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攝影機介面是所有嵌入式視覺系統的核心，它不僅僅是一個資料通道，更是確保系統輸出品質、速度和精確度的關鍵。早期嵌入式視覺系統面臨的主要挑戰之一是缺乏能夠傳輸高頻寬資料的介面。然而，近年來攝影機介面技術取得了長足的進步。

這篇部落格報導將介紹常用的介面，例如 USB、MIPI 和乙太網，以及 SerDes 技術，例如 FPD-Link 和 GMSL。我們將分析它們的優點和缺點。無論你是考慮解析度、幀速率、傳輸距離、主機平台相容性、延遲、成本，還是整合便利性，本指南都能為你提供清晰的見解，幫助你做出明智的選擇。

什麼是嵌入式視覺？它與機器視覺有何不同？

嵌入式視覺和機器視覺是兩種不同的技術，它們都能讓機器感知周圍環境，各自具有特定的功能和應用。

機器視覺

定義和功能：機器視覺使電腦或機器能夠利用攝影機、影像處理軟體和硬體組件來捕獲、分析視覺資訊並根據視覺資訊做出決策，從而理解和解釋視覺數據。
系統特點：這些系統通常依賴工業或商用 PC 來管理運算工作負載。它們配備了專用硬體和軟體，用於高效地進行影像分析和視覺資料處理。
應用領域：機器視覺通常應用於對精度和運算能力要求較高的環境中，例如製造業品質控制。在這些應用中，它可以檢測缺陷、引導組裝機器人或追蹤生產線上的物料移動。

嵌入式視覺

定義與功能：嵌入式視覺是將處理能力無縫整合到視覺設備中。這使得設備能夠即時解讀視覺數據，從而提供有價值的洞察。這種整合方式具有體積小、營運成本低、反應速度快等優點，使其優勢顯著。
系統特性：嵌入式視覺系統具有結構緊湊、易於整合等特點，可在設備端或板載進行資料處理。這使得它們特別適用於對空間和功耗效率要求極高的應用。
應用領域：常見應用包括無人機、自動駕駛汽車、智慧交通設備和各種物聯網 (IoT) 設備。這些系統透過將嵌入式攝影機與 TI Jacinto TDA4VM、NVIDIA Jetson Orin 和 NXP i.MX8 等處理器整合，實現基於視覺資訊的自主決策。

在介面方面，嵌入式視覺系統和機器視覺系統所使用的介面類型有所不同。本報導重點介紹嵌入式視覺系統中所使用的攝影機介面。

嵌入式視覺系統中介面的作用

在嵌入式視覺系統中，介面扮演著非常重要的角色，它能夠實現從攝影機到處理器的流暢快速資料傳輸，同時保留影像的精細細節。為了確保高效運行，需要全面了解攝影機介面，包括其資料傳輸能力、頻寬和技術規格。

USB 介面

VCI-AR0234-CB – AR0234 全域快門攝影機

USB 2.0 和 USB 3.0/3.1 標準在連接領域各有不同的用途。 USB 2.0 作為早期版本，因其即插即用功能和價格優勢而廣受歡迎，尤其適用於幀速率較低的應用。而後續版本 USB 3.0/3.1 在保持即插即用功能的同時，提供了更高的資料傳輸速度，並符合 USB3 Vision 標準。儘管 USB 3.0 提供了更高的頻寬和效率，但其線纜長度通常限制在 5 公尺以內；不過，可以透過使用有源線和光纖線來突破這一限制。但需要注意的是，這可能會影響頻寬和延遲等參數。

GMSL 介面

VLS-FPD3-AR0521-CB – AR0521 FPD-Link III 攝影機

GMSL（千兆多媒體串列連結）是另一種流行的 SerDes 介面。它由 Maxim Integrated 開發，功能與 FPD-Link 類似。GMSL 的資料傳輸距離可達 15 米，最大頻寬為 6Gbps。雖然 GMSL3 是該介面的最新版本，但由於 GMSL2 應用廣泛，尤其是在汽車行業，因此在產品開發人員中更受歡迎。

FPD-Link III

VLS-FPD3-AR0521-CB – AR0521 FPD-Link III 攝影機

FPD-Link III 是一種串行器/解串器 (SerDes) 介面，廣泛應用於嵌入式視覺和汽車系統。它支援透過雙絞線或同軸電纜傳輸影像和視訊數據，並透過同軸供電 (PoC) 技術傳輸雙向控制數據和電源。配備 FPD-Link III 的攝影機最大頻寬可達 4 Gbps，資料傳輸距離可達 15 米，並且具有良好的抗衝擊和抗振動性能。這些攝影機非常適合需要高品質、低延遲、遠距離資料傳輸的應用，例如機器人、智慧交通設備、環視系統和無人機。

德州儀器 (TI) 最新一代 SerDes 是 FPD-Link IV，在相同的距離（最遠 15 公尺）下，攝影機頻寬提高了 2 倍（高達 8 Gbps）。

MIPI 介面

TEVS-AR0822 – AR0822 MIPI 相機模組

MIPI 介面是目前嵌入式視覺領域最常使用的介面之一。它每通道最大頻寬為2.5 Gbps，可靠傳輸距離可達25-30公分。

嵌入式視覺通常涉及使用單一處理系統分析來自多個攝影機的影像串流。這在環景攝影機和機器人導航系統等應用中很常見，這些應用使用 MIPI 虛擬通道 (VC) ，透過單一 MIPI-CSI2 介面，傳輸多個影像串流。然而，這種設置需要一個專用的 MIPI-CSI2 集線器，來合併和協調各個獨立攝影機的影像串流。

選擇攝影機介面時需要考慮的因素

在為嵌入式視覺系統選擇攝影機介面時，請考慮以下因素以確保最佳性能和整合。

解析度和幀速率：

大多數現代攝影機介面都非常適合實現高解析度和高幀率。 USB 3.0 的最大頻寬可達 480 MB/s 或 3840 Gbps，而千兆乙太網路 (GigE) 的頻寬為 120 MB/s。另一方面，GMSL2 和 FPD-Link III 的頻寬分別約為 6 Gbps 和 4 Gbps。至於 MIPI，其最大頻寬為 10 Gbps（四通道）。

除了 GigE 介面外，上面提到的所有其他介面都適用於超高解析度相機。

傳輸距離

傳輸距離：

MIPI 和 USB 的長度限制不同，MIPI 最長為 30 厘米，USB 最長為 2 公尺。不過，某些 USB 變體可以超過 5 公尺的限制，但這可能會在品質或頻寬方面造成損失。另一方面，FPD-Link III 是一種 SerDes 接口，可以在 15 公尺的距離內傳輸數據，而不會犧牲品質或延遲。它非常適合需要遠距離資料傳輸的應用。 GMSL 介面也是如此。

德州儀器 (TI) 最新一代 SerDes 是 FPD-Link IV，在相同的距離（最遠 15 公尺）下，攝影機頻寬提高了 2 倍（高達 8 Gbps）。

主機平台相容性：

USB 通常用於基於 x86 架構的主機，例如 PC，而 MIPI 則常用於 ARM 處理器，尤其是在涉及多個嵌入式攝影機的場景中。 MIPI 虛擬通道 (VC) 可以透過單一介面傳輸多個影像串流，這就需要專用的 MIPI-CSI2 集線器來進行同步。

另一方面，FPD-Link 和 GMSL 是 SerDes 介面，它們在發送端使用串行器，在接收端使用解串器。它們通常與 TI Jacinto TDA4VM 或 NVIDIA Jetson 等處理器一起使用。