Nel mondo dei sistemi di visione incorporati, le interfacce della fotocamera sono i circuiti neurali che collegano i sensori di immagine ai core di elaborazione, determinando come i dati vengono trasmessi in modo efficiente e affidabile.
Negli attuali dispositivi embedded, la scelta dell'interfaccia della fotocamera ha un impatto cruciale sulle prestazioni, sul consumo di energia e sul costo dell'intero sistema di visione.dal test industriale all'imaging medico, diversi scenari di applicazione richiedono soluzioni di interfaccia diverse.
MIPI CSI-2 è attualmente lo standard di interfaccia della fotocamera più popolare nei dispositivi mobili e embedded.Le sue efficienti capacità di trasmissione dei dati e il suo basso consumo energetico lo rendono la scelta preferita per la maggior parte dei dispositivi intelligenti.

01 Visualizzazione e storia dello sviluppo dell'interfaccia

Lo sviluppo della tecnologia di interfaccia della fotocamera incorporata ha subito un processo evolutivo da analogo a digitale e da bassa velocità ad alta velocità.I primi dispositivi embedded utilizzavano principalmente interfacce analogiche come CVBS, ma man mano che la domanda di elaborazione digitale delle immagini cresceva, le interfacce digitali divennero gradualmente mainstream.
Alla fine degli anni '90, le interfacce digitali parallele divennero popolari e successivamente, per soddisfare la domanda di risoluzioni e frame rate più elevate, sono emerse interfacce seriali ad alta velocità.La MIPI Alliance ha rilasciato lo standard CSI-2 nel 2005, che è ormai diventato lo standard di fatto del settore.
Attualmente, le interfacce tradizionali includono MIPI CSI-2, DVP, USB e LVDS. Ogni interfaccia ha i propri scenari di applicazione specifici e vantaggi e svantaggi.La comprensione delle caratteristiche e delle differenze di queste interfacce è fondamentale per la progettazione di sistemi di visione incorporati.

02 Interfaccia MIPI CSI-2

MIPI CSI-2 (Camera Serial Interface 2) è uno standard di interfaccia seriale per fotocamere sviluppato dalla Mobile Industry Processor Interface Alliance ed è ora ampiamente utilizzato in vari dispositivi embedded.
CSI-2 utilizza un'architettura a strati: il livello fisico (PHY) utilizza il protocollo D-PHY o C-PHY, il livello di collegamento dati fornisce la formattazione dei pacchetti e il rilevamento degli errori,e il livello di applicazione gestisce la mappatura pixel-to-byte.
Questa interfaccia supporta più tipi di dati: dati video, segnali di sincronizzazione, dati incorporati e dati definiti dall'utente.La sua natura multicanale consente la trasmissione parallela su più canali di dati per aumentare la larghezza di banda.
I principali vantaggi di CSI-2 includono l'elevata larghezza di banda (fino a 6 Gbps/canale), basso consumo di energia, forti capacità anti-interferenza e un basso numero di pin.i suoi svantaggi sono il protocollo complesso, la necessità di ricevitori specializzati e la relativa difficoltà di debug.

03 Interfaccia parallela DVP

DVP (Digital Video Port) è una tradizionale interfaccia video digitale parallela che utilizza un bus dati da 8/10/12/16 bit,con segnali di sincronizzazione orizzontali e verticali e un orologio pixel per la trasmissione dei dati.
L'interfaccia DVP ha una struttura semplice: un bus dati (DATA), un orologio pixel (PCLK), sincronizzazione orizzontale (HSYNC), sincronizzazione verticale (VSYNC) e alcuni segnali di controllo.La trasmissione dei dati è innescata dal bordo dell'orologio pixel.
I vantaggi di questa interfaccia sono il suo protocollo semplice, la facilità di implementazione e debugging e l'assenza di un ricevitore dedicato, che consente la connessione diretta a MCU di uso generale.i suoi svantaggi includono un gran numero di perni, breve distanza di trasmissione, suscettibilità alle interferenze e larghezza di banda limitata.
Il DVP è adatto per applicazioni a bassa risoluzione e basso frame rate, come la semplice sorveglianza e le apparecchiature di scansione entry-level.

04 Interfaccia video USB

L'interfaccia della fotocamera USB è utilizzata principalmente per connettersi ai dispositivi host.Aderisce allo standard UVC (USB Video Class) e funziona correttamente sulla maggior parte dei sistemi operativi senza installare driver specializzati.
Esistono diverse versioni dell'interfaccia USB: USB 2.0 offre 480Mbps di larghezza di banda, USB 3.0 aumenta a 5Gbps e l'ultima USB4 raggiunge fino a 40Gbps.Le versioni successive supportano risoluzioni e frame rate più elevate.
I vantaggi di questa interfaccia sono la sua versatilità, la sua facile intercambiabilità a caldo e il supporto per la trasmissione a lunga distanza (tramite cavi di estensione).i suoi svantaggi sono l'elevato consumo di energia e l'elevata latenza, che lo rende inadatto per applicazioni che richiedono prestazioni in tempo reale estremamente elevate.
Le telecamere USB sono ampiamente utilizzate in periferiche per PC, sistemi di videoconferenza, sorveglianza dei consumatori e altri campi, offrendo uno dei modi più semplici per connettersi a un dispositivo host.

05 Altre interfacce specializzate

L'interfaccia LVDS (Low Voltage Differential Signaling) utilizza la segnalazione differenziale, offre una forte immunità alle interferenze ed è adatta per la trasmissione a lunga distanza.È comunemente usato nelle fotocamere industriali e nelle fotocamere automobilistiche.
L'interfaccia GigE (Gigabit Ethernet) trasmette dati video su Ethernet, supportando la trasmissione a distanza ultra lunga (fino a 100 metri),che lo rende adatto per sistemi industriali di visione artificiale e di sorveglianza su larga scala. Camera Link è un'interfaccia ad alta velocità progettata specificamente per la visione industriale, che offre larghezza di banda fino a 7 Gbps.è relativamente costoso e utilizzato principalmente in apparecchiature di ispezione industriali di fascia alta.

06 Considerazioni per la selezione dell'interfaccia

Quando si sceglie un'interfaccia della fotocamera, si devono considerare diversi fattori: requisiti di larghezza di banda (risoluzione × velocità di fotogramma × profondità di colore), vincoli di consumo di energia, distanza di trasmissione, complessità del sistema,e budget dei costi.
Per i dispositivi mobili, MIPI CSI-2 è preferito per il suo basso consumo di energia e l'elevata efficienza.Per le connessioni PC, USB è adatto.Per gli ambienti industriali, considera GigE o Camera Link.
La compatibilità è anche una considerazione chiave: il supporto dell'interfaccia del processore, la ricchezza dell'ecosistema software e la disponibilità di risorse di sviluppo influenzano tutte la decisione di selezione dell'interfaccia.

07 Esempi di applicazione pratica

Nei smartphone, MIPI CSI-2 è l'assoluto mainstream.
Le schede di sviluppo come il Raspberry Pi offrono interfacce CSI-2 e DVP.
Le telecamere automobilistiche utilizzano in genere LVDS o Ethernet automobilistico dedicato perché richiedono una trasmissione a lunga distanza e una migliore immunità alle interferenze.
Le apparecchiature di ispezione industriale scelgono le interfacce GigE o Camera Link in base alle esigenze di velocità.mentre quest'ultimo soddisfa i requisiti di alta velocità e di alta precisione.

08 Tendenze future dello sviluppo

La tecnologia dell'interfaccia della fotocamera si sta evolvendo verso velocità più elevate, minore consumo di energia e maggiore semplicità.fornendo una maggiore larghezza di banda e una migliore efficienza energetica.
Le tecnologie di interconnessione emergenti come il Compute Express Link (CXL) potrebbero anche avere un impatto sul campo dell'interfaccia della fotocamera in futuro, offrendo soluzioni di connettività a bassa latenza e larghezza di banda superiore.Anche le interfacce delle telecamere wireless stanno evolvendo.Ad esempio, le tecnologie WiFi 6 e 5G consentono la trasmissione di video wireless ad alta definizione,fornire nuove soluzioni per i droni e i dispositivi VR/AR.

Quando una società di smart home ha sviluppato una nuova telecamera a campanello, inizialmente ha scelto un'interfaccia DVP per ridurre i costi, ma ha scoperto che la latenza video era grave e l'esperienza dell'utente era scarsa.

Dopo il passaggio a unMIPI CSI-2, mentre il costo è aumentato leggermente, la fluidità video è migliorata significativamente e ha ricevuto recensioni positive dal mercato.Questo caso di studio illustra l'impatto critico della selezione dell'interfaccia sulle prestazioni del prodotto.

In sintesi, la selezione della giusta interfaccia della fotocamera incorporata richiede un equilibrio tra prestazioni, consumo di energia, costo e complessità.La comprensione delle caratteristiche tecniche e degli scenari applicabili delle varie interfacce è fondamentale per fare la scelta migliore per una specifica applicazione.

Le decisioni tecniche non dovrebbero basarsi esclusivamente su un singolo parametro, ma dovrebbero considerare in modo completo i requisiti del sistema, le risorse di sviluppo,e posizionamento del prodotto per selezionare il canale di trasmissione visiva più appropriato.