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徹底比較工業設備用相機模組。UVC相機、IP相機、Wi-Fi相機、MIPI相機的利害得失是什么?

2023/11/22

NEW 文章 專欄

 工業設備等用組裝相機模組的進步非常明顯。除了分辨率和幀數提高以外,外形尺寸減小以及低成本、易于使用等方面的改善速度也非常之快。因此,除了用于工廠生產線上的檢查/測定裝置或監控相機以外,在機器人與無人機、醫療設備、POS終端、自動現金存取機(ATM)、和自動販賣機等上也漸漸成為必備(圖1)。
 
圖1 具備相機功能的工業設備案例

 在工業設備上裝置相機模組,能增加至今未有的新功能。例如,在自動販賣機上裝置相機模組,能從拍攝下來的使用者圖像上取得性別、年齡等數據,從這些數據上就能調整出飲料最合適的產品陣容。也就是說能活用于獲取市場數據上。今后,裝置了相機模組的工業設備一定會繼續增加。

選擇項大致分為4類

 但要將相機模組組裝到工業設備上雖說不是非常困難,但也有幾個需要跨越的難關。工業設備廠商的工程師最先遇到的難關就是相機模組的選擇。目前相機模組的選擇項大致分為4類。具體來說,就是「UVC(USB視頻類)相機」、「IP(因特網協議)相機」、「Wi-Fi(無線網絡)相機」、「MIPI(移動產業處理器接口)相機」這4類(表1)。以下就這4類相機模組進行簡單說明。
 
表1 工業設備用相機模組的選擇項
 

① UVC相機

 UVC相機是通過USB線連接并使用的相機模組。在線上會議或動畫發布等用途上,連接到電腦上使用的網絡相機(WEB相機)大多是這種UVC相機。它的優點是易于使用。這是因為它基于UVC(USB視頻類)標準,在電腦的OS上準備了驅動軟件。用戶僅需連接UVC相機,就可以在電腦畫面上顯像。因此,在組裝至工業設備上時也不需要開發驅動軟件。但它也有它的缺點。UVC相機本身就是最終成品,因此組裝至工業設備上的相機模組外形尺寸會比較大,成本也會較高。

 

② IP相機

 IP相機是通過Ethernet(以太網)連接使用的相機模組。相機本身就帶有IP地址,僅需連接至網絡即可使用;所以也被稱為網絡相機。主要的用途有監控相機等,但也能組裝至工業設備上。它的優點與UVC相機一樣,主要是易于使用。在組裝至產業設備時,也無需開發驅動軟件。且它的連接距離可長達100m左右,這也是一個優點--即可用于遠程監控。它的缺點與UVC相機一樣,在于外形尺寸較大,成本較高。此外,由于它會將影像信號壓縮后再傳輸,無法實現實時傳輸,會有數幀的影像延遲,這是另一個劣勢。

 

③ Wi-Fi相機

 Wi-Fi相機的定位為上述IP相機的Wi-Fi(無線網絡)版。因此,它能無線連接相機模組與影像顯示器。這是它最大的優點。且它的連接距離能長達200m左右,并且易于使用。它的缺點也與IP相機一樣,無法實時傳輸。且根據周圍環境不同可能發生連接可能會中斷,無線連接相對來說穩定性較差,在連接安全上令人擔憂。此外,它作為組裝至工業設備上的相機模組,外形尺寸也比較大,成本也較高。

 

④ MIPI相機

 MIPI相機是采用了連接智能手機等移動設備內部的相機與SoC、或是SoC與顯示屏之間的傳輸規格「MIPI CSI-2」作為影像輸出接口的相機模組。它的優點是由于其本身就是在移動設備內部使用的,因此外形尺寸小,成本也較低。此外,它還可以實現實時傳輸,且連接的穩定性也高。但它有兩個缺點。一個是連接距離短,最多僅為30cm。因此無法用于相機模組與影像處理傳感器距離較遠的工業設備。另一個是在組裝至工業設備上時,需要開發驅動軟件,并且記述寄存器代碼。與UVC相機和IP相機不同,它無法只需連接就能顯像。
 但在連接距離上的缺點,只要使用適當的對策就能有所解決。具體來說,只要與THine Electronics的高速串行接口「V-by-One HS」組合使用即可(表1中の「⑤MIPI相機+V-by-One HS」)。這能使連接距離延長至15m左右(圖2)。而且,這一組合基本不會造成別的缺失。硬要說的話,最多也就是零件成本和開發成本會略有增加。其外形尺寸小和連接穩定的優點能繼續保持。
圖2 MIPI相機與V-by-One HS的組合

 與V-by-One HS組合使用會增加的開發成本,只要使用提供的「MIPI相機SerDes入門套件」就基本可以無視。這一入門套件里除了包含MIPI CSI-2信號傳輸接收必要的整套軟件以外,還提供能自動生成寄存器代碼的GUI(圖形用戶界面)工具。

根據用途不同最合適的相機也不同

 「哪種相機模組最適用于你開發的工業設備呢?」。其實,能完美適用于所有工業設備的相機模組是不存在的。也就是說,最合適的相機模組是根據工業設備的不同變化的。因此要多方考量組裝目標的工業設備其特性,來選擇最合適的相機模組。以下,我們設想了5種使用情況,來與大家一起思考哪種相機模組最為合適。

 

●驗證想出的新點子時適用UVC相機

 在工業設備上安裝相機模組,用AI(人工智能)對拍攝的影像進行圖像識別,應該能生成新的功能。比如某天你突然想到了這樣的新點子,那要驗證這個點子,也就是進行PoC(概念證明)就必須盡快。這時,采用易于使用的UVC相機是最合適的。只需要通過USB線連接就能馬上取得影像信號,馬上開始新點子的驗證。

 

●實裝空間有限的工業設備上適用MIPI相機

 如果在已完成的工業設備上再安裝相機模組,很多時候會幾乎沒有實裝空間。例如在自動販賣機或生產線用檢查/測定裝置等安裝時。此時無法采用外形尺寸較大的UVC相機或IP相機。這時原本就是為了在移動設備上使用而開發的MIPI相機就是最合適的了。MIPI的相機模組外形尺寸只需20mm×20mm左右,可在極為有限的空間內進行實裝。
 但在工業設備上后裝時,有時會與圖像處理傳感器的距離較遠。MIPI相機模組的傳輸距離最長也只有30cm,基本是不夠用的。此時,如與高速串行接口V-by-One HS組合使用,就能解決問題。因為其傳輸距離能延長至大約15m。

 

●影像信號的傳輸距離超過100m時適用IP相機

有些工業設備,拍攝影像的地方與影像處理的地方離得很遠。例如演唱會等上放置的播放設備、或是要將在海中拍攝的影像傳輸回船上的海中相機系統等。這些時候要求的傳輸距離會超過100m。UVC相機或MIPI相機+V-by-One HS都無法對應。因此,此時IP相機為最優解。

 

●線纜處理比較困難時適用Wi-Fi相機或MIPI相機+V-by-One HS

 在工業設備上安裝相機模組,有時線纜處理也會成為問題。例如需要在機械構造復雜的工業設備內部排設線纜時。如果線還很粗就更難了。這時若能盡量使用較細較少的線,處理起來就會簡單很多。這里的最優解是MIPI相機+V-by-One HS。V-by-One HS是串行接口,只需數量很少的線就能進行影像信號的傳輸。當然,如果外形尺寸和成本允許的話,也可以使用Wi-Fi相機。因其本身就不需要排線,自然也無需處理線纜問題。

 

●需要連接單獨銷售(option)相機時適用UVC相機

 POS終端等業務用設備有時會將單獨銷售(option)的相機連接至終端本體上。這是為了應對在購入終端后,需要讀取二維碼的時候。此時,需要用戶購入相機后自行將其連接至終端本體后使用。因此最重要的一點就是必須很簡單就能連接,因此此時的最優解就是UVC相機。


以上

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