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【Tutorial】OpenQCam 樹莓派迷你開源相機

作者:Jack Hsu

多年來,從網路上找到許多幫助我完成工作的參考資料或是程式片段,但自己卻從未貢獻過,在討論區回覆都沒有,實在有點不好意思。這是我的第一個開源專案,與其說是開源,不如說是我把網路上找到的一堆可用破碎片段,重新整理好並實做出來。此次選擇用中文撰寫,是為了方便大家閱讀,因為網路上許多有用的內容多半用英文。未來或許會再加寫英文版本提供更多網友使用,若有網友願意協助翻譯成各國文,亦歡迎連結推廣。

前言

本專案利用樹莓派 Pi Zero W、500 萬素相機模組、2.2 吋 SPI 介面 QVGA (320*240 像素)解析度 TFT LCD、OpenCV (C++版本),完成一台迷你可愛版數位相機【OpenQCam】,有兩個按鍵及兩個 LED,可按鈕拍照、儲存並同步顯示在 TFT LCD 上。做為後續開發更進階的小型嵌入式智慧型攝影機、電腦(機器)視覺、 人工智慧影像分析應用的軟硬體前置環境建立,大家可依此架構再擴展成自己想要的功能。

開源迷你相機 OpenQCam 成品圖(圖片來源:Jack Hsu提供)

一、硬體需求:

在執行本專案前,先要備妥下列元件:

  1. 樹莓派 Pi Zero W 一片 (使用 Pi 1, 2 ,3, Zero 皆可,只是有些設定方式不同, 後面會補充說明)
  2. 樹莓派 Pi Zero 專用 500 萬畫素相機 (其它解析度相機亦可,請注意非 Pi Zero 使用者必須使用 Pi 對應版本的相機)
  3. 16GB 記憶卡一張 (一般買樹莓派 餐附的都是 8GB 記憶卡,要跑 OpenCV 建 議要升級)
  4. SPI 介面 2.2 吋 TFT LCD(QVGA 320*240) 一片 (一般市購 2~3.5 吋 TFT LCD 多半 是用 ILI9341 驅動,若非該驅動 IC 則需另外撰寫驅動程式。另外此類模組常 會自帶記憶卡或觸控模組,本專案暫未使用。)
  5. 雙面洞洞板 一片 (若不想自己焊板子,可直接用麵包板插線完成,只是不方 便拿在手上把玩)
  6. 90 度按鍵 兩個 (做為操作用按鍵,或當外部觸發拍照,數量可自行增減)
  7. 紅色、綠色 LED 各一個 (顏色不拘,可當成閃光燈控制或指示燈用)
  8. 10k 及 220 歐姆 1/4W 電阻 各二個 (提供按鍵及 LED 使用)
  9. 40 (20 pin 雙排)pin 2.54 mm 間距公、母排針 各一組 (連接樹莓派和洞洞板用)
  10. 20 (pin 單排)pin 2.54 mm 間距公、母排針 各一組 (拆成 9pin 和 4 pin,分別提供 LCD 模組上顯示用及記憶卡用)
  11. 5V變壓器及Micro USB連接線一組(負責供電給Pi Zero,若使用電腦USB或行動電源供電亦可)
  12.  HDMI 顯示幕及 Mini HDMI 轉大頭 HDMI 連接線 一組 (一開始設定 Pi Zero 使用,之後就完全用不到,可拿有 HDMI 功能的電視充當一下)
  13. 無線鍵盤滑鼠及 USB OTG 連接線 一組 (一開始設定 Pi Zero 使用,之後使用遠端連線操作就用不到,亦可直接借用一下家中電腦的無線鍵鼠)
  14. 可選購Pi Zero CPU專用散熱片一組(除非長時間CPU滿載情況造成熱當,原則不一定要裝)

其中第 1、2、 3、 4、12、13 項可自行到露天拍賣或淘寶上採購,其餘的材料可自行到電子零件商場或網路上採購。一般上網購買樹莓派 Pi Zero 餐(建議主板、相機及排線一起買,外殼依需求搭配)時會附4GB或8GB記憶卡(記得要換購成16GB)、5V 變壓器、Micro USB 充電線、USB OTG 連接線及 Mini HDMI 轉大頭 HDMI 連接線, 有些還會附 CPU 散熱片。根據不同採購管道及配大致上總體成本(不含第 12、13 項)約在 2000 ~ 3000 台幣左右。

開源迷你相機硬體需求(圖片來源:Jack Hsu提供)

另外,本專案對於新手而言,線路部分算有點小複雜,在製作或除錯過程中,難免會遇到電氣信號不良或信號被干擾等問題產生。一般家裡可能沒有高性能的儀表(如示波器、邏輯分析儀)可協助分析問題,但建議至少需要有一部數位三用電錶。另外,可考慮選配(原則上用不到)一台簡易型低速邏輯分析儀(不到台幣 500 元)來協助。這台僅適合分析 2 MHz 以下信號,但對於重寫 LCD SPI 驅動程式、抓問題來說已非常足夠。

簡易型 24MHz, 8 port 邏輯分析儀(圖片來源:Jack Hsu提供)

二、硬體線路圖

本專案的線路基本上不難,如下圖左邊線路圖所示。主要是連接樹莓派Pi Zero GPIO到 LCD 模組、按鍵及 LED。另外,留有一組接頭和 LCD 模組信號線並聯,方便與邏輯分析儀連接,分析問題用。原則上可不必接,但為方便工作,可選擇自行以雙面洞板自行焊接,接線方式如下圖右邊線路圖所示。

藍色為實際焊在板上的裸銅線, 紅色線為跳線(有膠皮絕緣線),請注意勿和其它線短路,以免電路無法正常工作。 若要全部用 OK 線(有膠皮鍍銀線)焊接亦可。實在不熟悉焊接工作,可使用杜邦端子線連接或用麵包板依電路圖連線亦可,只是無法像一台相機拿在手上操作。

電路上的SW1 & SW2可直接按鍵操作或者以外部觸發(Strob)信號連接亦可,但請注意系統目前以3.3V為主要控制電源。因此,當外部觸發信號GPIO 21(SW1)或 GPIO 26(SW2))提供 3.3V 時,相當於按鍵被按下。另外, LED 1 & 2 可做為指示信號燈或推動閃光燈,不過由樹莓派 GPIO 的輸出電流很小(10~20mA),要推動大電流的燈具時,要額外接電晶體來放大驅動電流,避免把 GPIO 埠燒壞。

開源迷你相機 OpenQCam 電路圖(左)及手焊轉接板圖(右)(圖片來源:Jack Hsu提供)

三、作業系統安裝

一般如果上網買樹莓派 Pi Zero W 餐時,通常會附一片 4GB 或 8GB SD 卡,裡面已安裝好原廠作業系統,開機就能使用。為了後續系統擴充及安裝更新版本的 OpenCV,強烈建議一開始就先換成 16GB 記憶卡,避免從 8GB 記憶卡搬到 16GB 時,產生許多設定工作。首先,到樹莓派官網下載視窗版環境最新版本的作業系統 Raspbian Stretch with DESKTOP 的 ZIP 檔,解壓縮後會得到作業系統影像檔 (Image File)2017-11-29-raspbian-stretch.img。

樹莓派官網下載畫面(圖片來源:Jack Hsu提供)

接著,利用Win32 Disk Imager將影像檔(Image File)燒寫到記憶卡中。 第一步先選擇要燒寫的檔案路徑及名稱;再來,選擇要寫入的記憶卡磁碟機代號;最後按下【Write】就開始燒錄工作,此過程大約要半小時左右。如果記憶卡沒有燒錄工具可以到Win32 Disk Imager進行下載。

燒錄影像檔步驟(圖片來源:Jack Hsu提供)

記憶卡燒錄完成後,放入 Pi Zero W 記憶卡槽就可準備送電啟動。

第一次送電前注意事項

  1. 以HDMI連接線連接PiZeroW和HDMI螢幕(可用有HDMI功能的電視取代),第一次啟動無法以遠端(無螢幕)方式進入。
  2. 先不要將無線鍵盤滑鼠的接收器插入USBOTG插孔中,啟動後會進不了作業系統,導致反覆的重新開機,估計是啟動電流過大造成,等到進到桌面環境後再插入。
  3. 接著就可送電,樹莓派PiZeroW板子上有兩個MicroUSB孔,靠外側那個是+5V 電源。原則上, Pi Zero W 非常省電,一般 5V 1A 的變壓器就足夠所需電力, 一般電腦的USB 2.0插孔(500mA)也能推動。靠板子中間那個是USB OTG,切記不要搞錯,以免後續外接 USB 裝置無法工作。

強烈建議使用樹莓派Pi Zero W,有支援無線網路功能,後續就可直接遠端連線操作,不必再連接螢幕及無線鍵盤滑鼠。進入視窗作業環境桌面後,點選右上角網路符號,啟動無線網路(WIFI ON),連線到自家的無線網路,輸入帳號密碼。為確保無線網路工作正常,可點選畫面左上方地球圖案, 啟動瀏覽器進行測試,可試隨便連到任意一個網址(如 GOOGLE)看看是否正常。接著,將滑鼠移到畫面右上角無線符號處,此時會出現目前 WIFI 動態配置 的 IP 位置(192.168.xxx.xxx),先記下來,等下會要用到。

系統預設是英文介面,其中有許多系統參數設定不符需求,加上特殊介面也未開啟。因此,先點選畫面左上角樹莓圖案進入主選單(/Preference/Raspberry Pi Configuration)。進入後共有四個子頁面,樹莓派原廠預設使用者名稱:pi ,密碼為:raspberry,會自動登入(Auto Login)。

若不喜歡預設值,可於 System 頁面下修改。後續要遠端登入操作,所以螢幕解析度可依自己需求,按下[Resolution]鍵進行修改。再來,切到 Interfaces 頁面,將預設全改為Disable,為了讓專案能順利完成,必須將Camera、VNC及SPI致能(Enable))起來。而 Performance 頁面預設撥給 GPU 128MB,這個部份可暫時不動。最後,切到 Localisation 頁面,設定參數

參數設定

  1. 按下[Set Local]鍵,將 Language 設為 Zh (Chinese)或 lzh (Literay Chinese);Country 設為 TW(Taiwan);Character Set 設為 UTF-8。
  2. 按下[SetTimeZone]鍵,將Area設為Asia,Location設為Taipei。
  3. 按下[Keyboard]鍵,系統預設為英國鍵盤,這會導致有些符號打不出來(如@)。因此,選擇左邊 United States,選擇右邊 English(US),鍵盤才能正常工作。
  4. 按下[Set WiFi Country],將設定改為TW (Taiwan),如此系統時間才會和網路同步。

最後按下[OK]鍵,系統會詢問是否重新開機(Reboot),選擇 YES 後,馬上拔掉 USB OTG 上的接收器,讓系統重新啟動。接下來只須利用 VNC 軟體遠端連線操作即可。

樹莓派系統參數設定(圖片來源:Jack Hsu提供)

根據實測,強烈建議不要直接用 apt-get 安裝 tightvncserver 到樹莓派上,有部份 軟體(如 QT)在遠端連線時會造成鍵盤無法正確輸入文 問題,建議依上一步驟說 明將系統參數 VNC 設定為 Enable 即可。接下來要在桌機或筆電上安裝 RealVNC 才能遠端操控 Pi Zero W ,相關軟體可至RealVNC網站下載。啟動 RealVNC 後,輸入剛才記下的 IP(192.168.xxx.xxx),帳號:pi  密碼 raspberry,即可遠端登入,進行 所有操作。如果有習慣常的 VNC 軟體亦可。

四、工作環境建置

接下來可依需求安裝相關軟體,大部份安裝都在命令模式下進行,點擊畫面上左 上方,黑色[ >_ ]的圖案,就會開啟一黑色視窗,進入命令(CMD)模式。請注意大部份的命令英文母大小寫是被認為不同文 ,所以不要打錯。

4.1  更新系統

雖然樹莓派的作業系統可能已是最新的,但其它依賴包(函式庫)就不一定, 因此首先要更新樹莓派,輸入以下指令。

  • sudo apt-get update
  • sudo apt-get upgrade
  • sudo rpi-update (更新樹莓派韌體,可忽略)
  • sudo reboot (重新開機)

4.2  測試相機

輸入下列指令,測試相機是否可正常拍照,執行後應會在同一目錄下產生test.jpg 的影像檔。若無法取像,則需檢查相機的軟排線是否正確的插在連接 座上沒有鬆脫。

  • raspistill -o test.jpg

4.3  安裝中文輸入法 (選配,可不裝)

這裡推薦 SCIM,因為它支援的輸入法包括兩岸三地常見中文輸入法。當然 如你有習慣的其它輸入法亦可安裝。

  • sudo apt-get install scim scim-tables-zh scim-chewing

4.4  安裝影音播放軟體 (本專案用不到,但建議安裝)

由於之後可能會透過攝像頭錄製影片,為方便觀看影片建議可安裝 名開源 影音播放軟體 VLC。

  • sudo apt-get install vlc

4.5  安裝 OpenCV 及編譯程式必要依賴包

OpenCV 是網路上最多人使用的開源電腦視覺、影像處理工具,功能與時俱進,內容包山包海,連最新的深度學習都有,目前(Dec. 2017)已到了 3.3 版, 想多了解一下可參閱官網。為了方便大家工作,建議大家直接用編譯好的 OpenCV 2.4.9 版就非常夠用了,安裝後包含 C, C++及 Python 都可使用。若各 位想使用最新版本可自行編譯,請參考這裡有完整說明,不過整個過程會超過十二 小時,甚至會發生花了二十四小時以上,還在編譯的情況。為加快各位上線時間請依序執行下面指令安裝 OpenCV 2.4.9 版即可,安裝時間頗長,請多一些耐性。

  • sudo apt-get -y install build-essential cmake cmake-curses-gui pkg-config
  • sudo apt-get -y install libgtkglext1-dev
  • sudo apt-get -y install libv4l-dev v4l-utils
  • sudo apt-get -y install libopencv-dev python-opencv

4.6 安裝樹莓派 GPIO 及介面驅動庫

一般驅動樹莓派的GPIO(包括SPI, I2C, PWM…)有很多方式,網路上提供很多免費工具包可驅動,亦可直接對位置寫入,由於本專案是用 C++語言 完成,所以推薦採用BCM2835(樹莓派Pi Zero W的主晶片名稱為BCM2835)件包來驅動即可,可免去很多設定及變數使用問題。更進一步資訊可參考官網,目前(Dec. 2017)最新版本為 1.52。請依以下步驟下載、解壓及安裝。另外,要注意的一點,這裡用的 40pin GPIO,所以用程式控制時要選用 RPI_V2_GPIO_P1_X (X 表示第幾 腳,而非 GPIO 編號)。

  • wget http://www.airspayce.com/mikem/bcm2835/bcm2835-1.52.tar.gz
  • tar zxvf bcm2835-1.52.tar.gz
  • cd bcm2835-1.52
  • ./configure
  • make
  • sudo make check
  • sudo make install

為使一開機相機就能啟用且可讓 OpenCV 直接驅動相機不必透過其它工具, 所以要修改系統檔案,其步驟如下:

  • cd /etc/modules-load.d/
  • sudo nano modules.conf (這裡使用內建文字編輯器 nano 進行編輯,亦可用其 它文字編輯器)

進入後在最後一行按下 ENTER,新增一空白行,加入bcm2835-v4l2。按下[Ctrl + W](兩鍵同時按)存檔,再按[Ctrl + X]離開,完成編輯工作,再輸入reboot 重新開機完成所有系統環境設定。

4.7 系統備份 (選配,可自由決定)

作到這裡已大致完成系統環境建置,建議可再利用Win32 Disk Imager將系統備份。首先將 Pi Zero W 關機,抽出目前已正常工作的記憶卡,放入桌機或筆記型電腦記憶卡槽,啟動 Win32 Disk Imager,指定存檔之路徑及檔名, 選擇欲備份的記憶卡磁碟機代號,按下[Read],耐心等待進度條到 100%,就完成備份。

五、開源迷你相機 OpenQCam 系統開發

接下來要開始說明如何進行程式開發。本專案是採 C++語言,原則上只須文字編輯器(可用內建 nano 或其它習慣編輯器)即可,不需視窗也不需要 IDE 環境就可獨立完成。若不習慣傳統文字編輯器的人,亦可在視窗環境點選檔名,按滑鼠右鍵,啟用 Text Editor(類似 Windows 上的工具軟體-[筆記本]),即可進行編輯。 另外,在Linux上知名的視窗開發整合環境軟體QT,經測試在Pi Zero W上執行非常卡,且和 OpenCV 有些許不相容,若想使用其它 IDE 亦可。

本專案目前僅支援 TFT LCD 320*240 像素(一般正常是直式顯示,目前預設用程式 轉成橫式顯示),ILI9341 驅動 IC 之 SPI 介面,此類 LCD 在網路上為主流產品很容 易買到。程式中有提供顯示直式介面的函式,可自行修改。有其它顯示規格需求請上網查閱驅動 IC 資料手冊自行修改,但請注意改錯參數有可能造成 LCD 損壞。

工作前,建議先建立一個 Project 目錄,再將本專案所有檔案下載該目錄下。接著,執行本專案已預建編譯指令批次檔 go.sh 進行編譯,等待約 30 秒後即可完成, 產生執行檔 camera,由於 BCM2835 須要較高權限,所以執行時要加上 sudo, 完整操作如下所示。

  • sudo ./go.sh (編譯程式)
  • sudo ./camera (執行程式)

執行後,攝像頭會自動取像並降低影像解析度,從五百萬像素降至QVGA (320* 240 像素),LCD 上會同步顯示取像內容,在 LCD 左上角會顯示目前速度(取像加 顯示),單位是 FPS(每秒幀數),正常狀況約有 15 ~ 18 FPS。當按下 SW1 時紅燈會 亮,模擬快門按下後閃光燈會亮,畫面涷結 1 秒並自動存檔。按下 SW2 時綠燈會亮,並結束程式。

本專案是做為後續利用 OpenCV 進行影像辨識的很好入門平台,程式的相關註解詳見各程式原始碼。受限於個人能力有限,撰文上難免產生誤解或疏漏,如有任何問題歡迎留言或來信指教!

參考資料

樹莓派基金會 https://www.raspberrypi.org

記憶卡備份Win32 Disk Imager https://sourceforge.net/projects/win32diskimager/

遠端操控 RealVNC https://www.realvnc.com/en/

電腦視覺 OpenCV  https://opencv.org

介面控制 BCM2835  http://www.airspayce.com

LCD驅動IC資料手冊 https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/ILI9341.pdf

(本文同步發表於歐尼克斯實境互動工作室(OmniXRI)文章連結;責任編輯:葉于甄。)

許 哲豪

許 哲豪

工作經驗超過二十年,主要專長機電整合、電腦視覺、人機互動、人工智慧、專利分析及新創輔導。曾任機電整合工程師、機器視覺研發副理、技轉中心商業發展經理。目前擔任多家公司兼任技術顧問並積極推廣實境互動相關技術。
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