Summary：得益于ARM，DSP及FPGA等高(gāo)算(suàn)力、低(dī)功耗嵌入式硬件(jiàn)平台方案不斷推陳出新，在涉及機(jī)器(qì)視覺應用中，PC-Based視覺系統不再是軟硬件(jiàn)部署唯一(yī)選項。用戶可以根據精度、節拍、成本、研發周期等多(duō)方因素綜合評價，靈活選擇高(gāo)度貼合項目需求的硬件(jiàn)平台及接口。本文将簡要介紹在嵌入式視覺系統中比較常用的MIPI CSI-2接口。

1、視覺系統分類概要

1.1 什麽是PC-Based視覺系統

基于PC視覺系統（PC－Based）一(yī)般由若幹光(guāng)學鏡頭、相(xiàng)機(jī)（CMOS/CCD）、光(guāng)源（3D結構光(guāng)發生(shēng)器(qì)等），圖像傳輸數據線，圖像采集卡（網卡，IO闆卡等）以及PC和圖像處理軟件(jiàn)等構成。以經典2D視覺系統示例如下(xià)：

圖1. PC_Based 視覺系統構成示意圖（圖片來自(zì)網絡）

基于PC的通(tōng)用機(jī)器(qì)視覺系統通(tōng)常尺寸較大、功耗較高(gāo)，結構複雜(zá)，開(kāi)發周期較長(cháng)，但結合成熟的視覺處理軟件(jiàn)工(gōng)具，選擇适配需求的數據接口及相(xiàng)機(jī)，并配置滿足性能(néng)需求的計算(suàn)主機(jī)，可達到(dào)理想的精度及速度，能(néng)實現較為(wèi)複雜(zá)的系統功能(néng)。通(tōng)用基于PC視覺系統數字接口主要包括GigE Vision、USB3 Vision、CoaXpress及Camera Link等。

圖2.  幾款基于PC視覺系統常用數字接口示意（圖片來自(zì)網絡）

1.2 什麽是嵌入式視覺系統

嵌入式視覺系統一(yī)般是針對某些特定應用需求，采用嵌入式處理器(qì)及高(gāo)度集成的光(guāng)學結構，闆級相(xiàng)機(jī)、專用的圖像采集及處理運算(suàn)芯片及相(xiàng)關嵌入式應用程序相(xiàng)結合的一(yī)整套系統。嵌入式系統包含從(cóng)成像傳感器(qì)接收光(guāng)到(dào)系統輸出的整個(gè)信号鏈。如下(xià)圖示例：

圖3. 嵌入式視覺系統概念圖（圖片來自(zì)網絡）

我們可将嵌入式視覺系統視為(wèi)一(yī)種緊湊型（闆級）相(xiàng)機(jī)與單闆機(jī)(SBC)或是系統模塊(SoM)等處理闆的結合。嵌入式視覺系統比較常用的數據接口包括MIPI CSI-2，LVDS接口以及适配SOM闆機(jī)計算(suàn)機(jī)的USB3.0接口。本文簡要介紹其中MIPI CSI-2接口。

2、MIPI CSI-2要素簡介

2.1 什麽是MIPI

MIPI聯盟的全稱為(wèi)Mobile Industry Processor Interface Alliance（移動産業(yè)處理器(qì)接口聯盟），它是由移動通(tōng)訊和娛樂電(diàn)子産品行業(yè)中的絕大部分應用或硬件(jiàn)制造商組建而成的行業(yè)聯盟。其成立目的是對移動處理器(qì)及外設零部件(jiàn)（如位置芯片、相(xiàng)機(jī)、輸入接口、顯示等零部件(jiàn)）之間的所有重要接口進行标準化。

衆所周知的MIPI标準包含DSI（Display Serial Interface，顯示器(qì)串行接口）規範和CSI（Camera Serial Interface，相(xiàng)機(jī)串行接口）。

2.2 何為(wèi)MIPI CSI-2

CSI規範在市(shì)面上(shàng)投入使用已有數年(nián)之久，目前已經研發出第三代技(jì)術(shù)，即CSI-3。雖然與曆代标準相(xiàng)比，CSI-3具備毋庸置疑的優勢（如其最大帶寬遠(yuǎn)高(gāo)于曆代技(jì)術(shù)），但因缺乏硬件(jiàn)支 持，CSI-3在業(yè)内的發展大為(wèi)受限。目前獲得廣泛應用的CSI-2标準已能(néng)完全滿足當前的硬件(jiàn)要求。

MIPI CSI-2規範中描述了信号傳輸（D-PHY或C-PHY）的物(wù)理層以及用于圖像數據傳輸的協議，該協議是以CSI-2為(wèi)基礎。該标準還(hái)指定了一(yī)種基于I²C總線的相(xiàng)機(jī)配置接口，即CCI（Camera Control  Interface，相(xiàng)機(jī)控制接口）。

2.3 物(wù)理層：C-PHY與D-PHY

借助MIPI CSI-2标準，圖像數據可以按順序地通(tōng)過單個(gè)通(tōng)道。通(tōng)常會(huì)采用兩個(gè)或四個(gè)通(tōng)道來連接成像芯片或相(xiàng)機(jī)模塊。最大可用帶寬與通(tōng)道的數量成線性比例關系，也就(jiù)是說，采用四個(gè)通(tōng)道時的可用帶寬是使用兩個(gè)通(tōng)道時的兩倍。這個(gè)标準最初起源于智能(néng)手機(jī)領域，手機(jī)後置的高(gāo)分辨率相(xiàng)機(jī)是與四個(gè)通(tōng)道相(xiàng)連接的，而前置的低(dī)分辨率相(xiàng)機(jī)隻采用兩個(gè)通(tōng)道。因此，幾乎所有相(xiàng)應的片上(shàng)處理器(qì)上(shàng)都會(huì)配備一(yī)個(gè)雙通(tōng)道CSI-2接口以及一(yī)個(gè)四通(tōng)道CSI-2接口。

圖4. D-PHY與C-PHY示意圖（上(shàng)圖為(wèi)兩通(tōng)道MIPI示意）（圖片來自(zì)網絡）

2.4 相(xiàng)機(jī)控制接口(CCI)

CSI-2還(hái)提供一(yī)項标準協議，它能(néng)以CCI（相(xiàng)機(jī)控制接口）的方式對芯片/相(xiàng)機(jī)模塊進行配置。從(cóng)物(wù)理層面而言，CCI是以I²C總線為(wèi)基礎，用戶一(yī)般可通(tōng)過任意I²C接口來對相(xiàng)機(jī)模塊進行配置，目前幾乎所有SoC上(shàng)均會(huì)提供多(duō)個(gè)I²C接口。但是，芯片/相(xiàng)機(jī)模塊領域以及SoC本身都缺乏一(yī)緻的标準：部分SoC有必須用于配置操作的專用I²C/CCI接口。

2.5 CSI-2協議層

CSI-2是一(yī)種數據包(packet)導向型協議。因此，規範中特别描述了數據包格式。規範中也指定了一(yī)般應用能(néng)正常使用的像素格式（如RGB、YUV、RAW和JPEG等）。

圖5. CSI-2數據包格式示意圖

3、MIPI CSI-2優勢及不足

3.1 MIPI CSI-2接口的優點

• 在移動處理器(qì)接口應用上(shàng)，普及應用量大，價格親民(mín)；
• 随著(zhe)越來越多(duō)的常見(jiàn)工(gōng)業(yè)嵌入式處理器(qì)（如NXP的i.MX系列、TI的部分Sitara SoC、NVIDI、TK1、TX1、TX2、Intel Atom SoC 等）均開(kāi)始配備MIPI CSI-2接口，相(xiàng)關系統性能(néng)随處理器(qì)性能(néng)突破不斷提升；
• 較低(dī)的系統整體功耗；
• 精巧靈活的小(xiǎo)尺寸接口；

3.2 MIPI CSI-2接口的潛在不足

• 較短的線材長(cháng)度，通(tōng)常不超過20CM；
• MIPI CSI-2接口不統一(yī)，非标準化。
• 驅動程序非标準化，選擇一(yī)款設計用于SoC的芯片/相(xiàng)機(jī)模塊時，須确保相(xiàng)關模塊也具備相(xiàng)應的I²C驅動程序。
• 像素格式有限，大部分CSI-2驅動程序支持的像素格式非常有限，并且不一(yī)定符合圖像處理領域要求使用的像素格式。
• 相(xiàng)機(jī)API不通(tōng)用，不同平台複用代碼較繁瑣。

更多(duō)機(jī)器(qì)視覺分享，歡迎繼續關注“漢振智能(néng)”....