UVC (USB Video device Class)

Стандарт реализует принцип «подключи и работай» (Plug & Play): операционная система автоматически распознаёт камеру, загружает встроенный универсальный драйвер и настраивает устройство без участия пользователя и установки стороннего ПО.

Спецификация UVC определяет единые дескрипторы для описания возможностей видеоустройства, а также набор управляющих USB-запросов для настройки параметров видеопотока: разрешения, частоты кадров, формата сжатия и баланса белого. Это даёт производителям гибкость в разработке многоформатных камер и обеспечивает автоматическое согласование пропускной способности шины в зависимости от ресурсов хоста и текущего режима работы.

Встроенная поддержка UVC реализована во всех современных операционных системах (Windows, macOS, Linux, Android, iOS) и даже в игровых консолях (начиная с PlayStation 3). Благодаря этому разработчикам не нужно писать проприетарные драйверы, а производители могут выпускать камеры, совместимые с любой платформой «из коробки». Сегодня стандарт UVC поддерживается абсолютным большинством потребительских веб-камер и профессиональных PTZ-камер для видеоконференцсвязи, трансляций и систем машинного зрения.

История UVC

Первая версия спецификации UVC 1.0 была опубликована в 2003 году консорциумом USB-IF (USB Implementers Forum). Этот релиз заложил фундамент универсального протокола для передачи видео через USB, избавив производителей от необходимости разрабатывать проприетарные драйверы под каждую операционную систему.

В 2005 году вышло обновление UVC 1.1, которое расширило набор управляющих запросов и добавило поддержку новых форматов сжатия, улучшив совместимость с растущим парком видеоустройств.

На текущий момент актуальной остаётся версия UVC 1.5, выпущенная в 2012 году. Это масштабное обновление принесло три ключевых улучшения:

• Поддержка USB 3.0 — увеличение пропускной способности шины до 5 Гбит/с позволило передавать видео высокого разрешения (включая Full HD и 4K) с минимальной компрессией и задержками.
• Аппаратное кодирование — добавлена нативная поддержка кодеков H.264 и VP8 непосредственно на уровне устройства, что снижает нагрузку на центральный процессор хоста и обеспечивает плавную картинку даже на маломощных системах.
• Расширенное управление — новые инструменты для контроля параметров видеопотока (битрейт, профиль кодирования, метаданные), что критично для профессиональных сценариев: видеоконференцсвязи, телетрансляций и систем машинного зрения.

Благодаря эволюции стандарта, современные UVC-устройства обеспечивают баланс между качеством изображения, производительностью и универсальной совместимостью — от бюджетных веб-камер до профессиональных PTZ-комплексов и медицинских эндоскопов.

Пример использования USB Video Class

Для примера рассмотрим, как стандарт UVC помогает разработать устройство на базе чипов XMOS, предназначенных специально для использования в интернете вещей и аудио/видео устройствах. Ниже представлена простейшая логическая схема работы с данной технологией.

В этом случае для разработки используется библиотека USB-устройств XMOS. В результате создаётся простая программа, которая считывает устройство USB Video Class на хост-машине и передает несжатый видеопоток в формате YUV со скоростью 30 к/с в программное обеспечение для захвата видео, например, OBS Studio. В качестве аппаратной составляющей применяется многоядерный микроконтроллер xCORE-USB.

Для обработки сигналов от USB-видеоустройства система включает три процесса, выполняемые на отдельных логических ядрах микроконтроллера:

• подпрограмма, реализующая возможности библиотеки связи через USB (XUD Manager);
• обработчик, отвечающий как на стандартные запросы USB, так и на запросы USB для конкретных классов видео (Common Endpoints Handler);
• процесс для отправки видеоданных через ПО для потоковой передачи (Video Endpoints Handler).

Эти задачи взаимодействуют с помощью каналов XConnect, которые позволяют передавать данные между прикладным кодом, работающим на отдельных логических ядрах.На следующей диаграмме показаны задачи и структура связи для вышеописанного примера.

Поддерживаемые форматы видеопотока в UVC 1.5

Спецификация UVC 1.5 обеспечивает поддержку широкого спектра кодеков и структур видеоданных, позволяя камерам передавать поток в оптимальном формате без дополнительной программной обработки на стороне хоста:

• Аппаратные кодеки: H.264/AVC, VP8, MJPEG, MPEG-1 SS, MPEG-2 PS/TS, MPEG-4, SMPTE VC-1
• Несжатые форматы: YUV (YUY2, NV12 и другие цветовые пространства)
• Форматы цифрового видео (DV): SD-DV, SDL-DV, HD-DV

Такой набор форматов даёт производителям гибкость в выборе баланса между качеством изображения, нагрузкой на ЦП и требуемой пропускной способностью USB-шины.

Поддержка операционными системами

Встроенные драйверы UVC реализованы в большинстве современных ОС. Минимальные версии для работы разных спецификаций приведены в таблице: