Eine neue Schnittstelle für die Bildverarbeitung?

  • Abb. 1: Das CSI (Camera Serial Interface) wurde als Teil der MIPI-Spezifikationen für mobile Systeme speziell als Schnittstelle zur Übertragung von Bilddaten entwickelt
  • Abb. 3: Datenbahnen des flexiblen MIPI CSI-2 Flachbandkabels
  • Abb. 2: Die physikalische Bitübertragungsschicht (PHY) der MIPI CSI-2-Schnittstelle ist zurzeit als D-PHY- und C-PHY-Versionen verfügbar.

Die industrielle Bildverarbeitung und Embedded Vision verschmelzen zunehmend. Im Zusammenhang mit diesem Trend verdient ein Thema besondere Aufmerksamkeit: Die Fragestellung nach geeigneten Schnittstellen, um einzelne Komponenten zu einem Gesamtsystem zu verbinden.

Die MIPI CSI-2 Schnittstelle, die in zahlreichen eingebetteten Systemen sowie von Kameras in Smartphones und Tabletts verwendet wird, ist bereits weit verbreitet. Die Schnittstelle wurde von der MIPI Alliance entwickelt, einer Non-Profit-Organisation, in der verschiedene Unternehmen der Mobiltelefonindustrie gemeinsam Standards entwickeln. Das Ziel der Vereinheitlichung von Standards ist dabei, die Integration aller Komponenten in Geräte und Systeme möglichst einfach und zuverlässig zu gestalten. Die in der industriellen Bildverarbeitung sehr gängigen Schnittstellen USB3 Vision und GigE Vision entstanden aus industriellen Standards für kabelgebundene Datenübertragung. CSI (Camera Serial Interface) hingegen wurde - wie der Name schon sagt - als Teil der MIPI-Spezifikationen für mobile Systeme speziell als Schnittstelle zur Übertragung von Bilddaten entwickelt (Abb. 1). Schon bei ihrer Entwicklung haben die Experten den speziellen Anforderungen von mobilen Geräten Rechnung getragen. So entstand eine Schnittstelle, die hohe Bandbreiten mit niedrigem Energieverbrauch und geringer elektromagnetischer Störung verbindet. Die Schnittstelle ist in der Industrie etabliert, hat ihre Tauglichkeit in vielen Geräten bewiesen und ist ausgereift. Da die Anforderungen von eingebetteten Bildverarbeitungssystem in vielen Punkten vergleichbar sind, bietet es sich an, auf diese zukunftssichere Standard-Schnittstelle zurückzugreifen anstatt für zukünftige Embedded Vision-Lösungen etwas Neues zu entwickeln.

Was zeichnet die Schnittstelle aus?

Die MIPI CSI-2-Schnittstelle verfügt über eine Transport-, eine Anwendungs- und eine physikalische Bitübertragungsschicht (PHY). Letztere ist zurzeit in zwei Versionen verfügbar: als D-PHY und C-PHY (Abb. 2). D-PHY ist dabei im Rahmen von mobilen und/oder eingebetteten Systemen die bevorzugte Lösung, die sich bereits seit über einem Jahrzehnt etabliert und in Millionen von Systemen bewährt hat.

MIPI CSI-2 beruht auf flexiblen Flachbandkabeln. Der maximale Abstand zwischen Host und Kamera ist etwa 40 cm, was in einem eingebetteten System mehr als genug ist. Der MIPI CSI-2-Standard konzentriert sich auf das Protokoll der Datenübertragung, die Stecker sind nicht durch den Standard definiert. In dem Kabel stehen folgende Datenbahnen zur Verfügung (Abb. 3):

  • zwei universelle Ein-/Ausgänge (GPIO) für die Kamera-Steuerung, die über ein zentrales Kontrollprotokoll (I2C) ausgeführt werden,
  • eine MIPI CSI-2 Clock Lane,
  • vier MIPI CSI-2 Data Lanes,
  • zwei freie Allzweck-Ein-/Ausgänge (GPIO) zum Beispiel für externe Trigger-Signale oder periphere Steuerung sowie eine Verbindung für ein externes
    5V-Netzteil.

CSI-2 bündelt alle Funktionen in einem Kabel, so dass kein weiteres Kabel für Stromversorgung oder Triggering benötigt wird. Ein Vorteil der MIPI CSI-2-Technologie ist die hohe Bandbreite von bis zu 6 Gigabit/Sekunde Netto-Bilddaten. Darüber hinaus ist die Bilddaten-Übertragung skalierbar: jede der vier Bilddaten-Bahnen hat eine Bandbreite von bis zu 1,5 Gbit/s. Systemintegratoren können je nach Anforderung des Anwendungssystems entscheiden, ein, zwei, drei oder alle vier Bahnen zu verwenden. So kann die Bandbreite flexibel von 1,5 bis 6 Gbit/s angepasst werden. Je höher die Qualität der gelieferten Bilder (z.B. in Bezug auf Farbtiefe und Auflösung) ist, desto mehr Bilddaten werden übertragen. Verglichen mit den in der Machine Vision Welt üblicherweise verwendeten Schnittstellen USB3 Vision und GigE Vision, liegt das Camera Serial Interface in puncto Bandbreite eindeutig vorn. Mit einer Bandbreite bis zu 6 Gigabit/Sekunde (D-Phy 1.1) übertrifft es die Kapazität von USB (max. 5 Gbit/s) und von GigE Vision (max. 1 Gbit/s) bei weitem. Die vergleichbar kürzere Kabellänge ist bei der Entwicklung von eingebetteten System, in denen Board und Sensor- bzw. Kameramodule meist räumlich nah beieinanderliegen, zu vernachlässigen. Darüber hinaus erfordert das CSI-2-Protokoll weit weniger Rechenleistung auf der Host-Seite als andere Schnittstellen wie USB. Alle gängigen Embedded Boards sind mit Multicore-Prozessoren und Co-Prozessoren wie ARM Cortex ausgestattet. Die Verwendung einer USB-Kamera nimmt viel Rechenleistung des Zentralen Prozessors (System-Level-CPU) in Anspruch, da bei USB Pakete gepackt und entpackt werden müssen. Heutige Multicore Prozessoren haben MIPI CSI-2 direkt in der CPU integriert. Der Vorteil liegt dabei auf der Hand, die Bilddaten müssen so nicht beispielsweise über den Peripherie Bus im System wandern, sondern können direkt prozessiert werden. Ein nicht zu unterschätzender Aspekt bei der Integration eines Kameramoduls in ein System, ist der erforderliche Aufwand für die Programmierung und Anpassung des Pinnings. Da die Belegung der einzelnen Kanäle nicht standardisiert vordefiniert ist, müssen die Anschlüsse entsprechend dem Gerät am anderen Ende des Kabels angepasst werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein Adapter Board zu nutzen. Das bedeutet aber auch, dass jeder Anwender und Systementwickler die Flexibilität der CSI-2-Verbindung für sich nutzen und gezielt auf seine Bedürfnisse anpassen kann.

Sensor- oder Kamera-Interface

MIPI CSI-2 ist ursprünglich keine Kamera-Schnittstelle im Sinne der industriellen Bildverarbeitung, sondern eher ein Sensor-Interface. Es wird üblicherweise in eingebetteten Systemen verwendet, um einen Bildsensor mit einem Embedded Board zu verbinden, das es steuert und die Bilddaten verarbeitet. Das Board und der Sensor fungieren gemeinsam als Kamera. Doch neueste Entwicklungen in der Bildverarbeitung zeigen andere Wege auf. Allied Vision hat mit der 1er Produktlinie MIPI CSI-2 als Kamera-Schnittstelle implementiert. Ein vollständiges Kamera-Modul mit Bildsensor sowie fortschrittlichen Bildverarbeitungs-Funktionen wird über die MIPI CSI-2-Schnittstelle an ein Embedded Board angeschlossen. Indem Aufgaben im Bereich Bildkorrektur und -optimierung vom Host auf die Kamera verlagert werden, können Systemingenieure die CPU-Kapazität des Host-Prozessors für anspruchsvollere Bearbeitungsaufgaben nutzen.

Normalerweise benötigt jedes Sensor-Modul einen bestimmten Treiber/Adapter Board, um in ein Embedded System integriert zu werden. Mit der CSI-2-Kamera können verschiedene Modelle der Produktlinie, unabhängig vom Sensor mit demselben Treiber integriert werden. Die Schnittstelle zum Sensor erfolgt innerhalb der Kamera. Das bedeutet, dass eine 1-Megapixel-Kamera mit einer 2-Megapixel-Kamera ersetzt oder eine neue Kamera hinzufügt werden kann, ohne den Treiber zu ändern.

MIPI CSI-2 als Standard

In der heutigen Embedded Welt ist MIPI CSI-2 weltweit eine weit verbreitete Schnittstelle. Das liegt nicht nur daran, dass sie in Smartphones, Tablets und Laptops Anwendung findet. Sie wird auch maßgeblich durch die Nutzung von Embedded Boards wie dem Raspberry 3 oder der NVIDIA Jetson Serie vorangetrieben. In der Halbleiterindustrie wird durch die Khronos Group, in der Namen wie NVIDIA, ARM, Google und Sony vertreten sind, ein erweiterter Industriestandard, das sogenannte OpenKCam, diskutiert und verfolgt. Die Embedded Vision Study Group (EVSG) des internationalen Standardisierungsverbundes G3 (bestehend aus den Verbänden AIA, CMVU, EMVA, JIIA und VDMA) beschäftigt sich ebenfalls mit dem Thema Standards und Schnittstellen für Embedded Vision. Es ist also viel Bewegung im Markt und die Zeit wird zeigen, ob MIPI CSI-2 dieselbe Akzeptanz in der klassischen, industriellen Bildverarbeitung genießen wird, wie es in der Welt von NVIDIA und Co bereits seit Jahrzehnten der Fall ist.

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