汉振分享|嵌入式视觉系统接口—MIPI CSI-2

Summary：得益于ARM，DSP及FPGA等高算力、低功耗嵌入式硬件平台方案不断推陈出新，在涉及机器视觉应用中，PC-Based视觉系统不再是软硬件部署唯一选项。用户可以根据精度、节拍、成本、研发周期等多方因素综合评价，灵活选择高度贴合项目需求的硬件平台及接口。本文将简要介绍在嵌入式视觉系统中比较常用的MIPI CSI-2接口。

1、视觉系统分类概要

1.1 什么是PC-Based视觉系统

基于PC视觉系统（PC－Based）一般由若干光学镜头、相机（CMOS/CCD）、光源（3D结构光发生器等），图像传输数据线，图像采集卡（网卡，IO板卡等）以及PC和图像处理软件等构成。以经典2D视觉系统示例如下：

图1. PC_Based 视觉系统构成示意图（图片来自网络）

基于PC的通用机器视觉系统通常尺寸较大、功耗较高，结构复杂，开发周期较长，但结合成熟的视觉处理软件工具，选择适配需求的数据接口及相机，并配置满足性能需求的计算主机，可达到理想的精度及速度，能实现较为复杂的系统功能。通用基于PC视觉系统数字接口主要包括GigE Vision、USB3 Vision、CoaXpress及Camera Link等。

图2.  几款基于PC视觉系统常用数字接口示意（图片来自网络）

1.2 什么是嵌入式视觉系统

嵌入式视觉系统一般是针对某些特定应用需求，采用嵌入式处理器及高度集成的光学结构，板级相机、专用的图像采集及处理运算芯片及相关嵌入式应用程序相结合的一整套系统。嵌入式系统包含从成像传感器接收光到系统输出的整个信号链。如下图示例：

图3. 嵌入式视觉系统概念图（图片来自网络）

我们可将嵌入式视觉系统视为一种紧凑型（板级）相机与单板机(SBC)或是系统模块(SoM)等处理板的结合。嵌入式视觉系统比较常用的数据接口包括MIPI CSI-2，LVDS接口以及适配SOM板机计算机的USB3.0接口。本文简要介绍其中MIPI CSI-2接口。

2、MIPI CSI-2要素简介

2.1 什么是MIPI

MIPI联盟的全称为Mobile Industry Processor Interface Alliance（移动产业处理器接口联盟），它是由移动通讯和娱乐电子产品行业中的绝大部分应用或硬件制造商组建而成的行业联盟。其成立目的是对移动处理器及外设零部件（如位置芯片、相机、输入接口、显示等零部件）之间的所有重要接口进行标准化。

众所周知的MIPI标准包含DSI（Display Serial Interface，显示器串行接口）规范和CSI（Camera Serial Interface，相机串行接口）。

2.2 何为MIPI CSI-2

CSI规范在市面上投入使用已有数年之久，目前已经研发出第三代技术，即CSI-3。虽然与历代标准相比，CSI-3具备毋庸置疑的优势（如其最大带宽远高于历代技术），但因缺乏硬件支 持，CSI-3在业内的发展大为受限。目前获得广泛应用的CSI-2标准已能完全满足当前的硬件要求。

MIPI CSI-2规范中描述了信号传输（D-PHY或C-PHY）的物理层以及用于图像数据传输的协议，该协议是以CSI-2为基础。该标准还指定了一种基于I²C总线的相机配置接口，即CCI（Camera Control  Interface，相机控制接口）。

2.3 物理层：C-PHY与D-PHY

借助MIPI CSI-2标准，图像数据可以按顺序地通过单个通道。通常会采用两个或四个通道来连接成像芯片或相机模块。最大可用带宽与通道的数量成线性比例关系，也就是说，采用四个通道时的可用带宽是使用两个通道时的两倍。这个标准最初起源于智能手机领域，手机后置的高分辨率相机是与四个通道相连接的，而前置的低分辨率相机只采用两个通道。因此，几乎所有相应的片上处理器上都会配备一个双通道CSI-2接口以及一个四通道CSI-2接口。

图4. D-PHY与C-PHY示意图（上图为两通道MIPI示意）（图片来自网络）

2.4 相机控制接口(CCI)

CSI-2还提供一项标准协议，它能以CCI（相机控制接口）的方式对芯片/相机模块进行配置。从物理层面而言，CCI是以I²C总线为基础，用户一般可通过任意I²C接口来对相机模块进行配置，目前几乎所有SoC上均会提供多个I²C接口。但是，芯片/相机模块领域以及SoC本身都缺乏一致的标准：部分SoC有必须用于配置操作的专用I²C/CCI接口。

2.5 CSI-2协议层

CSI-2是一种数据包(packet)导向型协议。因此，规范中特别描述了数据包格式。规范中也指定了一般应用能正常使用的像素格式（如RGB、YUV、RAW和JPEG等）。

图5. CSI-2数据包格式示意图

3、MIPI CSI-2优势及不足

3.1 MIPI CSI-2接口的优点

• 在移动处理器接口应用上，普及应用量大，价格亲民；
• 随着越来越多的常见工业嵌入式处理器（如NXP的i.MX系列、TI的部分Sitara SoC、NVIDI、TK1、TX1、TX2、Intel Atom SoC 等）均开始配备MIPI CSI-2接口，相关系统性能随处理器性能突破不断提升；
• 较低的系统整体功耗；
• 精巧灵活的小尺寸接口；

3.2 MIPI CSI-2接口的潜在不足

• 较短的线材长度，通常不超过20CM；
• MIPI CSI-2接口不统一，非标准化。
• 驱动程序非标准化，选择一款设计用于SoC的芯片/相机模块时，须确保相关模块也具备相应的I²C驱动程序。
• 像素格式有限，大部分CSI-2驱动程序支持的像素格式非常有限，并且不一定符合图像处理领域要求使用的像素格式。
• 相机API不通用，不同平台复用代码较繁琐。

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