Dans le monde des systèmes de vision embarqués, les interfaces de caméra sont les circuits neuronaux qui relient les capteurs d'image aux cœurs de traitement, déterminant comment les données sont transmises de manière efficace et fiable.
Dans les appareils embarqués d'aujourd'hui, le choix de l'interface de caméra a un impact crucial sur les performances, la consommation d'énergie et le coût de l'ensemble du système de vision. Des smartphones aux voitures autonomes, des tests industriels à l'imagerie médicale, différents scénarios d'application nécessitent différentes solutions d'interface.
MIPI CSI-2 est actuellement la norme d'interface de caméra la plus populaire dans les appareils mobiles et embarqués. Ses capacités de transmission de données efficaces et sa faible consommation d'énergie en font le choix préféré pour la plupart des appareils intelligents.

01 Aperçu de l'interface et historique du développement

Le développement de la technologie d'interface de caméra embarquée a subi un processus évolutif, passant de l'analogique au numérique, et de la basse vitesse à la haute vitesse. Les premiers appareils embarqués utilisaient principalement des interfaces analogiques telles que CVBS, mais à mesure que la demande de traitement d'images numériques augmentait, les interfaces numériques sont progressivement devenues courantes.
À la fin des années 1990, les interfaces numériques parallèles sont devenues populaires, et par la suite, pour répondre à la demande de résolutions et de fréquences d'images plus élevées, des interfaces série à haute vitesse ont émergé. L'alliance MIPI a publié la norme CSI-2 en 2005, qui est maintenant devenue la norme de facto de l'industrie.
Actuellement, les interfaces courantes incluent MIPI CSI-2, DVP, USB et LVDS. Chaque interface a ses propres scénarios d'application spécifiques, ses avantages et ses inconvénients. Comprendre les caractéristiques et les différences de ces interfaces est crucial pour la conception de systèmes de vision embarqués.

02 Interface MIPI CSI-2

MIPI CSI-2 (Camera Serial Interface 2) est une norme d'interface série de caméra développée par le Mobile Industry Processor Interface Alliance et est maintenant largement utilisée dans divers appareils embarqués.
CSI-2 utilise une architecture en couches : la couche physique (PHY) utilise le protocole D-PHY ou C-PHY, la couche de liaison de données fournit le formatage des paquets et la détection des erreurs, et la couche d'application gère le mappage pixel-octet.
Cette interface prend en charge plusieurs types de données : données vidéo, signaux de synchronisation, données intégrées et données définies par l'utilisateur. Sa nature multicanal permet une transmission parallèle sur plusieurs canaux de données pour augmenter la bande passante.
Les principaux avantages de CSI-2 incluent une bande passante élevée (jusqu'à 6 Gbit/s/canal), une faible consommation d'énergie, de fortes capacités anti-interférences et un faible nombre de broches. Cependant, ses inconvénients sont le protocole complexe, la nécessité de récepteurs spécialisés et la relative difficulté de débogage.

03 Interface parallèle DVP

DVP (Digital Video Port) est une interface vidéo numérique parallèle traditionnelle qui utilise un bus de données de 8/10/12/16 bits, ainsi que des signaux de synchronisation horizontale et verticale et une horloge de pixels pour la transmission de données.
L'interface DVP a une structure simple : un bus de données (DATA), une horloge de pixels (PCLK), une synchronisation horizontale (HSYNC), une synchronisation verticale (VSYNC) et quelques signaux de contrôle. La transmission des données est déclenchée par le front de l'horloge de pixels.
Les avantages de cette interface sont son protocole simple, sa facilité de mise en œuvre et de débogage, et l'absence de récepteur dédié, permettant une connexion directe aux MCU à usage général. Cependant, ses inconvénients incluent un grand nombre de broches, une courte distance de transmission, une sensibilité aux interférences et une bande passante limitée.
DVP convient aux applications à basse résolution et à faible fréquence d'images, telles que la surveillance simple et les équipements de numérisation d'entrée de gamme. Sa bande passante maximale ne dépasse généralement pas 200 Mbps.

04 Interface vidéo USB

L'interface de caméra USB est principalement utilisée pour se connecter à des périphériques hôtes. Elle est conforme à la norme UVC (USB Video Class) et fonctionne correctement sur la plupart des systèmes d'exploitation sans installer de pilotes spécialisés.
Il existe plusieurs versions de l'interface USB : USB 2.0 offre une bande passante de 480 Mbps, USB 3.0 passe à 5 Gbit/s, et le dernier USB4 atteint jusqu'à 40 Gbit/s. Les versions ultérieures prennent en charge des résolutions et des fréquences d'images plus élevées.
Les avantages de cette interface sont sa polyvalence, sa facilité d'échange à chaud et la prise en charge de la transmission longue distance (via des câbles d'extension). Cependant, ses inconvénients sont une consommation d'énergie élevée et une latence élevée, ce qui la rend inappropriée pour les applications nécessitant des performances en temps réel extrêmement élevées.
Les caméras USB sont largement utilisées dans les périphériques PC, les systèmes de visioconférence, la surveillance grand public et d'autres domaines, offrant l'un des moyens les plus simples de se connecter à un périphérique hôte.

05 Autres interfaces spécialisées

L'interface LVDS (Low Voltage Differential Signaling) utilise une signalisation différentielle, offre une forte immunité aux interférences et convient à la transmission longue distance. Elle est couramment utilisée dans les caméras industrielles et les caméras automobiles.
L'interface GigE (Gigabit Ethernet) transmet des données vidéo sur Ethernet, prenant en charge la transmission ultra-longue distance (jusqu'à 100 mètres), ce qui la rend adaptée à la vision industrielle et aux systèmes de surveillance à grande échelle. Camera Link est une interface à haute vitesse conçue spécifiquement pour la vision industrielle, offrant une bande passante allant jusqu'à 7 Gbit/s. Cependant, elle est relativement coûteuse et principalement utilisée dans les équipements d'inspection industrielle haut de gamme.

06 Considérations relatives à la sélection de l'interface

Lors du choix d'une interface de caméra, il faut tenir compte de plusieurs facteurs : les exigences de bande passante (résolution × fréquence d'images × profondeur de couleur), les contraintes de consommation d'énergie, la distance de transmission, la complexité du système et le budget.
Pour les appareils mobiles, MIPI CSI-2 est préféré pour sa faible consommation d'énergie et sa haute efficacité. Les applications simples peuvent choisir DVP pour réduire les coûts.Pour les connexions PC, USB est approprié.Pour les environnements industriels, envisagez GigE ou Camera Link.
La compatibilité est également une considération clé : la prise en charge de l'interface du processeur, la richesse de l'écosystème logiciel et la disponibilité des ressources de développement influencent toutes la décision de sélection de l'interface.

07 Exemples d'applications pratiques

Dans les smartphones, MIPI CSI-2 est la norme absolue. Les systèmes multi-caméras se connectent au processeur via l'interface CSI-2, partageant les canaux de données.
Les cartes de développement telles que le Raspberry Pi offrent à la fois des interfaces CSI-2 et DVP. CSI-2 est utilisé pour se connecter à des modules de caméra haute performance, tandis que DVP est compatible avec des capteurs simples.
Les caméras automobiles utilisent généralement LVDS ou Ethernet automobile dédié car elles nécessitent une transmission longue distance et une meilleure immunité aux interférences.
Les équipements d'inspection industrielle choisissent les interfaces GigE ou Camera Link en fonction des exigences de vitesse. La première convient aux applications à vitesse moyenne, tandis que la seconde répond aux exigences de haute vitesse et de haute précision.

08 Tendances de développement futures

La technologie d'interface de caméra évolue vers des vitesses plus élevées, une consommation d'énergie plus faible et une plus grande simplicité. MIPI CSI-3 utilise la nouvelle couche physique M-PHY, offrant une bande passante plus élevée et une meilleure efficacité énergétique.
Les technologies d'interconnexion émergentes telles que Compute Express Link (CXL) peuvent également avoir un impact sur le domaine des interfaces de caméra à l'avenir, offrant des solutions de connectivité à faible latence et à bande passante plus élevée. Les interfaces de caméra sans fil évoluent également.Par exemple, les technologies WiFi 6 et 5G permettent la transmission vidéo sans fil haute définition, offrant de nouvelles solutions pour les drones et les appareils VR/AR.

Lorsqu'une entreprise de maison intelligente a développé une nouvelle caméra de sonnette, elle a initialement choisi une interface DVP pour réduire les coûts, mais a constaté que la latence vidéo était importante et que l'expérience utilisateur était médiocre.

Après être passée à MIPI CSI-2, bien que le coût ait légèrement augmenté, la fluidité vidéo s'est considérablement améliorée et a reçu des critiques positives du marché. Cette étude de cas illustre l'impact critique de la sélection de l'interface sur les performances du produit.

En résumé, la sélection de la bonne interface de caméra embarquée nécessite de trouver un équilibre entre les performances, la consommation d'énergie, le coût et la complexité. Comprendre les caractéristiques techniques et les scénarios applicables des différentes interfaces est crucial pour faire le meilleur choix pour une application spécifique.

Les décisions techniques ne doivent pas être basées uniquement sur un seul paramètre ; elles doivent plutôt prendre en compte de manière globale les exigences du système, les ressources de développement et le positionnement du produit afin de sélectionner le canal de transmission visuelle le plus approprié.