USB 3.0 против MIPI CSI-2 для высокоразрешающего встроенного зрения: техническое углубленное исследование

В области высокоразрешающих встроенных систем визуализации выбор интерфейса может значительно повлиять на производительность, стоимость и сложность системы. Два основных интерфейса в этой области - это USB 3.0 и MIPI CSI-2. Этот блог-пост глубоко погружается в технические аспекты этих интерфейсов, чтобы помочь вам принять обоснованное решение для ваших проектов встроенной визуализации.

USB 3.0, также известный как SuperSpeed USB, был представлен для удовлетворения растущего спроса на высокоскоростную передачу данных. Он предлагает значительное увеличение пропускной способности по сравнению с его предшественниками, с максимальной теоретической скоростью передачи 5 Гбит/с (гигабит в секунду). Эта высокая пропускная способность делает его подходящим для широкого спектра приложений, включая потоковую передачу видео высокого разрешения от камер к хост-системам в встроенных системах зрения.​

USB 3.0 использует более сложный дизайн физического уровня по сравнению с предыдущими версиями USB. Он имеет девять проводов, из которых четыре предназначены для передачи данных (два для передачи и два для приема) в схеме дифференциальной сигнализации. Эта дифференциальная сигнализация помогает уменьшить электромагнитные помехи (EMI) и позволяет достигать более высоких скоростей передачи данных на больших длинах кабеля. Стандарт также поддерживает большие длины кабелей по сравнению с некоторыми другими интерфейсами, обычно до 5 метров без необходимости в дополнительных повторителях или усилителях.

Протокол USB 3.0 разработан с учетом обратной совместимости с устройствами USB 2.0 и USB 1.1. Он использует пакетную систему передачи данных, где данные делятся на пакеты для передачи. Протокол включает различные типы пакетов, такие как токен-пакеты, пакеты данных и пакеты рукопожатия, чтобы обеспечить надежную передачу данных. USB 3.0 также поддерживает различные типы передачи, включая пакетную передачу, которая обычно используется для передачи данных большого объема, таких как видеопотоки с камер. Этот тип передачи позволяет эффективно использовать доступную пропускную способность.

Одним из преимуществ USB 3.0 является его улучшенная способность управления питанием. Он может подавать больше энергии подключенным устройствам по сравнению с USB 2.0, до 900 мА (миллиампер) в некоторых случаях. Эта функция полезна для встроенных камер с высоким разрешением, которые могут требовать дополнительной мощности для высококачественной съемки и обработки. Кроме того, USB 3.0 поддерживает состояния управления питанием, такие как Приостановка и Возобновление, что помогает снизить потребление энергии, когда устройство не активно передает данные.

MIPI CSI-2 (Интерфейс процессора мобильной индустрии КамераСерийный интерфейс 2) является стандартом интерфейса высокой производительности, специально разработанным для мобильных и встроенных приложений, особенно для связи между камерой и процессором. Он приобрел значительную популярность на рынке встроенного зрения благодаря своей способности обрабатывать видеоданные высокого разрешения с низким потреблением энергии и высокой эффективностью.

MIPI CSI-2 обычно использует дифференциальную схему сигнализации, аналогичную USB 3.0, но с более оптимизированным дизайном для передачи данных на короткие расстояния и с высокой скоростью. Обычно он состоит из набора линий данных (обычно от 1 до 4 линий) и управляющей линии. Каждая линия данных может поддерживать высокие скорости передачи данных, при этом последние версии MIPI CSI-2 способны достигать до 2,5 Гбит/с на линию. Это приводит к общей пропускной способности до 10 Гбит/с при использовании четырех линий. Физический уровень MIPI CSI-2 разработан так, чтобы быть компактным и маломощным, что делает его идеальным для встроенных систем с ограниченным пространством и чувствительных к потреблению энергии.

Протокол MIPI CSI-2 высоко оптимизирован для передачи видеоданных. Он использует пакетный формат данных, в котором видеоданные организованы в пакеты для эффективной передачи. Протокол включает такие функции, как коррекция ошибок и управление потоком, чтобы обеспечить надежную доставку данных. MIPI CSI-2 также поддерживает различные режимы передачи данных, включая режим всплеска и непрерывный режим, которые могут быть настроены в соответствии с требованиями камеры и хост-системы. Кроме того, протокол разработан для тесной работы с процессорами обработки изображений (ISP) в камере, что позволяет эффективно обрабатывать и передавать необработанные или обработанные данные изображения.

Управление энергопотреблением является ключевым аспектом MIPI CSI-2. Он разработан для работы с низким потреблением энергии, что имеет решающее значение для встроенных устройств с питанием от батарей. Интерфейс может переходить в режимы низкого энергопотребления, когда не используется, что снижает общее потребление энергии. Это достигается за счет таких функций, как отключение тактового сигнала и режимы отключения питания для отдельных линий. Возможности управления энергопотреблением MIPI CSI-2 делают его привлекательным выбором для приложений, где срок службы батареи является критическим фактором, таких как носимые устройства или мобильные роботы.​

Когда речь заходит о пропускной способности, MIPI CSI-2 имеет преимущество с точки зрения сырой теоретической емкости. С максимальной пропускной способностью 10 Гбит/с (с использованием четырех линий) он может обрабатывать видео данные с чрезвычайно высоким разрешением, такими как 8K или даже более высокие разрешения, с легкостью. USB 3.0, с другой стороны, предлагает максимум 5 Гбит/с. В практических сценариях MIPI CSI-2 может обеспечить более высокую чистую пропускную способность изображения благодаря меньшим накладным расходам протокола. Тем не менее, USB 3.0 по-прежнему хорошо работает для многих приложений с высоким разрешением, особенно тех, которые не требуют самых высоких уровней разрешения или частоты кадров.

USB 3.0 поддерживает более длинные кабели, обычно до 5 метров, что может быть преимуществом в приложениях, где камера и хост-система должны быть физически разделены. В отличие от этого, MIPI CSI-2 в основном предназначен для короткосрочных соединений, длина кабеля обычно ограничена около 30 см. Эта короткая длина кабеля обусловлена высокой скоростью интерфейса и необходимостью минимизировать деградацию сигнала. Для приложений, где камера и процессор тесно интегрированы на одной плате или в устройстве небольшого форм-фактора, требование MIPI CSI-2 к короткой длине кабеля не является недостатком.

MIPI CSI-2 славится своим низким потреблением энергии, что делает его отличным выбором для встроенных систем, работающих от батареи или чувствительных к потреблению энергии. Его функции управления энергией, такие как низкопотребляющие состояния и эффективное использование энергии во время передачи данных, способствуют этому преимуществу. USB 3.0, хотя и имеет улучшенное управление энергией по сравнению с предыдущими версиями, в целом потребляет больше энергии, особенно при работе на высоких скоростях передачи данных. Эта разница в потреблении энергии может стать решающим фактором в приложениях, где срок службы батареи или общая энергоэффективность являются критически важными.

С точки зрения стоимости, USB 3.0 имеет преимущество в том, что это более широко принятый и стандартизированный интерфейс. Существует большая экосистема компонентов, совместимых с USB 3.0, включая камеры, контроллеры хоста и кабели, что может привести к снижению затрат. Кроме того, природа plug-and-play USB 3.0 упрощает интеграцию системы и снижает время и затраты на разработку. MIPI CSI-2, с другой стороны, может требовать более специализированных компонентов и драйверов, особенно в не мобильных приложениях. Это может привести к более высоким затратам, особенно для маломасштабного производства. Однако в приложениях с высоким объемом мобильных и встроенных систем стоимость компонентов MIPI CSI-2 может быть конкурентоспособной.

USB 3.0 имеет обширную и хорошо развитую экосистему. Он совместим с широким спектром операционных систем, включая Windows, Linux и macOS, а также с многими различными типами хост-устройств. Эта широкая совместимость облегчает интеграцию камер USB 3.0 в существующие системы. MIPI CSI-2, хотя в основном нацелена на мобильные и встроенные платформы, имеет растущую экосистему, особенно в областях робототехники, промышленной автоматизации и автомобильных приложений. Однако его совместимость может быть более ограниченной для конкретных семейств процессоров и операционных систем, которые поддерживают протокол MIPI.

Системы промышленной инспекции: В промышленных условиях, где камеры необходимо размещать на различных расстояниях от контрольной системы, поддержка большей длины кабеля USB 3.0 является полезной. Например, на большом производственном заводе камеры могут использоваться для инспекции продуктов на конвейерных лентах в различных точках вдоль производственной линии, а интерфейс USB 3.0 позволяет легко подключаться к центральной контрольной системе.​

Системы визуализации на базе настольных ПК: При интеграции камеры высокого разрешения в настольный компьютер для таких приложений, как разработка машинного зрения или видеонаблюдение, USB 3.0 предоставляет удобный и широко поддерживаемый интерфейс. Большое количество доступных USB-портов на настольных компьютерах также позволяет легко расширять и подключать несколько камер при необходимости.

Мобильная робототехника: В мобильных роботах потребление энергии и пространство являются критическими факторами. Камеры MIPI CSI-2 могут быть интегрированы в небольшие роботы на батарейках, чтобы обеспечить возможности визуализации для таких задач, как навигация, обнаружение объектов и картографирование. Низкое потребление энергии MIPI CSI-2 помогает продлить срок службы батареи робота, в то время как его компактный форм-фактор позволяет легко интегрировать его в дизайн робота.​

Устройства носимой визуализации: Для носимых устройств, таких как смарт-очки или камеры на теле, MIPI CSI-2 является идеальным выбором. Эти устройства требуют камеры с высоким разрешением для таких приложений, как дополненная реальность, визуальная помощь или мониторинг безопасности. Низкое потребление энергии и небольшой размер MIPI CSI-2 делают его подходящим для интеграции в эти компактные и чувствительные к энергии носимые устройства.

Оба USB 3.0 и MIPI CSI-2 предлагают уникальные преимущества для приложений встроенного зрения с высоким разрешением. USB 3.0 обеспечивает баланс высокой пропускной способности, поддержки длинных кабелей, широкой совместимости и относительно низкой стоимости, что делает его подходящим для широкого спектра приложений. MIPI CSI-2, с другой стороны, превосходит в таких областях, как высокая пропускная способность для видео с чрезвычайно высоким разрешением, низкое потребление энергии и компактный форм-фактор, что делает его предпочтительным выбором для приложений, чувствительных к потреблению энергии и ограниченным по пространству. При выборе между этими двумя интерфейсами для вашего проекта встроенного зрения важно учитывать такие факторы, как требования к пропускной способности, потребности в длине кабеля, ограничения по потреблению энергии, стоимость и совместимость с вашей существующей системой. Тщательно оценивая эти факторы, вы можете выбрать интерфейс, который наилучшим образом соответствует потребностям вашего конкретного приложения и обеспечивает оптимальную производительность и эффективность в вашей системе встроенного зрения с высоким разрешением.