Die rechenintensiven Aufgaben der Bildverarbeitung waren lange Zeit nur mit PCs zu bewältigen. Doch mit der stetigen Leistungssteigerung von Embedded-Hardware in den letzten Jahren rücken auch kleinere und kostengünstige Prozessor-Boards aus dem Embedded-Bereich zur Bewältigung selbst anspruchsvoller Anwendungen der Bildverarbeitung ins Blickfeld. Solche Boards in Kombination mit einem Kameramodul sind unter dem Begriff Embedded Vision in aller Munde, da sie viele Vision-Aufgaben kostengünstig und effizient lösen.

Die Schnittstelle für die Verbindung zwischen Kameramodul und Prozessor-Board spielt bei Embedded-Vision-Systemen eine wesentliche Rolle, da sie eine schnelle und zuverlässige Daten­übertragung sicherstellen muss. Proprietäre und schlanke Schnittstellen können einen hohen Entwicklungsaufwand er­zeugen, daher setzen sich auch im Embedded-Bereich zunehmend Standards durch. Hier sind beispielsweise Plug&Play-fähige USB-3.0-Schnittstellen oder – insbesondere für FPGA-basierte Systeme – LVDS-Schnittstellen zu nennen. Für diverse Fälle hat sich jedoch ein Interface-Standard als besonders vorteilhaft erwiesen, der sich bisher vor allem im Bereich mobiler Geräte etabliert hat: das MIPI CSI-2-Interface.

Standard für Mobilgeräte

Die MIPI Alliance (Mobile Industry Processor Interface) ist ein Zusammenschluss nahezu aller Hersteller von Applikationen oder Hardware der mobilen Kommunikations- und Unterhaltungselektronik-Industrie. Sie hat sich zum Ziel gesetzt, alle wichtigen Schnittstellen zwischen Mobilprozessor und Peripherie – wie zum Beispiel Lagesensoren, Kameras, Eingabeschnittstellen und Displays – zu standardisieren. Hersteller mobiler Peripherie haben es auf diese Weise einfacher, ihre Hardware den verschiedensten Prozessortypen anzupassen. Für Prozessorhersteller entsteht auf diese Weise umgekehrt ein größeres Angebot an potenziell kompatibler Peripherie. So profitieren beide Seiten und können kostengünstiger entwickeln und produzieren. 

Ein Embedded-Vision-System bestehend aus 'Snapdragon 820' und einem 'dart'-Kameramodul von Basler mit BCON for MIPI-Schnittstelle.

© Basler

Zwei bekannte und verbreitete MIPI-Standards sind die Spezifikation DSI (Display Serial Interface) und die Schnittstelle CSI (Camera Serial Interface). Letztere spielt derzeit für das Thema Embedded Vision eine entscheidende Rolle und beschreibt in der Spezifikation MIPI CSI-2 drei Elemente einer Schnittstelle zwischen Kamera und weiterer Hardware:

• den physikalischen Layer der Signalübertragung (D-PHY beziehungsweise C-PHY), 
• das darauf aufsetzende CSI-Protokoll zur Bilddatenübertragung und
• ein Interface zur Kamerakonfiguration über I²C, und zwar das sogenannte CCI (Camera Control Interface).

Die Übertragung der Bilddaten erfolgt seriell über einzelne ‚Lanes‘. Die maximale Bandbreite lässt sich dabei über die Anzahl dieser Lanes skalieren. In der Praxis werden typischerweise zwei beziehungsweise vier Lanes eingesetzt.

Die Begriffe C-PHY und D-PHY bezeichnen die physikalische Realisierung und die maximale Übertragungsrate jeder Lane. Zurzeit ist D-PHY mit differenzieller Übertragung über zwei Leitungen plus einer für alle Lanes gemeinsamen Clock-Leitung verbreitet. Dieses Konzept erlaubt eine maximale Datenrate von 2,5 Gbit/s pro Lane.

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 Hardware-nah ausgelegt. Im Gegensatz zu den im Bildverarbeitungsmarkt üblichen Standards aus der dort gängigen GenICam-Familie fehlen bei MIPI CSI-2 jedoch ein standardisierter Software-Stack, eine standardisierte Programmierschnittstelle (Application Programming Interface, API, wie etwa GenAPI) und eine standardisierte Bilddatenschnittstelle (wie beispielsweise GenTL).

MIPI-Vorteile

Da der Mobilmarkt enorm groß ist, werden die eingesetzten Mobilprozessoren in extrem hohen Stückzahlen produziert. Die Größe des Marktes und der Wettbewerbsdruck führen zudem in kurzen Innovationszyklen zu immer leistungsfähigeren Prozessoren. Selbst sehr kostengünstige Low-End-Prozessoren verfügen heute in der Regel On-Chip über zwei MIPI-CSI-2-Schnittstellen mit zwei beziehungsweise vier Lanes.

Auch wenn ein Flachbandkabel Vorteile bietet, ein Stecker ist in der MIPI-Spezifikation nicht definiert.

© Basler

Viele Hersteller ehemals reiner Mobilprozessoren wie Qualcomm, Rockchip oder Samsung haben die Bildverar­beitungsindustrie inzwischen als einen interessanten Markt entdeckt und bieten ihre Produkte – teilweise über Modul­partner – deshalb jetzt auch in kleineren Stückzahlen und mit der in dieser Branche erforderlichen Langzeitverfügbarkeit für industrielle Applikationen an. Auf der anderen Seite sind mittlerweile auch eher typisch industrielle Em­bedded-Prozessoren wie beispielsweise die ‚i.MX‘-Familie von NXP, einige ‚Sitarra‘-SoCs von Texas Instruments, ­Produkte von Nvidia, die ‚Atom‘-SoCs von Intel et cetera mit MIPI-CSI-2-Schnittstellen ausgestattet, sodass sich diese neue Kameraschnittstelle für den Bildverarbeitungsmarkt geradezu aufdrängt.

Ein großer Vorzug von MIPI CSI-2 besteht darin, dass sich damit extrem schlanke und kostengünstige Machine-Vision-Designs realisieren lassen, bei denen Sensoren beziehungsweise Kameramodule mit sehr hoher Bandbreite verwendet werden können. Doch nicht nur durch die Tatsache, dass Prozessoren günstig sind und immer günstiger werden, können die Stückkosten gesenkt werden. Entwickler haben durch die Vielzahl verfügbarer Prozessoren je nach Anwendung zudem große Wahlfreiheit, um das Design eines Systems optimal zu gestalten. Unter anderem lässt sich dadurch auch die Leistungsaufnahme eines Embedded-Systems minimieren.

Für viele Produkte, die auf Embedded-Systemen basieren, ist verfügbarer Bauraum eine wichtige Randbedingung. MIPI CSI-2 ermöglicht sehr kleine Bauformen, die durch die Board-zu-Board-Verbindung über ein Flachbandkabel realisiert werden können. Dies ist sonst nur über LVDS-basierte Anbindungen möglich, keinesfalls jedoch durch eine Anbindung über die Schnittstelle USB 3.0, die aufgrund ihrer Stecker deutlich mehr Platz erfordert.

Ein weiterer Pluspunkt der MIPI-CSI-2-Schnittstelle besteht darin, dass die Bilddaten direkt vom Kameramodul oder Sensor an den Prozessor übertragen werden können. Dadurch entfällt eine Zwischenverarbeitung beziehungsweise Umrechnung der Daten, die zum Beispiel bei USB-3.0-Systemen erforderlich ist. Die Daten werden somit ohne Umweg ver­arbeitet, was die Prozessorlast senkt. Ebenso entfällt entsprechende Hardware wie unter anderem Mikrocontroller. Aufgrund dieser Umstände lassen sich mit MIPI CSI-2 sehr schlanke Embedded-Systeme realisieren.

Einschränkungen von MIPI CSI-2

Allerdings existieren auch einige Hürden bei MIPI CSI-2, die für die Entwicklung von Embedded-Vision-Systemen eine Rolle spielen: 

• Kabellänge: Möglich sind nur kurze Kabellängen von meist nicht mehr als 20 bis 30 cm. Für mobile Applikationen wie Smartphones stellt dies kein Problem dar, in vielen industriellen Applikationen kann diese Maximallänge jedoch ein Ausschlusskriterium darstellen.
• Stecker: Die MIPI-Alliance hat keinen Stecker standardisiert. Der Anschluss eines Sensors oder Kameramoduls muss also immer individuell erfolgen und erfordert häufig eine Anpassung der Hardware, zum Beispiel durch eine Adapterplatine.
• Treiber-Support: Im MIPI-CSI-2-Standard sind weder Treiber- noch Soft-ware-Stacks definiert. Die eigene An­passung eines Sensors oder Kameramoduls an den CSI-2-Treiber eines gegebenen System-on-Chips (SoCs) muss deshalb durch den Entwickler erfolgen. Bei der Auswahl eines für einen SoC vorgesehenen Sensors oder Kameramoduls ist daher auf passende Treiber zu achten, was Einschränkungen bei der Sensor- beziehungsweise SoC-Auswahl zur Folge hat.
• Pixelformate: Die meisten CSI-2-Treiber unterstützen nur wenige Pixelformate. 
• Kamera-API: Wer sich mit Bildverarbeitung auskennt, hat sich an die Standards der GenICam-Familie gewöhnt, die durch das standardisierte Kamera-API den vollen Zugriff auf alle Features einer Kamera garantiert. Bei MIPI CSI-2 ist die Situation anders: Das Fehlen standardisierter Feature-Bezeichnungen und eines standardisierten APIs erschwert die Wiederverwendung von existierendem Code bei der Migration von einem Kameramodul auf ein anderes oder beim Wechsel auf ein anderes SoC.

Nicht ohne Aufwand

All diese Nachteile lassen sich bewältigen, allerdings mit möglichen Auswirkungen auf die Entwicklungs- und Herstellkosten. Grundsätzlich eignet sich die MIPI-CSI-2-Schnittstelle für Embedded-Vision-Systeme, bei denen ein schlanker und kostenoptimierter Aufbau gewünscht ist. Die Integration eines entsprechenden Kameramoduls ist jedoch insbesondere softwareseitig mit einem gewissen Aufwand verbunden. Manchmal müssen Treiber und die Bilddatenschnittstellen an die Anwendungen angepasst werden. Darüber hinaus sind andere, zum Beispiel hardwareseitige Einschränkungen, wie etwa die begrenzte Kabellänge, zu beachten.

Der Systementwickler muss Umfang und Kompatibilität der Treiber sowie eine eventuell vorhandene Kamera-Software und deren Software-Schnittstellen berücksichtigen. Vorteilhaft ist es, wenn passende Treiber existieren, die neben dem reinen Bilddatenfluss weitere Features zum Beispiel zur Kamerasteuerung und geeignete Software-Schnittstellen anbieten. Werden diese Punkte beachtet, lassen sich auf Basis von MIPI CSI-2 effiziente Embedded-Vision-Systeme aufbauen und damit leistungsfähige Endprodukte herstellen.

Autor: 
Frank Karstens ist Field Application Engineer bei Basler in Ahrensburg.