USB Video Sınıfını Anlamak (UVC) USB Kamera Modülleri için Protokol

USB Video Sınıfı (UVC) protokol, USB bağlantılı görüntüleme cihazları için tak ve çalıştır işlevselliğini sağlayan standartlaştırılmış bir çerçevedir, web kameraları gibi, belge tarayıcıları, ve endüstriyel kameralar. UVC spesifikasyonlarına bağlı kalarak, üreticiler tescilli sürücülere olan ihtiyacı ortadan kaldırıyor, işletim sistemleri arasında uyumluluğun sağlanması ve dağıtımın basitleştirilmesi. Bu makale teknik yapıyı ele almaktadır, iletişim mekanizmaları, ve USB kamera modüllerinde UVC'nin pratik sonuçları.

UVC Protokolünün Temel Mimarisi

UVC, USB cihaz sınıfı çerçevesinde çalışır, Bir ana bilgisayar arasında video verilerinin nasıl iletildiğini ve kontrol edildiğini tanımlama (Örn., bir bilgisayar) ve bir çevre birimi (Örn., bir kamera). Protokol üç ana katman üzerine kurulmuştur:

Kontrol Arayüzü: Bu katman cihaz yapılandırmasını yönetir, çözünürlük dahil, kare hızı, ve güç ayarları. Kameranın donanım yazılımıyla iletişim kurmak için standart USB kontrol aktarımlarını kullanır. Örneğin, bir ana bilgisayar, belirli bir kontrol komutu göndererek kameranın 720p'den 1080p çözünürlüğe geçmesini talep edebilir.

Akış Arayüzü: Akış arayüzü gerçek zamanlı video veri aktarımını yönetir. Birden fazla formatı destekler, sıkıştırılmamış YUV veya sıkıştırılmış MJPEG/H.264 gibi, kameranın özelliklerine bağlı olarak. Veriler eş zamanlı veya toplu aktarımlar yoluyla iletilir, video konferans gibi düşük gecikmeli uygulamalar için eş zamanlılığın tercih edilmesiyle.

Kesinti Arayüzü: Eşzamansız bildirimler için kullanılır, bu katman, ana bilgisayarı düğmeye basma gibi olaylar konusunda uyarır (Örn., bir kameranın anlık görüntü düğmesi) veya cihaz durumundaki değişiklikler. Kesinti transferleri yoluyla çalışır, Büyük veri hacimleri yerine zamanında teslimata öncelik veren.

UVC Kontrol İstekleri ve Tanımlayıcıları
UVC, ana bilgisayarların kameralarla etkileşimde bulunmak için kullandığı bir dizi standartlaştırılmış kontrol isteğini tanımlar. Bu istekler USB kurulum paketlerinde kapsüllenmiştir ve şunları içerir::

VC_REQUEST_SET_CUR ve VC_REQUEST_GET_CUR: Bu komutlar bir kontrol parametresinin mevcut değerini ayarlar veya alır, parlaklık veya kontrast gibi. Örneğin, pozlama ayarlarının ayarlanması, istenen pozlama süresiyle birlikte bir SET_CUR isteğinin gönderilmesini içerir.

VC_REQUEST_GET_MIN/MAX/RES: Bunlar minimum değeri alır, maksimum, ve çözünürlük (adım boyutu) bir kontrolün, ana bilgisayarın kullanıcı girişlerini doğrulamasını etkinleştirme. Bir kamera 1/30 saniye ile 1/10.000 saniye arasında bir pozlama aralığı bildirebilir, yazılımın kaydırıcıları buna göre kısıtlamasına izin vermek.

Video Kontrolü (VC) ve Video Akışı (VS) Tanımlayıcılar: Tanımlayıcılar, ana bilgisayara kameranın yetenekleri hakkında bilgi veren meta veri yapılarıdır.. VC tanımlayıcısı desteklenen kontrollerin ana hatlarını çizer (Örn., yakınlaştırma, beyaz dengesi), VS tanımlayıcısı formatları detaylandırırken, kare hızları, ve kararlar. Örneğin, bir VS tanımlayıcısı 1920'yi listeleyebilir×1080Mevcut çeşitli modlardan biri olarak @30fps.

Veri Formatları ve Sıkıştırma Standartları
UVC, kaliteyi ve bant genişliği verimliliğini dengelemek için çeşitli video formatlarını destekler:

Sıkıştırılmamış Formatlar: YUV (Örn., YIKAMA2, NV12) ve RGB, yüksek kaliteli uygulamalar için yaygın olarak kullanılır. YUV formatları parlaklığı ayırır (e) renklilikten (U/V), Önemli kalite kaybı olmadan veri boyutunun azaltılması. Bu formatlar, ham piksel verileri gerektiren profesyonel video düzenleme veya makine görüşü görevleri için idealdir..

Sıkıştırılmış Formatlar: MJPEG ve H.264/H.265, bant genişliği kısıtlı senaryolar için popülerdir. MJPEG her kareyi bağımsız olarak sıkıştırır, uygulamayı basitleştirir ancak H.264 gibi çerçeveler arası codec bileşenlerinden daha büyük dosyalar üretir. Modern UVC kameralar genellikle akış için H.264'ü destekler, minimum gecikmeyle yüksek sıkıştırma oranlarına ulaştığı için.

Müzakereyi Biçimlendir: Başlatma sırasında, sunucu ve kamera bir dizi tanımlayıcı alışverişi yoluyla en uygun formatı görüşür. Kamera yeteneklerinin reklamını yapıyor, ve ana bilgisayar, mevcut bant genişliği ve uygulama gereksinimlerine göre uyumlu bir mod seçer.

Genişletilebilirlik ve Satıcıya Özel Uzantılar
UVC sağlam bir temel sağlarken, Satıcılar, özel kontroller veya formatlar aracılığıyla işlevselliği genişletebilir. Uyumluluğu korumak için bu uzantıların standart UVC komutlarıyla bir arada bulunması gerekir.

Satıcıya Özel Kontroller: Üreticiler özel kontroller tanımlayabilir (Örn., gelişmiş gürültü azaltma veya yapay zeka tabanlı sahne algılama) UVC_VS_PROCESSING_UNIT tanımlayıcısını kullanarak. Bu kontrollere aynı SET_CUR/GET_CUR mekanizmaları aracılığıyla erişilir ancak satıcı tarafından atanan tanımlayıcılar kullanılır.

Uzatma Üniteleri (XU): XU'lar satıcıların işleme blokları eklemesine olanak tanır (Örn., çip üzerinde HDR ton eşleme) standart UVC çerçevesinin ötesinde. Her XU benzersiz bir GUID ile tanımlanır ve kendi kontrol setini içerir. Ana yazılım, bu uzantıların özelliklerinden yararlanabilmek için açıkça desteklemelidir.

Uyumluluk ve Birlikte Çalışabilirlik: Geniş uyumluluk sağlamak için, Satıcılar genellikle cihazlarını USB-IF sertifikası için gönderir. Sertifikalı cihazlar UVC spesifikasyonlarına uygundur, Windows gibi platformlarda sürücü çakışması veya beklenmeyen davranış riskini azaltmak, macOS, ve Linux.

Geliştiriciler ve Kullanıcılar için Pratik Çıkarımlar
Geliştiriciler için, UVC, kamera kontrolü için birleşik bir API sağlayarak entegrasyonu basitleştirir. Libuvc gibi kütüphaneler (Linux) veya DirectShow (Windows) soyut düşük seviyeli USB iletişimi, video uygulamalarının hızlı bir şekilde geliştirilmesini sağlamak.

Platformlar Arası Destek: UVC uyumlu kameralar, özel sürücüler gerektirmeden büyük işletim sistemlerinde sorunsuz bir şekilde çalışır. Bu özellikle kurumsal dağıtımlar için avantajlıdır, binlerce cihazdaki sürücüleri yönetmenin maliyetli olabileceği yerler.

Geleceğe Hazırlama: USB standartları geliştikçe (Örn., USB4), UVC'nin modüler tasarımı, daha yüksek bant genişliklerine ve güç dağıtımı gibi yeni özelliklere uyum sağlamasına olanak tanır. UVC'yi destekleyen kameralar 1.5 veya daha yenisi gelişmiş yeteneklerden yararlanabilir, çoklu akış veya dinamik çözünürlük değiştirme gibi.

Çözüm (Gereksinimlere göre hariç tutuldu)
UVC protokolünün video cihazı iletişimine standartlaştırılmış yaklaşımı güvenilirliği sağlar, uyumluluk, ve kullanım kolaylığı. Mimarisini anlayarak, kontrol mekanizmaları, ve genişletilebilirlik seçenekleri, geliştiriciler ve kullanıcılar USB kamera modüllerini çeşitli uygulamalar için optimize edebilir, tüketici elektroniğinden endüstriyel otomasyona.