近年來，市面上已涌現出越來越多的嵌入式視覺應用，它們是由嵌入式計算板和相機模塊組成的系統。與其他系統相比，這類系統能以更經濟、更有效的方式管理視覺任務。

相機接口在上述嵌入式視覺系統的設置中扮演著關鍵作用，因為它承擔著將相機模塊與主機連接在一起的重任。

即插即用的USB 3.0、LVDS（Low Voltage Differential Signaling，低電壓差分信號）等接口就適用于嵌入式視覺系統。但在很多情況中，選用MIPI CSI-2接口才是最合適的選擇。

本文將介紹在嵌入式視覺領域中，使用此重要接口將帶來何種優勢，并闡述了它所具備的功能。

1. MIPI是什么？

MIPI聯盟的全稱為Mobile Industry Processor Interface Alliance（移動產業處理器接口聯盟），它是由移動通訊和娛樂電子產品行業中的應用或硬件制造商組建而成的行業聯盟。

其成立的目的是對移動處理器及外設零部件（如位置芯片、相機、輸入接口、顯示等零部件）之間的所有重要接口進行標準化。

此舉能夠讓移動外設零部件的制造商輕松調整其硬件產品，以兼容不同類型的處理器，為處理器制造商創造更大批潛在的兼容外設零部件，讓雙方均可從中獲益，并帶來更具經濟效益的開發及生產流程。

MIPI標準包含DSI（Display Serial Interface，顯示器串行接口）規范和CSI（Camera Serial Interface，相機串行接口），下面將對兩者進行詳盡的描述。

2. 如何界定MIPI CSI-2？

? ? ? ?CSI規范在市面上投入使用已有數年之久，目前已經研發出第三代技術，即CSI-3。與歷代標準相比，雖然CSI-3具備毋庸置疑的優勢（如其最大帶寬遠高于歷代技術），但因缺乏硬件支持，CSI-3在業內的發展大為受限。

目前獲得廣泛應用的CSI-2標準可以完全滿足當前的硬件要求，因此這可能也是限制CSI-3發展的另一因素。

MIPI CSI-2標準中描述了信號傳輸（D-PHY或C-PHY）的物理層以及用于圖像數據傳輸的協議，該協議是以CSI-2為基礎擬定的。該標準還指定了一種基于I2C總線的相機配置接口，即CCI（Camera Control Interface，相機控制接口）。

2.1. 物理層：C-PHY與D-PHY

? ? ? ?借助MIPI CSI-2標準，圖像數據可以按照順序通過單個通道，這將采用兩個或四個通道來連接成像芯片或相機模塊。其中，最大可用帶寬與通道的數量成線性比例關系，也就是說，使用四個通道時的可用帶寬是使用兩個通道時的2倍。

這個標準起源于智能手機領域，手機后置的高分辨率相機是與四個通道相連接的，而前置的低分辨率相機只采用兩個通道。因此，幾乎所有相應的片上處理器都會配備一個雙通道CSI-2接口以及一個四通道CSI-2接口。

通過C-PHY進行傳輸的物理圖像數據：

在C-PHY中，一個通道由三個導體組成，可實現帶有嵌入式時鐘的3相編碼編號。根據最新規范的說明，在此情況下每個通道的理論傳輸速率可達5.7 GBit/s。

通過D-PHY進行傳輸的物理圖像數據：

與C-PHY相比，D-PHY的結構更為簡單，其數據流是通過兩個導體進行差分傳輸的，這點與LVDS相似，并且所有通道可以共享一個外部時鐘線。

由于其結構較為簡單，因此該設置中的每個通道的數據傳輸速率較低，最高僅支持2.5 GBit/s。盡管D-PHY的帶寬較低（但依舊能完全滿足絕大部分應用的要求），依然頗受市場歡迎。

D-PHY和C-PHY也可以在對應的硬件中共存，例如單個芯片可利用其中任一技術進行運作。

相機控制接口（CCI）：

CSI-2還提供一項標準協議，它能以CCI（相機控制接口）的方式對芯片/相機模塊進行配置。

就物理層面而言，CCI以I2C總線為基礎，用戶一般可通過任意I2C接口來對相機模塊進行配置，目前幾乎所有SoC上均會提供多個I2C接口。

但是，芯片/相機模塊領域以及SoC本身都缺乏一致的標準（部分SoC有用于配置操作的專用I2C/CCI接口），并且，許多芯片/相機模塊并非通過標準化的CCI進行配置，而需采用各個制造商自己的專利技術來實現。

圖1：此處的C-PHY和D-PHY各自配備兩個通道與D-PHY相比，C-PHY可讓每個通道的帶寬提升至2倍以上

2.2. CSI-2協議層

? ? ? ?CSI-2是一種數據包（packet）導向型協議，因此，規范中特別描述了數據包格式。

圖2：CSI-2數據包格式

另外，規范中也指定了一般應用能正常使用的像素格式（如RGB、YUV、RAW和JPEG等）。然而，移動處理器的MIPI CSI-2驅動程序一般僅支持少數幾種像素格式（有時相關格式往往都是工業圖像處理領域中不常見的像素格式）。

2.3. MIPI CSI-2與工業標準的比較（以GenICam等標準為例）
MIPI CSI-2更大程度上是對“導線上標準”的一種描述，因此能夠與通過千兆網GigE進行圖像數據傳輸的GigEVision規范相比較。

與圖像處理市場常用的GenICam系列標準不同的是，MIPI CSI-2缺乏標準化的軟件堆棧和標準化的編程界面（應用程序編程界面，即API，如GenAPI所呈現的那樣），以及標準化的圖像數據接口（如GenTL）。

使用MIPI CSI-2時，圖像數據通常是通過Video4Linux (V4L)進行傳輸，但是此方式既沒有進行標準化，也尚未普遍適用。

3. MIPI CSI-2具備的優點

? ? ? ?由于移動市場龐大，移動處理器產量極高，再加上市場規模和競爭壓力，因此在短期內催生了性能效率不斷優化的處理器。

如今，即便是價格親民的低端處理器，也會在芯片上配備兩個MIPI CSI-2接口，可分別提供雙通道或四個通道。

許多過去只生產移動處理器的制造商（如高通、瑞芯微、三星）都在圖像處理領域探索出了一片新天地，現在已能小規模地為工業應用長期供應相關產品（有時是通過模塊合作伙伴來進行布局）。

與此同時，目前越來越多的常見工業嵌入式處理器（如NXP的i.MX系列、TI的部分Sitara SoC、NVIDIA TK1、TX1、TX2、Intel Atom SoC等）均開始配備MIPI CSI-2接口，因此在圖像處理領域中，這個新相機接口標準的應用可謂是大勢所趨。

CSI-2可實現外觀纖薄、價格親民的機器視覺設計，因而有望采用帶寬更高的芯片或相機模塊。但是價格實惠的處理器（并且其價格還在進一步下調）并不是導致單位成本下降的唯一因素。

由于處理器種類繁多，開發者可以根據應用來自由選擇理想的系統設計，比如：降低嵌入式系統的能源消耗。

從技術層面而言，利用MIPI CSI-2可以實現精巧的設計尺寸，因而可以通過扁平柔性線材進行板對板連接。如果不采用這種方式，就只能使用基于LVDS的連接（USB 3.0插頭占據的空間過大，因此不會考慮采用USB 3.0接口）。

圖3：MIPI CSI-2接口

借助MIPI CSI-2接口，圖像數據可以直接從相機模塊或芯片傳輸至處理器，也無需安裝相應的硬件（如微處理器等）。將這些利好因素綜合起來，即可開發出更加精巧的嵌入式系統。

4. MIPI CSI-2的潛在難題

? ? ? ?與高效的MIPI CSI-2相機接口同樣吸引人的是這項標準幾乎不會產生額外的成本，不過在開發過程中還需要充分考慮以下難題：

■ 線材長度

物理圖像數據傳輸技術（即D-PHY）僅限使用長度較短的線材，通常不能超過20 cm。對于移動應用而言（如智能手機），這一限制不會帶來任何問題。但在工業應用中，這種限制可能導致此技術最終無法適用。

■ 插頭

另一個不足之處是MIPI聯盟并未對MIPI CSI-2的插頭進行標準化。這意味著芯片/相機模塊必須單獨進行連接，且需采用專利技術。

■ 驅動程序支持

由于缺乏標準化的驅動程序和軟件堆棧，因而需要根據特定SoC的CSI-2驅動程序以及通過I2C專利驅動程序來單獨對芯片或相機模塊進行調整，以作為Video4Linux的子設備來使用。

換言之，在選擇一款設計用于SoC的芯片/相機模塊時，須確保相關模塊也具備相應的I2C驅動程序。不過，這也會大大局限了芯片/相機模塊和SoC的選擇。

■ 像素格式

如上所述，大部分CSI-2驅動程序支持的像素格式非常有限，并且不一定符合圖像處理領域要求的像素格式。

■ 相機API

在圖像處理領域中，GenICam系列標準備受市場歡迎。GenICam讓相機API得以實現標準化，確保用戶可以使用全部的相機功能。

規范中也對相機功能的命名進行了標準化，無需區分不同的制造商，這讓用戶能在更改相機型號甚至接口技術（如用USB 3.0 Vision替代GigEVision）時，不必對程序代碼進行重大變更。

相反，當一個相機模塊或SoC遷移至另一相機模塊或SoC時，如果缺乏標準化的相機功能命名和標準化的API，在重復利用現有代碼時就會困難重重。

其實只要有充足的經費，所有這些難題都能被攻克，但這也會增加研發和制造的成本（如運用更長的線材）。

各家工業相機制造商也正在努力為基于MIPI CSI-2的相機解決方案研發GenICam接口，這一技術不但可以提供所有的相機功能和像素格式，同時還能支持更長的線材（一米以上）。

5. 總結

? ? ? ?MIPI CSI-2接口可適用于嵌入式視覺系統，其具有成本效益的精益架構正是嵌入式視覺系統的理想之選。但是在相關相機模塊的集成方面，尤其是軟件層面，還需投入更多的努力。

用戶可能需要根據應用來調整驅動程序和圖像數據接口，另外還需要考慮到其他方面的限制，例如硬件導致的問題。

為確保能可靠地估算開發的工作量，系統開發商必須充分考慮驅動程序、潛在的現有相機軟件及其軟件接口的適用范圍和兼容性。

如果能在該方面找到可用的合適技術，那就能有望開發出高效的視覺系統，進而獲得性能卓越的最終產品。