreken van een speciale ontvanger, waardoor directe aansluiting op algemene MCU's mogelijk is. De nadelen zijn echter een groot aantal pinnen, korte transmissieafstand, gevoeligheid voor interferentie en beperkte bandbreedte.
DVP is geschikt voor toepassingen met lage resolutie en lage framesnelheid, zoals eenvoudige bewaking en instapniveau scanapparatuur. De maximale bandbreedte overschrijdt doorgaans niet 200 Mbps.

04 USB Video Interface

De USB-camera-interface wordt voornamelijk gebruikt om verbinding te maken met host-apparaten. Het voldoet aan de UVC (USB Video Class) -standaard en werkt correct op de meeste besturingssystemen zonder speciale drivers te installeren.
Er zijn verschillende versies van de USB-interface: USB 2.0 biedt 480 Mbps bandbreedte, USB 3.0 verhoogt tot 5 Gbps en de nieuwste USB4 bereikt tot 40 Gbps. Latere versies ondersteunen hogere resoluties en framesnelheden.
De voordelen van deze interface zijn de veelzijdigheid, de eenvoudige hot-swappability en de ondersteuning voor langeafstandstransmissie (via verlengkabels). De nadelen zijn echter een hoog stroomverbruik en hoge latentie, waardoor het ongeschikt is voor toepassingen die extreem hoge real-time prestaties vereisen.
USB-camera's worden veel gebruikt in pc-randapparatuur, videoconferentiesystemen, consumentenbewaking en andere gebieden, en bieden een van de eenvoudigste manieren om verbinding te maken met een host-apparaat.

05 Andere Gespecialiseerde Interfaces

De LVDS (Low Voltage Differential Signaling) interface maakt gebruik van differentiële signalering, biedt een sterke immuniteit tegen interferentie en is geschikt voor langeafstandstransmissie. Het wordt vaak gebruikt in industriële camera's en automotive camera's.
De GigE (Gigabit Ethernet) interface verzendt videogegevens via Ethernet, ondersteunt ultra-langeafstandstransmissie (tot 100 meter), waardoor het geschikt is voor industriële machine vision en grootschalige bewakingssystemen. Camera Link is een high-speed interface die speciaal is ontworpen voor industriële vision en een bandbreedte biedt tot 7 Gbps. Het is echter relatief duur en wordt voornamelijk gebruikt in high-end industriële inspectieapparatuur.

06 Overwegingen bij Interface Selectie

Bij het kiezen van een camera-interface moet rekening worden gehouden met verschillende factoren: bandbreedtevereisten (resolutie × framesnelheid × kleurendiepte), beperkingen op het stroomverbruik, transmissieafstand, systeemcomplexiteit en kostenbudget.
Voor mobiele apparaten heeft MIPI CSI-2 de voorkeur vanwege het lage stroomverbruik en de hoge efficiëntie. Eenvoudige toepassingen kunnen DVP kiezen om de kosten te verlagen.Voor pc-verbindingen is USB geschikt.Voor industriële omgevingen, overweeg GigE of Camera Link.
Compatibiliteit is ook een belangrijke overweging: ondersteuning van de processorinterface, rijkdom van het software-ecosysteem en beschikbaarheid van ontwikkelingsbronnen beïnvloeden allemaal de beslissing over de interface-selectie.

07 Praktische Toepassingsvoorbeelden

In smartphones is MIPI CSI-2 de absolute mainstream. Multi-camerasystemen verbinden met de processor via de CSI-2-interface en delen datakanalen.
Ontwikkelborden zoals de Raspberry Pi bieden zowel CSI-2- als DVP-interfaces. CSI-2 wordt gebruikt om verbinding te maken met hoogwaardige cameramodules, terwijl DVP compatibel is met eenvoudige sensoren.
Automotive camera's gebruiken doorgaans LVDS of speciale automotive Ethernet omdat ze langeafstandstransmissie en een betere immuniteit tegen interferentie vereisen.
Industriële inspectieapparatuur kiest GigE of Camera Link-interfaces op basis van de snelheidsvereisten. De eerste is geschikt voor toepassingen met gemiddelde snelheid, terwijl de laatste voldoet aan hoge snelheids- en hoge precisie-eisen.

08 Toekomstige Ontwikkelingstrends

Camera-interfacetechnologie evolueert naar hogere snelheden, lager stroomverbruik en grotere eenvoud. MIPI CSI-3 gebruikt de nieuwere M-PHY fysieke laag, die een hogere bandbreedte en een betere energie-efficiëntie biedt.
Opkomende interconnecttechnologieën zoals Compute Express Link (CXL) kunnen in de toekomst ook van invloed zijn op het camera-interfaceveld en lagere latentie en hogere bandbreedte connectiviteitsoplossingen bieden. Draadloze camera-interfaces evolueren ook.Zo maken WiFi 6 en 5G-technologieën bijvoorbeeld draadloze video-overdracht met hoge definitie mogelijk,en bieden nieuwe oplossingen voor drones en VR/AR-apparaten.

Toen een slimme thuisbedrijf een nieuwe deurbelcamera ontwikkelde, koos het aanvankelijk een DVP-interface om de kosten te verlagen, maar ontdekte dat de videolatijd ernstig was en de gebruikerservaring slecht.

Na over te schakelen naar een MIPI CSI-2, hoewel de kosten iets stegen, verbeterde de videofluiditeit aanzienlijk en ontving positieve marktbeoordelingen. Deze casestudy illustreert de kritieke impact van interface-selectie op de productprestaties.

Samenvattend, het selecteren van de juiste embedded camera-interface vereist een evenwicht tussen prestaties, stroomverbruik, kosten en complexiteit. Het begrijpen van de technische kenmerken en toepasselijke scenario's van verschillende interfaces is cruciaal voor het maken van de beste keuze voor een specifieke toepassing.

Technische beslissingen mogen niet uitsluitend gebaseerd zijn op één enkele parameter; in plaats daarvan moeten ze de systeemvereisten, ontwikkelingsbronnen en productpositionering uitgebreid in overweging nemen om het meest geschikte visuele transmissiekanaal te selecteren.