Comprendre la classe de vídeo USB (UVC) Protocol per a mòduls de càmeres USB

La classe de vídeo USB (UVC) Protocol és un marc normalitzat que permet la funcionalitat de plug-and-play per als dispositius d’imatge connectats a USB, com ara càmeres web, escàners de documents, i càmeres industrials. En adherir -se a les especificacions UVC, Els fabricants eliminen la necessitat de conductors propietaris, Garantir la compatibilitat entre sistemes operatius i simplificar el desplegament. Aquest article aprofundeix en l'estructura tècnica, Mecanismes de comunicació, i implicacions pràctiques de la UVC en els mòduls de la càmera USB.

Arquitectura bàsica del protocol UVC

UVC funciona dins del marc de la classe de dispositius USB, Definició de com es transmeten i es controlen les dades de vídeo entre un host (P., un ordinador) i un perifèric (P., Una càmera). El protocol es basa en tres capes primàries:

Interfície de control: Aquesta capa gestiona la configuració del dispositiu, inclosa la resolució, velocitat de fotogrames, i Configuració de potència. Utilitza transferències estàndard de control USB per comunicar -se amb el firmware de la càmera. Per exemple, Un host pot sol·licitar la càmera per canviar de resolució de 720p a 1080p enviant una comanda de control específica.

Interfície de streaming: La interfície de streaming gestiona la transferència de dades de vídeo en temps real. Admet diversos formats, com ara YUV no comprimit o comprimit MJPEG/H.264, Segons les capacitats de la càmera. Les dades es transmeten mitjançant transferències isòcrones o a granel, amb isochrones preferits per a aplicacions de baixa latència com la videoconferència.

Interrupció de la interfície: Utilitzat per a notificacions asíncrones, Aquesta capa alerta l'amfitrió a esdeveniments com ara les premses de botons (P., el botó de captura de la càmera) o canvis en l'estat del dispositiu. Funciona mitjançant transferències d’interrupció, que prioritzen el lliurament puntual sobre grans volums de dades.

Sol·licituds i descriptors de control UVC
UVC defineix un conjunt de sol·licituds de control normalitzades que els amfitrions utilitzen per interactuar amb les càmeres. Aquestes sol·licituds estan encapsulades en els paquets de configuració USB i inclouen:

Vc_request_set_cur i vc_request_get_cur: Aquestes ordres configuren o recuperen el valor actual d’un paràmetre de control, com la brillantor o el contrast. Per exemple, Ajustar la configuració d’exposició consisteix en enviar una sol·licitud Set_Cur amb el temps d’exposició desitjat.

Vc_request_get_min/max/res: Aquests recuperen el mínim, màxim, i resolució (Mida del pas) d’un control, Habilitant l'amfitrió per validar les entrades de l'usuari. Una càmera podria informar d'un rang d'exposició d'1/30 a 1/10.000, permetent al programari limitar els lliscadors en conseqüència.

Videocontrol (VC) i videostreaming (Vs) Descriptors: Els descriptors són estructures de metadades que informen de l'amfitrió sobre les capacitats de la càmera. El descriptor VC descriu els controls compatibles (P., zoom, equilibri blanc), Mentre que els formats de detalls del descriptor VS, Tarifes de marc, i Resolucions. Per exemple, Un descriptor VS podria llistar el 1920×1080@30fps com un dels diversos modes disponibles.

Formats de dades i estàndards de compressió
UVC admet una varietat de formats de vídeo per equilibrar la qualitat i l'eficiència de l'amplada de banda:

Formats no comprimits: Produir (P., YUY2, Nv12) i RGB s'utilitzen habitualment per a aplicacions d'alta fidelitat. Els formats de iuv separen la lluminància (I) de crominància (U/v), Reduir la mida de les dades sense pèrdues de qualitat significatives. Aquests formats són ideals per a l’edició de vídeo professional o les tasques de visió de la màquina que requereixen dades de píxels en brut.

Formats comprimits: MJPEG i H.264/H.265 són populars per a escenaris restringits per l'ample de banda. MJPEG comprimeix cada marc de manera independent, simplificant la implementació, però produint fitxers més grans que els còdecs inter-marcs com H.264. Les càmeres UVC modernes sovint admeten H.264 per a la transmissió, A mesura que aconsegueix relacions de compressió elevades amb latència mínima.

Format de negociació: Durant la inicialització, L’amfitrió i la càmera negocien el format òptim mitjançant una sèrie d’intercanvis de descriptors. La càmera anuncia les seves capacitats, i l'amfitrió selecciona un mode compatible basat en l'amplada de banda disponible i els requisits d'aplicació.

Extensibilitat i extensions específiques del venedor
Mentre que la UVC proporciona una base robusta, Els venedors poden ampliar la funcionalitat mitjançant controls o formats propietaris. Aquestes extensions han de conviure amb les ordres UVC estàndard per mantenir la compatibilitat.

Controls específics del venedor: Els fabricants poden definir controls personalitzats (P., reducció avançada de soroll o detecció d’escenes basada en IA) Utilitzant el descriptor uvc_vs_processing_unit. S’accedeix a aquests controls mitjançant els mateixos mecanismes SET_CUR/Get_CUR, però utilitzeu identificadors assignats per venedors.

Unitats d'extensió (XU): XUS permet als venedors afegir blocs de processament (P., Tonemapping HDR en xip) Més enllà del marc UVC estàndard. Cada XU s’identifica mitjançant un guia únic i inclou el seu propi conjunt de controls. El programari amfitrió ha de donar suport explícitament a aquestes extensions per aprofitar les seves funcions.

Compliment i interoperabilitat: Per assegurar una àmplia compatibilitat, Els venedors solen enviar els seus dispositius per a la certificació USB-IF. Els dispositius certificats s’adhereixen a les especificacions UVC, Reducció del risc de conflictes de conductor o comportaments inesperats a les plataformes com Windows, macOS, i Linux.

Implicacions pràctiques per a desenvolupadors i usuaris
Per als desenvolupadors, UVC simplifica la integració proporcionant una API unificada per al control de la càmera. Biblioteques com libuvc (Linux) o DirectShow (Finestres) Resum comunicació USB de baix nivell, Habilitant el desenvolupament ràpid de les aplicacions de vídeo.

Suport multiplataforma: Les càmeres compatibles amb la UVC funcionen perfectament en sistemes operatius principals sense requerir controladors personalitzats. Això és especialment avantatjós per als desplegaments empresarials, Quan la gestió dels conductors de milers de dispositius pot costar -se.

Programa de futur: A mesura que evolucionen els estàndards USB (P., USB4), El disseny modular de la UVC li permet adaptar. Càmeres que donen suport a la UVC 1.5 o més tard pot aprofitar les capacitats avançades, com ara commutació de resolució multi-streaming o dinàmica.

Conclusió (Exclòs segons els requisits)
L’enfocament normalitzat del protocol UVC per a la comunicació del dispositiu de vídeo garanteix la fiabilitat, compatibilitat, i facilitat d’ús. Entendre la seva arquitectura, Mecanismes de control, i opcions d’extensibilitat, Els desenvolupadors i usuaris poden optimitzar els mòduls de càmeres USB per a aplicacions diverses, Des de l’electrònica de consum fins a l’automatització industrial.