Comprendre la classe vidéo USB (UVC) Protocole pour les modules de caméra USB

La classe vidéo USB (UVC) Le protocole est un cadre standardisé qui permet une fonctionnalité plug-and-play pour les appareils d'imagerie connectés par USB., comme les webcams, scanners de documents, et caméras industrielles. En adhérant aux spécifications UVC, les fabricants éliminent le besoin de pilotes propriétaires, assurer la compatibilité entre les systèmes d’exploitation et simplifier le déploiement. Cet article approfondit la structure technique, mécanismes de communication, et implications pratiques des UVC dans les modules de caméra USB.

Architecture de base du protocole UVC

UVC fonctionne dans le cadre de classe de périphérique USB, définir la manière dont les données vidéo sont transmises et contrôlées entre un hôte (Par exemple, un ordinateur) et un périphérique (Par exemple, un appareil photo). Le protocole est construit sur trois couches principales:

Interface de contrôle: Cette couche gère la configuration des appareils, y compris la résolution, fréquence d'images, et réglages de puissance. Il utilise des transferts de contrôle USB standard pour communiquer avec le micrologiciel de l'appareil photo.. Par exemple, un hôte peut demander à la caméra de passer d'une résolution de 720p à 1080p en envoyant une commande de contrôle spécifique.

Interface de diffusion en continu: L'interface de streaming gère le transfert de données vidéo en temps réel. Il prend en charge plusieurs formats, comme YUV non compressé ou MJPEG/H.264 compressé, en fonction des capacités de la caméra. Les données sont transmises via des transferts isochrones ou en masse, l'isochronisme étant préféré pour les applications à faible latence comme la vidéoconférence.

Interface d'interruption: Utilisé pour les notifications asynchrones, cette couche alerte l'hôte d'événements tels que les pressions sur des boutons (Par exemple, le bouton instantané d'un appareil photo) ou des changements dans l'état de l'appareil. Il fonctionne par transferts d'interruptions, qui donnent la priorité à une livraison rapide sur de gros volumes de données.

Requêtes et descripteurs de contrôle UVC
UVC définit un ensemble de requêtes de contrôle standardisées que les hôtes utilisent pour interagir avec les caméras. Ces requêtes sont encapsulées dans des paquets de configuration USB et incluent:

VC_REQUEST_SET_CUR et VC_REQUEST_GET_CUR: Ces commandes définissent ou récupèrent la valeur actuelle d'un paramètre de contrôle, comme la luminosité ou le contraste. Par exemple, le réglage des paramètres d'exposition implique l'envoi d'une requête SET_CUR avec le temps d'exposition souhaité.

VC_REQUEST_GET_MIN/MAX/RES: Ceux-ci récupèrent le minimum, maximum, et résolution (taille de pas) d'un contrôle, permettre à l'hôte de valider les entrées de l'utilisateur. Un appareil photo peut signaler une plage d'exposition de 1/30 s à 1/10 000 s, permettre au logiciel de contraindre les curseurs en conséquence.

Contrôle vidéo (Capital-risque) et diffusion vidéo (CONTRE) Descripteurs: Les descripteurs sont des structures de métadonnées qui informent l'hôte sur les capacités de la caméra.. Le descripteur VC décrit les contrôles pris en charge (Par exemple, zoom, balance des blancs), tandis que le descripteur VS détaille les formats, fréquences d'images, et résolutions. Par exemple, un descripteur VS pourrait lister 1920×1080@30fps comme l'un des nombreux modes disponibles.

Formats de données et normes de compression
UVC prend en charge une variété de formats vidéo pour équilibrer la qualité et l'efficacité de la bande passante:

Formats non compressés: YUV (Par exemple, YUY2, NV12) et RVB sont couramment utilisés pour les applications haute fidélité. Les formats YUV séparent la luminance (Oui) de la chrominance (UV/V), réduire la taille des données sans perte de qualité significative. Ces formats sont idéaux pour les tâches professionnelles de montage vidéo ou de vision industrielle nécessitant des données de pixels brutes..

Formats compressés: MJPEG et H.264/H.265 sont populaires pour les scénarios de bande passante limitée. MJPEG compresse chaque image indépendamment, simplifiant la mise en œuvre mais produisant des fichiers plus volumineux que les codecs inter-frame comme H.264. Les caméras UVC modernes prennent souvent en charge H.264 pour le streaming, car il atteint des taux de compression élevés avec une latence minimale.

Négociation de format: Pendant l'initialisation, l'hôte et la caméra négocient le format optimal grâce à une série d'échanges de descripteurs. La caméra annonce ses capacités, et l'hôte sélectionne un mode compatible en fonction de la bande passante disponible et des exigences de l'application..

Extensibilité et extensions spécifiques au fournisseur
Alors que l'UVC fournit une base solide, les fournisseurs peuvent étendre les fonctionnalités via des contrôles ou des formats propriétaires. Ces extensions doivent coexister avec les commandes UVC standards pour maintenir la compatibilité.

Contrôles spécifiques au fournisseur: Les fabricants peuvent définir des contrôles personnalisés (Par exemple, réduction avancée du bruit ou détection de scène basée sur l'IA) en utilisant le descripteur UVC_VS_PROCESSING_UNIT. Ces contrôles sont accessibles via les mêmes mécanismes SET_CUR/GET_CUR mais utilisent des identifiants attribués par le fournisseur..

Unités d'extension (XU): Les XU permettent aux fournisseurs d'ajouter des blocs de traitement (Par exemple, mappage de tons HDR sur puce) au-delà du cadre UVC standard. Chaque XU est identifié par un GUID unique et comprend son propre ensemble de contrôles. Le logiciel hôte doit explicitement prendre en charge ces extensions pour exploiter leurs fonctionnalités.

Conformité et interopérabilité: Pour garantir une large compatibilité, les fournisseurs soumettent souvent leurs appareils à la certification USB-IF. Les appareils certifiés respectent les spécifications UVC, réduire le risque de conflits de pilotes ou de comportement inattendu sur des plates-formes telles que Windows, macOS, et Linux.

Implications pratiques pour les développeurs et les utilisateurs
Pour les développeurs, UVC simplifie l'intégration en fournissant une API unifiée pour le contrôle des caméras. Des bibliothèques comme libuvc (Linux) ou DirectShow (Fenêtres) communication USB abstraite de bas niveau, permettant un développement rapide d'applications vidéo.

Prise en charge multiplateforme: Les caméras compatibles UVC fonctionnent de manière transparente sur les principaux systèmes d'exploitation sans nécessiter de pilotes personnalisés. Ceci est particulièrement avantageux pour les déploiements en entreprise, où la gestion des pilotes sur des milliers d'appareils peut être coûteuse.

À l’épreuve du temps: À mesure que les normes USB évoluent (Par exemple, USB4), La conception modulaire de l'UVC lui permet de s'adapter à des bandes passantes plus élevées et à de nouvelles fonctionnalités telles que la fourniture d'énergie.. Caméras prenant en charge UVC 1.5 ou version ultérieure peuvent profiter de fonctionnalités avancées, comme le multi-streaming ou la commutation de résolution dynamique.

Conclusion (Exclu selon les exigences)
L'approche standardisée du protocole UVC en matière de communication avec les appareils vidéo garantit la fiabilité, compatibilité, et facilité d'utilisation. En comprenant son architecture, mécanismes de contrôle, et options d'extensibilité, les développeurs et les utilisateurs peuvent optimiser les modules de caméra USB pour diverses applications, de l'électronique grand public à l'automatisation industrielle.