Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Значимость интерфейса MIPI CSI-2 во встраиваемых системах машинного зрения

Значимость интерфейса MIPI CSI-2 во встраиваемых системах машинного зрения

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Значимость интерфейса MIPI CSI-2 во встраиваемых системах машинного зрения

Популярность встраиваемых систем машинного зрения стремительно растет. Встраиваемые системы на базе интегрируемой процессорной платы и модуля камеры позволяют экономично и в то же время эффективно решать задачи технологий визуализации
Томас
Радемахер
Менеджер по продукции компании BaslerAG, доктор наук
Франк
Карстенс
Менеджер по продукции компании Basler AG

Интерфейс, обеспечивающий взаимодействие между модулем на базе камеры и хост-системой, играет важную роль в архитектуре встраиваемой системы машинного зрения. Например, можно использовать интерфейс USB 3.0 с технологией Plug-and-Play, а также интерфейсы с технологией LVDS (Low Voltage Differential Signaling - низковольтная дифференциальная передача сигналов), особенно в случае систем на базе FPGA. Тем не менее во многих случаях оптимальным выбором будет интерфейс MIPI CSI-2.

Какую роль этот интерфейс играет во встраиваемых системах машинного зрения и какие характеристики он предлагает?

Что такое MIPI?

Альянс MIPI Alliance (Mobile Industry Processor Interface Alliance) - это ассоциация, в которой состоят почти все производители программного обеспечения и оборудования в индустрии мобильной связи и электроники для развлечений. Ее основная цель заключается в стандартизации всех важных интерфейсов, обеспечивающих взаимодействие между процессором мобильного устройства и периферийными компонентами (сенсоры, камеры, интерфейсы ввода, дисплеи и т.д.). Благодаря этому производителям периферии для мобильных устройств проще адаптировать свои компоненты к различным типам процессоров, а производителям процессоров доступен более широкий ассортимент потенциально совместимых периферийных устройств. Таким образом, обе стороны получают выгоду за счет экономии на процессах разработки и производства.

Хорошо известное семейство стандартов MIPI содержит спецификации интерфейсов DSI (Display Serial Interface – последовательный интерфейс дисплея) и CSI (Camera Serial Interface – последовательный интерфейс камеры), которые мы рассмотрим более подробно.

Хорошо известное семейство стандартов MIPI содержит спецификации интерфейсов DSI (Display Serial Interface – последовательный интерфейс дисплея) и CSI (Camera Serial Interface – последовательный интерфейс камеры)

Сравнение MIPI CSI-2 с отраслевыми стандартами (GenICam и т.п.)

Спецификация MIPI CSI-2 описывает физический уровень передачи сигнала (D-PHY или C-PHY), а также базирующийся на нем протокол CSI-2 для передачи данных изображения. Этот стандарт в том числе определяет интерфейс для настройки камеры по шине I²C, а именно CCI (Camera Control Interface – интерфейс управления камерой).

Данные изображения передаются последовательно по отдельным линиям передачи сигналов. Максимальная пропускная способность зависит от количества этих линий, при этом на практике обычно используются две или четыре линии.


Термины C-PHY и D-PHY относятся к физическому уровню архитектуры и определяют максимальную скорость передачи на каждую линию. В настоящее время широко используется D-PHY с дифференциальной передачей сигнала по двум линиям и линией синхросигнала, общей для всех линий. Максимальная скорость передачи данных при этом составляет 2,5 Гбит/с на линию.

CCI (Camera Control Interface – интерфейс управления камерой), который служит в качестве протокола настройки камеры, физически основан на стандарте I²C, однако его характеристики могут варьироваться в зависимости от производителя.

Спецификация MIPI CSI-2 обычно очень близка к аппаратному обеспечению. В отличие от стандартов семейства GenICam, широко используемых на рынке обработки изображений, в спецификации MIPI CSI-2 не хватает стандартизированного программного стека, стандартизированного интерфейса программирования (Application Programming Interface, API), как, например, GenAPI, и стандартизированного интерфейса данных изображения (например, GenTL).

Каковы преимущества интерфейса MIPI?

Рынок мобильных устройств огромен, и процессоры в этой отрасли производятся в колоссальных объемах. Величина спроса и конкурентное давление обусловливают производство все более высокопроизводительных процессоров в условиях стремительного развития современных технологий. Сегодня даже самые недорогие, бюджетные процессоры обычно оснащаются двумя интерфейсами MIPI CSI-2 с двумя или четырьмя линиями.


Многие производители, которые ранее выпускали процессоры только для мобильных устройств (например, Qualcomm, Rockchip, Samsung), открыли для себя новый интересный рынок промышленной обработки изображений и теперь также предлагают комплектующие для промышленной сферы (порой через поставляющих готовые модули партнеров) – в меньших объемах, но с гарантией долгосрочной доступности. В то же время наиболее типичные процессорные платы для встраиваемых систем (семейство процессоров i.MX от NXP, некоторые однокристальные системы Sitarra от TI, NVIDIA, однокристальные системы Intel Atom и т.д.) сегодня также оснащаются MIPI CSI-2. Так что можно говорить о том, что этот новый интерфейс практически незаменим в сфере обработки изображений. Стандарт CSI-2 открыл возможности создания недорогих систем машинного зрения с низким ресурсопотреблением, в которых сенсоры или модули на базе камер работают с высокой пропускной способностью. Однако тот факт, что процессоры стоят недорого и продолжают дешеветь, – далеко не единственная причина снижения их удельной себестоимости. Учитывая многообразие процессоров на рынке, у разработчиков отсутствуют ограничения в выборе оптимальной архитектуры системы в зависимости от поставленных задач. Благодаря этому можно добиться дополнительных преимуществ, в том числе снижения энергопотребления встраиваемой системы.

Многие производители, которые ранее выпускали процессоры только для мобильных устройств (например, Qualcomm, Rockchip, Samsung), открыли для себя новый интересный рынок промышленной обработки изображений и теперь также предлагают комплектующие для промышленной сферы – в меньших объемах, но с гарантией долгосрочной доступности

С технологической точки зрения MIPI CSI-2 допускает разработку чрезвычайно компактных систем, в которых можно использовать плоский гибкий кабель для подключения плат между собой. В противном случае возможно использовать только интерфейсы с технологией LVDS и, разумеется, никак не USB 3.0, разъем которого занимает значительно больше места. Доступное пространство является одним из наиболее важных факторов при разработке различных устройств, основанных на встраиваемых системах, поэтому интерфейс USB 3.0 в этом случае вообще не рассматривается в качестве альтернативы.

При использовании интерфейса MIPI CSI-2 данные изображения могут передаваться непосредственно от модуля камеры или сенсора на процессор. Это устраняет необходимость промежуточной обработки или преобразования данных, как в случае с USB 3.0: по сути, данные передаются "напрямую", что сказывается на показателях потребления ресурсов процессора. Соответствующие аппаратные компоненты (например, микроконтроллер) также не требуются. Именно благодаря этим условиям становится возможным разрабатывать встраиваемые системы с чрезвычайно низким ресурсопотреблением.

Каковы ограничения интерфейса MIPI CSI-2?

Несмотря на всю свою привлекательность, к сожалению, MIPI CSI-2 также имеет несколько недостатков, которые следует учитывать на этапе разработки.

  1. Длина кабеля. К сожалению, допускается использовать только короткие кабели – обычно длиной не более 20–30 см. Для мобильных устройств, таких как смартфоны, это не принципиально, однако может стать проблемой в случае промышленных систем.
  2. Разъемы. Альянс MIPI Alliance не предлагает стандартный разъем. Как следствие, сенсоры (модули) камер всегда подключаются в индивидуальном порядке. Для этого обычно требуется адаптация аппаратного обеспечения, например с помощью адаптерной платы.
  3. Драйверы. Кроме того, в стандарте MIPI CSI-2 не определены ни стек драйверов, ни программный стек. Как правило, разработчику необходимо специально адаптировать сенсор или модуль камеры для использования с драйвером CSI-2 или выбранной однокристальной системой (SoC). При выборе сенсора (модуля) камеры, разработанного под SoC, следует убедиться в наличии соответствующих драйверов. Это сужает выбор сенсоров и однокристальных систем.
  4. Форматы изображения. Большинство драйверов CSI-2 поддерживают только несколько форматов изображения.
  5. API камеры. Тем, кто регулярно занимается обработкой изображений, привычны стандарты семейства GenICam, которые гарантируют полный доступ ко всем функциям камеры благодаря стандартизированному API камеры.

С MIPI CSI-2 история другая: здесь в отсутствие стандартизированных обозначений функций и стандартизированного API существенно осложняется повторное использование существующего программного кода при переходе с одной модели модуля камеры на другую или с одной однокристальной системы на другую. Со всеми этими сложностями можно справиться, однако затраты на разработку и производство могут возрасти.

Стехнологической точки зрения MIPI CSI-2 допускает разработку чрезвычайно компактных систем, в которых можно использовать плоский гибкий кабель для подключения плат между собой. В противном случае возможно использовать только интерфейсы с технологией LVDS и, разумеется, никак не USB 3.0, разъем которого занимает значительно больше места

Резюме

Интерфейс MIPI CSI-2 идеально подходит для встраиваемых систем машинного зрения, для которых важными факторами выступают низкое ресурсопотребление и доступная стоимость. Тем не менее интеграция модуля камеры в такую систему является непростой задачей, особенно в части программного обеспечения: может потребоваться адаптировать драйверы и интерфейсы данных изображения. Кроме того, существуют другие ограничения, которые следует учитывать, например аппаратные.

Чтобы разработчики систем могли достоверно оценить свою загрузку, необходимо предварительно определить объем работ и совместимость драйверов, а также потенциально существующее программное обеспечение камеры и интерфейсы программирования. Это хороший выбор, если имеются соответствующие драйверы, которые не только поддерживают поток данных изображения, но также предлагают дополнительные возможности (например, функции управления камерой) и программные интерфейсы. При наличии приемлемых вариантов открываются возможности разработки эффективной системы машинного зрения, а значит и высокопроизводительного конечного продукта.

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #4, 2018
Посещений: 1886


  Автор
Томас Радемахер

Томас Радемахер

Менеджер по продукции компании Basler AG, доктор наук

Всего статей:  2


  Автор
Франк Карстенс

Франк Карстенс

Менеджер по продукции компании Basler AG

Всего статей:  1

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций