Industrielle Automation 5/2018

Embedded Vision

Embedded Vision Bedeutung und Eigenschaften der MIPI CSI-2-Kamera-Schnittstelle Peripherie (Lagesensoren, Kameras, Eingabeschnittstellen usw.) zu standardisieren, um kostengünstiger und nachhaltiger zu entwickeln. Ein bekannter MIPI-Standard ist die CSI (Camera Serial Interface)-Schnittstelle, die wir in ihrer am weitesten verbreiteten Version, nämlich als CSI-2, näher beleuchten werden. Der Anteil an Embedded-Vision- Applikationen und -Systemen nimmt weiter zu. Sie bestehen aus Boardlevel-Kamera und Processing Board und bewältigen auf effiziente Weise zahlreiche Aufgaben der industriellen Bildverarbeitung. Wesentliche Rolle hierbei spielt die Kameraschnittstelle. Worauf Systementwickler dabei achten sollten und welche Bedeutung MIPI hat, erfahren Sie in folgendem Beitrag. Dr. Thomas Rademacher ist Product Market Manager bei der Basler AG in Ahrensburg In letzter Zeit gibt es immer mehr Embedded-Vision-Applikationen auf dem Markt. Dabei handelt es sich um Systeme, die auf einem Embedded Processing Board und einem Kameramodul basieren und kostengünstig und effizient Vision-Aufgaben bewältigen können. Das Interface, die Verbindung zwischen Kameramodul und Hostseite, spielt beim Embedded-Vision-System eine wesentliche Rolle. Hier können z. B. Plug-&-Play-fähige USB-3.0-Schnittstellen oder aber – gerade für FPGA-basierte Systeme – LVDS-basierte Schnittstellen (Low Voltage Differential Signaling), verwendet werden. Für viele Fälle ist aber besonders das MIPI CSI-2-Interface die geeignete Wahl. Welche Bedeutung und welche Eigenschaften hat diese Schnittstelle im Embedded- Vision-Bereich? Was ist MIPI? Die MIPI (Mobile Industry Processor Interface Alliance) ist ein Zusammenschluss nahezu aller Hersteller von Applikationen oder Hardware der mobilen Kommunikations- und Unterhaltungselektronikindustrie. Sie verfolgt das Ziel, alle wichtigen Schnittstellen zwischen Mobilprozessor und MIPI CSI-2 im Vergleich zu Industriestandards wie GenICam Die MIPI CSI-2-Spezifikation beschreibt zum einen den physikalischen Layer der Signalübertragung (D-PHY beziehungsweise C-PHY), zum anderen das darauf aufsetzende CSI-Protokoll zur Bilddatenübertragung. Außerdem spezifiziert dieser Standard noch ein Interface zur Kamerakonfiguration über I²C, nämlich CCI (Camera Control Interface). Die Übertragung der Bilddaten erfolgt seriell über einzelne „Lanes“. Die maximale Bandbreite skaliert dabei mit der Anzahl dieser Lanes, in der Praxis typisch sind zwei bzw. vier Lanes. Die Begriffe C-PHY und D-PHY bezeichnen die physikalische Realisierung und die maximale Übertragungsrate jeder Lane. Zurzeit ist D-PHY mit differentieller Übertragung über zwei Leitungen plus einer für alle Lanes gemeinsamen Clock-Leitung verbreitet, die eine maximale Datenrate von 2,5 GBit/s pro Lane erlaubt. Das Protokoll zur Konfigurierung, das Camera Control Interface, basiert physikalisch auf dem I²C-Standard, ist aber je nach Hersteller im Detail recht unterschiedlich. Generell ist die MIPI CSI-2-Spezifikation sehr nah an der Hardware. Im Gegensatz zu den im Bildverarbeitungsmarkt üblichen Standards aus der GenICam-Familie fehlen bei MIPI CSI-2 ein standardisierter Software- Stack, eine standardisierte Programmierschnittstelle (Application Programming Interface, API, wie zum Beispiel GenAPI) und eine standardisierte Bilddatenschnittstelle (wie beispielsweise GenTL). Welche Vorteile bringt die MIPI-Schnittstelle? Der Mobilmarkt ist riesig und Mobilprozessoren werden in hohen Stückzahlen produziert. Daher sind sie zu geringen Preisen erhältlich. Viele Hersteller von ehemals reinen Mobilprozessoren (z. B. Qualcomm, Rockchip) haben die Bildverarbeitungsindustrie als einen interessanten Markt entdeckt und bieten ihre Produkte jetzt auch in kleineren Stückzahlen und mit Langzeitverfügbarkeit für industrielle Applikationen an. Auf der anderen Seite sind mittlerweile auch eher typisch industrielle 72 INDUSTRIELLE AUTOMATION 5/2018

Embedded-Prozessoren mit MIPI CSI- 2-Schnittstellen ausgestattet, sodass sich hier für den Bildverarbeitungsmarkt diese neue Kamera-schnittstelle anbietet. CSI-2 erlaubt extrem schlanke Designs, bei denen Sensoren beziehungsweise Kameramodule mit sehr hoher Bandbreite verwendet werden können. Daneben verschafft die große Modellvielfalt dem Entwickler auch Wahlfreiheit fürs Design des optimalen Systems je nach Vorgabe der Anwendung. Mit MIPI CSI-2 sind sehr kleine Bauformen möglich. Dies ist sonst eher die Domäne von LVDS-basierten Anbindungen, keinesfalls jedoch die von USB 3.0, die durch die Stecker deutlich mehr Platz be nötigt. Die MIPI CSI-2-Schnittstelle erlaubt die Übertragung der Bilddaten direkt vom Kameramodul oder Sensor an den Prozessor. Eine Zwischenverarbeitung wie bei USB 3.0, entfällt, d. h. die Daten ‚nehmen keinen Umweg‘, was die Prozessorlast senkt und entsprechende Hardware erspart. Welche Einschränkungen gibt es? So verführerisch all dies klingt, es gibt leider auch einige Hürden bei MIPI CSI-2, die entwicklungsseitig zu bedenken sind: n Kabellänge: Erlaubt sind leider nur kurze Kabellängen von meist nicht mehr als 20 bis 30 cm. Das ist für mobile Applikationen wie Smartphones kein Thema, kann jedoch für viele industrielle Applikationen ein K.-o.- Kriterium darstellen n Stecker: Die MIPI Alliance hat leider keinen Stecker standardisiert. Der Anschluss eines Sensors/Kameramoduls muss also immer individuell erfolgen. Eine Anpassung der Hardware – zum Beispiel durch eine Adapterpla tine – ist also meist unumgänglich n Treibersupport: Leider sind im MIPI CSI- 2-Standard auch weder Treiber- noch Software-Stacks definiert. Die eigene Anpassung eines Sensors oder Kameramoduls an den CSI-2-Treiber eines gegebenen System-on- Chips (SoCs) muss i. d. R. der Entwickler übernehmen. Bei der Auswahl eines für einen SoC vorgesehenen Sen -sors/Kameramoduls ist daher auf passende Treibers zu achten; das schränkt die Sensor- bzw. SoC-Auswahl ein n Pixelformate: Die meisten CSI-2-Treiber unterstützen nur wenige Pixelformate n Kamera-API: Wer in der Bildverarbeitung zu Hause ist, hat sich an die Standards der GenICam-Familie gewöhnt, die durch das standardisierte Kamera-API den vollen Zugriff auf alle Features einer Kamera garantiert Anders ist dies bei MIPI CSI-2: Das Fehlen standardisierter Feature-Bezeichnungen und eines standardisierten APIs erschwert hier die Wiederverwendung von existierendem Code bei der Migration von einem Kameramodul auf ein anderes oder eines SoCs auf einen anderen. All dies lässt sich mit Aufwand überwinden, allerdings mit möglichen Folgen für Entwicklungsund Herstellkosten. Zusammenfassung Die MIPI CSI-2-Schnittstelle ist für Embedded- Vision-Systeme geeignet, bei denen ein schlanker und kostenoptimierter Aufbau gewünscht ist. Die Integration eines entsprechenden Kameramoduls ist aber mit einem gewissen Aufwand verbunden, insbesondere softwareseitig. Es müssen ggf. Treiber und die Bilddatenschnittstellen an die Applikationen angepasst werden. Da neben sind auch andere, z. B. hardwareseitige Einschränkungen zu beachten. Damit also der Systementwickler seinen Arbeitsaufwand zuverlässig abschätzen kann, muss er Umfang und Kompatibilität der Treiber sowie ggf. vorhandene Kamerasoftware und deren SW-Schnittstellen berücksichtigen. Vorteilhaft ist es dann, wenn passende Treiber existieren, die neben dem reinen Bilddatenfluss auch weitere Features, beispielsweise zur Kamerasteuerung Softwareschnittstellen anbieten. Dann kann ein effizientes Vision- System aufgebaut und damit ein leistungsfähiges Endprodukt realisiert werden. Bilder: Aufmacher Fotolia, sonstige Basler AG www.baslerweb.com CAUTION HOT Unsere tragbare Wärmebildkamera PYROVIEW 480N portable Bild: Shutterstock.de/Can Erdem Satma 02 Berührungslose Temperaturmessung bis 3000 °C stationär &portabel 01 01 Embedded-Vision-System, bestehend aus DragonBoard 820c und Basler Dart-Kameramodul mit BCON für MIPI-Schnittstelle 02 Auch wenn ein Flachbandkabel Vorteile bietet, ein Stecker ist in der MIPI-Spezifikation nicht definiert DIAS: Entwicklung, Fertigung,Vertrieb und Service aus einer Hand www.dias-infrared.de