Was ist eine UVC-Kamera? Ein Leitfaden für Anfänger

Im Bereich Embedded Vision sind UVC-Kameras (USB-Video-Klasse) aufgrund ihrer hohen Bandbreite, Zuverlässigkeit und einfachen Integration zur Kamera der Wahl für viele Embedded-Vision-Geräte geworden.
UVC-Kameras sindUSB-Kamerasdie dem UVC-Standard entsprechen, der für "USB Video Class" steht, ein Standardprotokoll, das eine nahtlose Kompatibilität zwischen verschiedenen Geräten ermöglicht, ohne dass zusätzliche Programme installiert werden müssen. Infolgedessen werden diese Kameras in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. in Zutrittskontrollsystemen, Augmented Reality und medizinischer Bildgebung.
In diesem Artikel werden wir die Grundlagen und Vorteile von UVC- und UVC-Kameras näher untersuchen und die Unterschiede zwischen UVC und MIPI vergleichen.

Was ist das UVC-Protokoll?

Das USB Video Class (UVC)-Protokoll ist ein Standard für die Übertragung von Videodaten über die USB-Schnittstelle. Es handelt sich um ein Protokoll, das vom USB Implementers Forum (USB-IF) entwickelt wurde und dessen Hauptzweck darin besteht, die Verbindung und Kommunikation zwischen Video-Digitalkameras und Computern zu standardisieren und zu vereinfachen.
Eines der Hauptmerkmale des UVC-Protokolls ist Plug-and-Play und breite Kompatibilität. Geräte wie Laptops und Smartphones unterstützen das UVC-Protokoll. UVC-Protokoll-konforme Videogeräte können direkt auf einer Vielzahl von Betriebssystemen und Hardwareplattformen verwendet werden und erfordern keine Installation spezieller Treiber. Wird häufig in Videokonferenzen, Online-Broadcasting und anderen Anwendungen verwendet.

Die Geschichte des UVC-Protokolls und wie es funktioniert

Die Entwicklung des USB Video Class (UVC)-Protokolls spiegelt die Entwicklung der Videotechnologie und der USB-Standards wider. Vom ursprünglichen UVC 1.0 bis zur neuesten Version hat sich das UVC-Protokoll kontinuierlich an neue Technologien und Marktanforderungen angepasst und bietet den Menschen standardisierte, effiziente und kompatible Videoübertragungslösungen.

Der früheste USB Video Class (UVC) 1.0-Standard wurde 2003 vom USB Implementers Forum (USB-IF) veröffentlicht. Seit ihrer Veröffentlichung wurde diese Version kontinuierlich aktualisiert, um eine breite Palette von Videoformaten zu unterstützen, einschließlich YUV und MJPEG, und bietet gleichzeitig eine Fülle von Steuerungsschnittstellen zum Anpassen verschiedener Parameter wie Helligkeit und Kontrast von Geräten. Später wurde USB-IF auf Basis von 1.0 optimiert, Unterstützung für High-Definition (HD)-Videoauflösung und Embedded-Verarbeitung für Geräte und andere technische Details hinzugefügt und 2005 UVC1.1, eine Iteration von UVC1.0, eingeführt, die eine wichtige Aktualisierung des UVC-Protokolls darstellte.

Danach erweiterte USB-IF die Funktionalität und den Anwendungsbereich des Protokolls weiter und führte 2012 die UVC-Version 1.5 ein. Es wurde Unterstützung für das H.264-Videokomprimierungsformat hinzugefügt, um die Videoübertragung effizienter zu machen, und Unterstützung für Multimedia-Synchronisation eingeführt, die die gleichzeitige Übertragung von Audio- und Videodaten ermöglicht.

Mit der Veröffentlichung von USB 3.x und USB 4.0 wurde das UVC-Protokoll verbessert, um eine höhere Bandbreite und geringere Latenz zu unterstützen. Zu diesen Verbesserungen gehören die Unterstützung von Videos mit höherer Auflösung (z. B. 4K und 8K), höhere Bildraten und ausgefeiltere Bildverarbeitungsfunktionen. Daher wird es auch häufig in Industriekameras, medizinischen Bildgebungsgeräten und Virtual-Reality-Geräten eingesetzt.

Und die Arbeit des UVC-Protokolls umfasst die folgenden Prozesse:
1. Geräteanschluss:Das Gerät ist mit dem Host verbunden, und der Host erkennt das Gerät anhand der USB-Enumeration.
2. Deskriptor-Anforderung:Der Host fordert den Gerätedeskriptor, den Konfigurationsdeskriptor, den Schnittstellendeskriptor und den Endpunktdeskriptor an und analysiert sie.
3. Steuergetriebe:Der Host legt Videoparameter fest und ruft den Gerätestatus über den Steuerungsendpunkt ab.
4. Datenübertragung:Der Host empfängt Video-Frame-Daten über den Videostreaming-Endpunkt und verarbeitet sie vom Anwendungsprogramm.

Was ist eine UVC-Kamera?

Die UVC-Kamera (d. h. USB Video Class Camera) ist, vereinfacht gesagt, eine USB-Kamera, die den UVC-Standard unterstützt, Standard-Video-Streaming-Funktionen integriert und nahtlos mit dem Host-Computer verbunden werden kann. Die neueste Version der USB Video Class-Spezifikation ist UVC 1.5.

Nachfolgend finden Sie ein Diagramm einer USB Video Class-Anwendung:

Er bietet die Plug-and-Play-Funktionalität und die robuste Kompatibilität des UVC-Standards. Insgesamt handelt es sich um eine bequeme und erschwingliche Lösung für die Echtzeit-Videoübertragung, die bei Videokonferenzen, Live-Streaming und anderen Anwendungen weit verbreitet ist.

Einige wichtige Vorteile von UVC-Kameras

In Embedded-Vision-Anwendungen sind UVC-Kameras im Vergleich zu anderen Kameras zweifellos einer der beliebtesten Kameratypen, hier sind einige Vorteile von UVC-Kameras:

• Plug-and-Play:UVC-Geräte können automatisch erkannt und verwendet werden, wenn sie mit Betriebssystemen verbunden sind, die das UVC-Protokoll unterstützen (z. B. Windows, macOS, Linux, etc.), ohne dass zusätzliche Treiber installiert werden müssen.
• Breite Kompatibilität:Das UVC-Protokoll ist ein offener Standard, und jedes Gerät, das dem Standard entspricht, kann auf Systemen arbeiten, die ihn unterstützen, wodurch eine breite Kompatibilität und Funktionsfähigkeit gewährleistet wird.
• Unterstützung von Standard-Videoformaten:Unterstützt eine Vielzahl von Videoformaten wie YUV, MJPEG, H.264 usw.
• Flexibilität:Seine robuste Flexibilität unterstützt eine Vielzahl von Videoauflösungen, Formaten und Bildraten, was sich auf die Bandbreitenaushandlung zwischen Geräten und Hosts auswirkt.
• Niedrige Kosten:Im Vergleich zu anderen Kameratypen sind UVC-Kameras zweifellos günstiger.

Betriebssysteme, die UVC-Kameras verwenden können

Aufgrund der breiten Kompatibilität des UVC-Protokolls ist es zur ersten Wahl für viele Videoaufnahmegeräte geworden. UVC-Kameras können auf fast allen gängigen Betriebssystemen laufen.

• Fenster:Windows 7 und höher verfügen über integrierte UVC-Treiber, die UVC-konforme Kameras automatisch erkennen und konfigurieren.
• macOS:macOS 10.4 Tiger und höher, einschließlich der neuesten macOS-Versionen wie Big Sur, Monterey und Ventura, können UVC-Kameras direkt verwenden.
• Linux:Der Linux-Kernel unterstützt nativ UVC-Geräte ab Version 2.6.26. Die meisten modernen Linux-Distributionen bieten diese Unterstützung.
• Chrome OS:Chromebooks und andere Geräte mit Chrome OS unterstützen UVC-Kameras nativ. Das System erkennt und konfiguriert die Kamera automatisch, sobald der Benutzer sie mit dem Gerät verbindet.
• Android:Viele Android-Geräte unterstützen den Anschluss von UVC-Kameras über USB OTG (On-The-Go). Einzelne Anwendungen, die UVC-Unterstützung erfordern (z. B. einige Kamera-Apps von Drittanbietern), sind für die Verwendung von UVC-Kameras erforderlich.

Auch FreeBSD und andere Embedded-Systeme (z.B. Raspberry Pi) unterstützen UVC-Geräte, erfordern jedoch möglicherweise eine manuelle Konfiguration und das Laden der entsprechenden Treiber oder eine entsprechende Betriebssystem- und Treiberkonfiguration.

Einige beliebte Anwendungen für UVC-Kameras

Medizinprodukte
Im medizinischen Bereich sind die hohe Empfindlichkeit, die genaue Farbwiedergabe und die hohe Bildqualität von UVC-Kameras von entscheidender Bedeutung für spezialisierte medizinische Geräte, die eine hohe Auflösung und Geschwindigkeit erfordern.
In der minimal-invasiven Chirurgie können beispielsweise UVC-Kameras mit Endoskopen und anderen Geräten verbunden werden, um den Operationsbereich in Echtzeit zu überwachen, sodass der Chirurg präzise arbeiten und Traumata reduzieren kann.

Intelligente Zutrittskontrolle und Biometrie
UVC-Kameras liefern zuverlässige visuelle Vergleichsdaten für die Identitätsprüfung, indem sie qualitativ hochwertige Bilder aufnehmen. Es wird häufig in der Biometrie zur Gesichtserkennung, Iriserkennung und Fingerabdruck-Scan verwendet, um eine genaue Identitätsprüfung zu gewährleisten.
Aus Sicherheitsgründen integrieren wir beispielsweise Fingerabdruckerkennungstechnologie in Zugangskontrollsysteme, bei denen UVC-Kameras Fingerabdruckbilder erfassen, um sicherzustellen, dass nur autorisiertes Personal Zugang zu bestimmten Bereichen hat, um Sicherheit und Privatsphäre zu gewährleisten.

Videoüberwachung
UVC-Kameras können auch für die Videoüberwachung und -überwachung eingesetzt werden. Egal, ob Sie Ihr Büro oder einen anderen Bereich überwachen möchten, UVC-Kameras liefern zuverlässige Live-Bilder.
Ihre überlegene Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen bietet Ihnen eine 24/7-Live-Überwachung, sodass Sie Ihre Umgebung weiterhin beobachten und sich entspannt ausruhen können.

Tipps zur Optimierung der Leistung von UVC-Kameras

Die Leistung einer UVC-Kamera kann durch einige spezifische Einstellungen oder Umgebungsfaktoren maximiert werden, wie z. B.:
Linse:Ein hochwertiges Objektiv kann die Bildschärfe und Farbwiedergabe erheblich verbessern.
USB-Anschlüsse:Priorisieren Sie die Verwendung von USB 3.0-Anschlüssen und stellen Sie gleichzeitig sicher, dass sie nicht mit anderen Geräten mit hoher Bandbreite geteilt werden, um Bandbreiteneinschränkungen zu vermeiden.
Beleuchtung:Stellen Sie sicher, dass die Umgebung, in der es verwendet wird, über eine ausreichende und gleichmäßige Beleuchtung verfügt, um das Rauschen zu reduzieren, die Bildqualität zu verbessern und Überbelichtung und Blendung zu vermeiden.
Videoformat:Wählen Sie das passende Videoformat. MJPEG und H.264 bieten in der Regel eine bessere Komprimierungseffizienz bei hohen Auflösungen.

Vergleich von UVC- und MIPI-Kameras

UVC- und MIPI-Kameras sind heute beide in Embedded-Vision-Anwendungen weit verbreitet. Bei beiden handelt es sich um Schnittstellentypen für Digitalkameras, aber es gibt einige grundlegende Unterschiede.
Zunächst einmal in Bezug auf die Schnittstelle, verwenden UVC-Kameras die USB-Schnittstelle zur Datenübertragung, während MIPI-Kameras die MIPI-Schnittstelle (Mobile Industry Processor Interface) zur Datenübertragung verwenden. Im Vergleich dazu konzentriert sich die MIPI-Schnittstelle mehr auf hohe Geschwindigkeit und geringen Stromverbrauch und wird häufig in mobilen Geräten wie Mobiltelefonen und Drohnen verwendet, bei denen der Stromverbrauch begrenzt ist.
Zweitens übertragen UVC-Kameras und MIPI-Kameras nicht hauptsächlich die gleiche Art von Daten; UVC-Kameras konzentrieren sich mehr auf die Übertragung von Videodaten, während MIPI-Kameras sowohl zur Übertragung von Bild- als auch von Videodaten verwendet werden können. MIPI-Kameras sind auf die Aufnahme hochwertiger Standbilder ausgerichtet.
Letztendlich hängt die Wahl zwischen UVC-Kameras und MIPI-Kameras von den tatsächlichen Anforderungen der Anwendung ab. UVC-Kameras sind aufgrund ihrer einfachen Bedienung und Einrichtung sowie ihrer breiten Kompatibilität ideal für die Übertragung von Videodaten, während MIPI-Kameras aufgrund ihrer hervorragenden Leistung bei geringem Stromverbrauch die erste Wahl für die Übertragung von Bildern und Videodaten auf vielen mobilen Geräten wie Mobiltelefonen sind.

Schlussfolgerung

Im heutigen Zeitalter der sozialen Medien sind Kameras zu einem unverzichtbaren Bestandteil aller Arten von intelligenten Geräten geworden, und UVC-Kameras bieten Plug-and-Play-Funktionalität, hochauflösende Videoqualität und umfassende Kompatibilität mit einer Vielzahl von Geräten. Ob für den professionellen Einsatz in Videokonferenzen und Telemedizin oder für den persönlichen Gebrauch im Live-Streaming und in der Online-Bildung, UVC-Kameras bieten eine vielseitige und kostengünstige Lösung. Wenn Sie die Funktionen, Vorteile und Anwendungen verstehen, können Sie fundierte Entscheidungen treffen, um die UVC-Technologie effektiv zu nutzen.

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