電子發(fā)燒友App
這是一種平移/傾斜伺服設(shè)備，可幫助相機(jī)使用視覺(jué)自動(dòng)跟蹤彩色物體。
現(xiàn)在我們將使用我們的設(shè)備幫助相機(jī)自動(dòng)跟蹤彩色對(duì)象，如下所示：
這是我第一次使用 OpenCV，我必須承認(rèn)，我對(duì)這個(gè)奇妙的“開(kāi)源計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)”挺感興趣的。
OpenCV可免費(fèi)用于學(xué)術(shù)和商業(yè)用途。它具有 C++、C、Python 和 Java 接口，并支持 Windows、Linux、Mac OS、iOS 和 Android。在我的一系列 OpenCV 教程中，我們將專注于 Raspberry Pi（因此，Raspbian as OS）和 Python。OpenCV 旨在提高計(jì)算效率，并且非常注重實(shí)時(shí)應(yīng)用程序。因此，它非常適合物理計(jì)算項(xiàng)目！
第 1 步：BOM - 物料清單
主要部分：
樹(shù)莓派 V3
5 兆像素 1080p 傳感器 OV5647 迷你攝像頭視頻模塊
TowerPro SG90 9G 180 度微型伺服（2 X）
帶 2 個(gè)伺服系統(tǒng)的迷你平移/傾斜攝像機(jī)平臺(tái)防震攝像機(jī)支架（*）
LED 紅色
電阻 220 歐姆
電阻 1K ohm （2X） - 可選
雜項(xiàng)：金屬部件、帶子等（以防您構(gòu)建平移/傾斜機(jī)構(gòu)）
第 2 步：安裝 OpenCV 3
我正在使用更新到最新版本的 Raspbian （Stretch） 的 Raspberry Pi V3，因此安裝 OpenCV 的最佳方法是遵循 Adrian Rosebrock 開(kāi)發(fā)的優(yōu)秀教程：Raspbian Stretch： Install OpenCV 3 + Python on your Raspberry Pi 。
完成后您應(yīng)該準(zhǔn)備好 OpenCV 虛擬環(huán)境，以便在您的 Pi 上運(yùn)行我們的實(shí)驗(yàn)。
讓我們進(jìn)入我們的虛擬環(huán)境并確認(rèn) OpenCV 3 已正確安裝。
建議您每次打開(kāi)新終端時(shí)都運(yùn)行命令“source”，以確保您的系統(tǒng)變量已正確設(shè)置。
source ~/.profile
接下來(lái)，讓我們進(jìn)入我們的虛擬環(huán)境：
workon cv
如果您在提示符之前看到文本 （cv），則您處于cv 虛擬環(huán)境中：
（cv） pi@raspberry：~$
注意cv Python 虛擬環(huán)境是完全獨(dú)立的，并且與 Raspbian Stretch 下載中包含的默認(rèn) Python 版本隔離開(kāi)來(lái)。因此，全局 site-packages 目錄中的任何 Python 包都對(duì) cv 虛擬環(huán)境不可用。同樣，安裝在 cv 的 site-packages 中的任何 Python 包都不能用于 Python 的全局安裝。
現(xiàn)在，輸入你的 Python 解釋器：
python
并確認(rèn)您運(yùn)行的是 3.5（或更高）版本
在解釋器中（將出現(xiàn)“〉〉〉”），導(dǎo)入 OpenCV 庫(kù)：
import cv2
如果沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤消息，則 OpenCV 已正確安裝在您的 PYTHON 虛擬環(huán)境中。
您還可以檢查安裝的 OpenCV 版本：
cv2.__version__
3.3.0 應(yīng)該會(huì)出現(xiàn)（或?qū)?lái)可以發(fā)布的更高版本）。上面的終端 PrintScreen 顯示了前面的步驟。
第 3 步：測(cè)試您的相機(jī)
在您的 RPi 中安裝 OpenCV 后，讓我們測(cè)試您的相機(jī)是否正常工作。
我假設(shè)您的 Raspberry Pi 上已經(jīng)安裝了 PiCam。
在您的 IDE 中輸入以下 Python 代碼：
import numpy as np
import cv2
cap = cv2.VideoCapture（0）
while（True）：
ret， frame = cap.read（）
frame = cv2.flip（frame， -1） # Flip camera vertically
gray = cv2.cvtColor（frame， cv2.COLOR_BGR2GRAY）
cv2.imshow（‘frame’， frame）
cv2.imshow（‘gray’， gray）
if cv2.waitKey（1） & 0xFF == ord（‘q’）：
break
cap.release（）
cv2.destroyAllWindows（）
上面的代碼將捕獲將由您的 PiCam 生成的視頻流，并以 BGR 顏色和灰色模式顯示。
請(qǐng)注意，由于它的組裝方式，我垂直旋轉(zhuǎn)了我的相機(jī)。
您也可以從本文下方下載代碼。
要執(zhí)行，請(qǐng)輸入命令：
要完成程序，您必須按鍵盤上的 ［q］ 或 ［Ctrl］ + ［C］ 鍵
圖片顯示了結(jié)果：
第 4 步：使用 OpenCV 在 Python 中進(jìn)行顏色檢測(cè)
我們將嘗試完成的一件事是檢測(cè)和跟蹤某種顏色的對(duì)象。為此，我們必須更多地了解 OpenCV 如何解釋顏色。
Henri Dang用 OpenCV 寫了一篇關(guān)于 Python 中顏色檢測(cè)的精彩教程。
通常，我們的相機(jī)將使用 RGB 顏色模式，可以將其理解為可以由紅色、綠色和藍(lán)色三種顏色的光組成的所有可能的顏色。我們將在這里使用 BGR（藍(lán)色、綠色、紅色）代替。
如上所述，在 BGR 中，一個(gè)像素由藍(lán)色、綠色和紅色 3 個(gè)參數(shù)表示。每個(gè)參數(shù)通常有一個(gè)從 0 到 255 的值（或十六進(jìn)制的 O 到 FF）。例如，計(jì)算機(jī)屏幕上的純藍(lán)色像素的 B 值為 255，G 值為 0，R 值為 0。
OpenCV 與 HSV（色相、飽和度、值）顏色模型一起使用，它是 RGB 顏色模型的替代表示，由計(jì)算機(jī)圖形研究人員在 1970 年代設(shè)計(jì)，以更接近人類視覺(jué)感知顏色生成屬性的方式：
因此，如果您想使用 OpenCV 跟蹤某種顏色，則必須使用 HSV 模型對(duì)其進(jìn)行定義。
例子
假設(shè)我必須跟蹤一個(gè)黃色物體，如上圖所示的塑料盒。容易的部分是找到它的 BGR 元素。您可以使用任何設(shè)計(jì)程序來(lái)找到它（我使用了 PowerPoint）。
就我而言，我發(fā)現(xiàn)：
藍(lán)色：71
綠色：234
紅色：213
接下來(lái)，我們必須將 BGR （71， 234， 213） 模型轉(zhuǎn)換為 HSV 模型，該模型將定義上限和下限范圍。為此，讓我們運(yùn)行以下代碼：
import sys
import numpy as np
import cv2
blue = sys.argv［1］
green = sys.argv［2］
red = sys.argv［3］
color = np.uint8（［［［blue， green， red］］］）
hsv_color = cv2.cvtColor（color， cv2.COLOR_BGR2HSV）
hue = hsv_color［0］［0］［0］
print（“Lower bound is ：”），
print（“［” + str（hue-10） + “， 100， 100］\n”）
print（“Upper bound is ：”），
print（“［” + str（hue + 10） + “， 255， 255］”）
要執(zhí)行，請(qǐng)輸入以下命令，將之前找到的 BGR 值作為參數(shù)：
python bgr_hsv_converter.py 71 234 213
程序?qū)⒋蛴∥覀儗?duì)象顏色的上下邊界。
在這種情況下：
lower bound： ［24， 100， 100］
和
upper bound： ［44， 255， 255］
終端打印屏幕顯示結(jié)果：
最后但同樣重要的是，讓我們看看一旦我們確定了對(duì)象的顏色，OpenCV 如何“屏蔽”我們的對(duì)象：
import cv2
import numpy as np
# Read the picure - The 1 means we want the image in BGR
img = cv2.imread（‘yellow_object.JPG’， 1）
# resize imag to 20% in each axis
img = cv2.resize（img， （0，0）， fx=0.2， fy=0.2）
# convert BGR image to a HSV image
hsv = cv2.cvtColor（img， cv2.COLOR_BGR2HSV）
# NumPy to create arrays to hold lower and upper range
# The “dtype = np.uint8” means that data type is an 8 bit integer
lower_range = np.array（［24， 100， 100］， dtype=np.uint8）
upper_range = np.array（［44， 255， 255］， dtype=np.uint8）
# create a mask for image
mask = cv2.inRange（hsv， lower_range， upper_range）
# display both the mask and the image side-by-side
cv2.imshow（‘mask’，mask）
cv2.imshow（‘image’， img）
# wait to user to press ［ ESC ］
while（1）：
k = cv2.waitKey（0）
if（k == 27）：
break
cv2.destroyAllWindows（）
要執(zhí)行，請(qǐng)輸入以下命令，在您的目錄中包含目標(biāo)對(duì)象的照片（在我的情況下：yellow_object.JPG）：
python colorDetection.py
上圖將顯示原始圖像（“圖像”）以及應(yīng)用蒙版后對(duì)象將如何出現(xiàn)（“蒙版”）。
第 5 步：對(duì)象移動(dòng)跟蹤
現(xiàn)在我們知道如何使用蒙版“選擇”我們的對(duì)象，讓我們使用相機(jī)實(shí)時(shí)跟蹤它的移動(dòng)。為此，我的代碼基于Adrian Rosebrock 的 Ball Tracking with OpenCV 教程l。
首先，確認(rèn)您是否安裝了imutils 庫(kù)。它是 Adrian 的 OpenCV 便利函數(shù)集合，可以使一些基本任務(wù)（如調(diào)整大小或翻轉(zhuǎn)屏幕）變得更加容易。如果沒(méi)有，請(qǐng)輸入以下命令以在您的虛擬 Python 環(huán)境中安裝該庫(kù)：
pip install imutils
接下來(lái)，從我的 GitHub 下載代碼ball_tracking.py ，并使用以下命令執(zhí)行它：
python ball_traking.py
基本上，它與阿德里安的代碼相同，除非“視頻垂直翻轉(zhuǎn)”，我得到了這條線：
frame = imutils.rotate（frame， angle=180）
另外，請(qǐng)注意，使用的掩碼邊界是我們?cè)谏弦徊街蝎@得的。
第 6 步：測(cè)試 GPIO
現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了 OpenCV 的基礎(chǔ)知識(shí)，讓我們?cè)?RPi 上安裝一個(gè) LED 并開(kāi)始與我們的 GPIO 交互。
按照上面的電氣圖：LED 的陰極將通過(guò)一個(gè) 220 歐姆的電阻連接到 GPIO 21，其陽(yáng)極連接到 GND。
讓我們?cè)谔摂M Python 環(huán)境中測(cè)試我們的 LED。
請(qǐng)記住，您的 Python 虛擬環(huán)境中可能未安裝 RPi.GPIO！要解決這個(gè)問(wèn)題，你需要使用 pip 將它安裝到你的虛擬環(huán)境中：
pip install RPi.GPIO
讓我們使用 python 腳本來(lái)執(zhí)行一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試：
import sys
import time
import RPi.GPIO as GPIO
# initialize GPIO and variables
redLed = int（sys.argv［1］）
freq = int（sys.argv［2］）
GPIO.setmode（GPIO.BCM）
GPIO.setup（redLed， GPIO.OUT）
GPIO.setwarnings（False）
print（“\n ［INFO］ Blinking LED （5 times） connected at GPIO {0} at every {1} second（s）”.format（redLed， freq））
for i in range（5）：
GPIO.output（redLed， GPIO.LOW）
time.sleep（freq）
GPIO.output（redLed， GPIO.HIGH）
time.sleep（freq）
# do a bit of cleanup
print（“\n ［INFO］ Exiting Program and cleanup stuff \n”）
GPIO.cleanup（）
此代碼將接收 GPIO 編號(hào)和 LED 閃爍頻率（以秒為單位）作為參數(shù)。LED 將閃爍 5 次，程序?qū)⒔K止。請(qǐng)注意，在終止之前，我們將釋放 GPIO。
因此，要執(zhí)行腳本，您必須輸入LED GPIO和頻率作為參數(shù)。
例如：
python LED_simple_test.py 21 1
上述命令將每“1”秒將連接到“GPIO 21”的紅色 LED 閃爍 5 次。
上面的終端打印屏幕顯示了結(jié)果（當(dāng)然您應(yīng)該確認(rèn) LED 正在閃爍。
現(xiàn)在，讓我們使用 OpenCV 和一些基本的 GPIO 東西。
第 7 步：識(shí)別顏色和 GPIO 交互
讓我們開(kāi)始將我們的 OpenCV 代碼與 GPIO 交互集成。我們將從最后一個(gè) OpenCV 代碼開(kāi)始，我們將在其上集成 GPIO-RPI 庫(kù)，因此我們將在相機(jī)發(fā)現(xiàn)我們的彩色對(duì)象時(shí)打開(kāi)紅色 LED。此步驟中使用的代碼基于 Adrian 的出色教程OpenCV、RPi.GPIO 和 Raspberry Pi 上的 GPIO Zero ：
首先要做的是“創(chuàng)建”我們的 LED，將其連接到特定的 GPIO：
import RPi.GPIO as GPIO
redLed = 21
GPIO.setmode（GPIO.BCM）
GPIO.setwarnings（False）
GPIO.setup（redLed， GPIO.OUT）
其次，我們必須初始化我們的 LED（關(guān)閉）：
GPIO.output（redLed， GPIO.LOW）
ledOn = False
現(xiàn)在，在循環(huán)內(nèi)部，當(dāng)找到對(duì)象時(shí)創(chuàng)建“圓圈”，我們將打開(kāi) LED：
GPIO.output（redLed， GPIO.HIGH）
ledOn = True
讓我們從我的 GitHub 下載完整的代碼：object_detection_LED.py
使用以下命令運(yùn)行代碼：
python object_detection_LED.py
結(jié)果在這里。請(qǐng)注意，每次檢測(cè)到對(duì)象時(shí)，LED（左下角）都會(huì)亮起：
嘗試使用不同的對(duì)象（顏色和格式）。您會(huì)看到，一旦遮罩邊界內(nèi)的顏色匹配，LED 就會(huì)打開(kāi)。
如上一步所述，我們僅在此處使用 LED。我拍視頻的時(shí)候已經(jīng)組裝好了云臺(tái)，所以忽略它。我們將在下一步處理 PAN/TILT 機(jī)制。
第 8 步：云臺(tái)
現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了 OpenCV 和 GPIO 的基礎(chǔ)知識(shí)，讓我們安裝我們的平移/傾斜機(jī)制。
伺服器應(yīng)連接到外部 5V 電源，其數(shù)據(jù)引腳（在我的情況下，它們的黃色接線）連接到 Raspberry Pi GPIO，如下所示：
GPIO 17 ==〉 傾斜伺服
GPIO 27 ==〉 平移伺服
不要忘記將 GND 連接在一起 ==〉 Raspberry Pi - 伺服系統(tǒng) - 外部電源）
您可以選擇在 Raspberry Pi GPIO 和服務(wù)器數(shù)據(jù)輸入引腳之間串聯(lián)一個(gè) 1K 歐姆的電阻。如果出現(xiàn)伺服問(wèn)題，這將保護(hù)您的 RPi。
讓我們也利用這個(gè)機(jī)會(huì)在我們的虛擬 Python 環(huán)境中測(cè)試我們的伺服系統(tǒng)。
讓我們使用 Python 腳本對(duì)我們的驅(qū)動(dòng)程序執(zhí)行一些測(cè)試：
from time import sleep
import RPi.GPIO as GPIO
GPIO.setmode（GPIO.BCM）
GPIO.setwarnings（False）
def setServoAngle（servo， angle）：
pwm = GPIO.PWM（servo， 50）
pwm.start（8）
dutyCycle = angle / 18. + 3.
pwm.ChangeDutyCycle（dutyCycle）
sleep（0.3）
pwm.stop（）
if __name__ == ‘__main__’：
import sys
servo = int（sys.argv［1］）
GPIO.setup（servo， GPIO.OUT）
setServoAngle（servo， int（sys.argv［2］））
GPIO.cleanup（）
上述代碼的核心是函數(shù) setServoAngle（servo， angle）。此函數(shù)接收作為參數(shù)、伺服 GPIO 編號(hào)和伺服必須定位的角度值。一旦這個(gè)函數(shù)的輸入是“角度”，我們必須將其轉(zhuǎn)換為等效的占空比。
要執(zhí)行腳本，您必須輸入伺服 GPIO和角度作為參數(shù)。
例如：
python angleServoCtrl.py 17 45
上述命令將連接在 GPIO 17（“傾斜”）上的伺服定位在“仰角”45 度。
第 9 步：查找對(duì)象實(shí)時(shí)位置
這里的想法是使用平移/傾斜機(jī)制將對(duì)象定位在屏幕中間。壞消息是，我們必須實(shí)時(shí)知道對(duì)象的位置。但好消息是，一旦我們已經(jīng)有了對(duì)象中心的坐標(biāo)，這很容易。
首先，讓我們使用之前使用的“object_detect_LED”代碼并對(duì)其進(jìn)行修改以打印創(chuàng)建對(duì)象的 x，y 坐標(biāo)。
代碼的“核心”是我們找到對(duì)象并在其上畫一個(gè)圓的部分，圓的中心有一個(gè)紅點(diǎn)。
# only proceed if the radius meets a minimum size
if radius 〉 10：
# draw the circle and centroid on the frame，
# then update the list of tracked points
cv2.circle（frame， （int（x）， int（y））， int（radius），
（0， 255， 255）， 2）
cv2.circle（frame， center， 5， （0， 0， 255）， -1）
# print center of circle coordinates
mapObjectPosition（int（x）， int（y））
# if the led is not already on， turn the LED on
if not ledOn：
GPIO.output（redLed， GPIO.HIGH）
ledOn = True
讓我們將中心坐標(biāo)“導(dǎo)出”到mapObjectPosition（int（x）， int（y））函數(shù)以打印其坐標(biāo)。函數(shù)下方：
def mapObjectPosition （x， y）：
print （“［INFO］ Object Center coordenates at X0 = {0} and Y0 = {1}”.format（x， y））
運(yùn)行程序，我們會(huì)在終端看到（x，y）位置坐標(biāo)，如上圖所示。移動(dòng)對(duì)象并觀察坐標(biāo)。我們將意識(shí)到 x 從 0 到 500（從左到右）而 y 從 o 到 350（從上到下）。
現(xiàn)在我們必須使用這些坐標(biāo)作為我們的 Pan/Tilt 跟蹤系統(tǒng)的起點(diǎn)
第 10 步：對(duì)象位置跟蹤系統(tǒng)
我們希望我們的對(duì)象始終保持在屏幕的中心。因此，例如，讓我們定義，如果我們將考慮我們的對(duì)象“居中”：
220 《 x 《 280
160 《 y 《 210
在這些邊界之外，我們必須移動(dòng)我們的平移/傾斜機(jī)制來(lái)補(bǔ)償偏差?；诖?，我們可以構(gòu)建函數(shù)mapServoPosition（x， y）如下。請(qǐng)注意，此函數(shù)中用作參數(shù)的“x”和“y”與我們之前用于打印中心位置的參數(shù)相同：
# position servos to present object at center of the frame
def mapServoPosition （x， y）：
global panAngle
global tiltAngle
if （x 《 220）：
panAngle += 10
if panAngle 〉 140：
panAngle = 140
positionServo （panServo， panAngle）
if （x 〉 280）：
panAngle -= 10
if panAngle 《 40：
panAngle = 40
positionServo （panServo， panAngle）
if （y 《 160）：
tiltAngle += 10
if tiltAngle 〉 140：
tiltAngle = 140
positionServo （tiltServo， tiltAngle）
if （y 〉 210）：
tiltAngle -= 10
if tiltAngle 《 40：
tiltAngle = 40
positionServo （tiltServo， tiltAngle）
根據(jù) （x， y） 坐標(biāo)，使用函數(shù)positionServo（servo， angle） 生成伺服位置命令。例如，假設(shè) y 位置為“50”，這意味著我們的對(duì)象幾乎在屏幕頂部，可以翻譯為“相機(jī)視線”為“低”（假設(shè)傾斜角度為 120 度）所以我們必須“減小”傾斜角（假設(shè)為 100 度），因此相機(jī)瞄準(zhǔn)器將“向上”，而對(duì)象將在屏幕上“向下”（y 將增加到假設(shè) 190）。
上圖顯示了幾何方面的示例。想想 Pan 相機(jī)將如何工作。請(qǐng)注意屏幕沒(méi)有鏡像，這意味著如果您將對(duì)象移動(dòng)到“您的左側(cè)”，一旦您與相機(jī)相對(duì)，它將在屏幕上移動(dòng)到“您的右側(cè)”。
函數(shù) positionServo（servo， angle） 可以寫成：
def positionServo （servo， angle）：
os.system（“python angleServoCtrl.py ” + str（servo） + “ ” + str（angle））
print（“［INFO］ Positioning servo at GPIO {0} to {1} degrees\n”.format（servo， angle））
我們將調(diào)用前面顯示的腳本進(jìn)行伺服定位。
請(qǐng)注意，angleServoCtrl.py 必須與 objectDetectTrac.py 位于同一目錄中
第 11 步：結(jié)論
最后，我希望這個(gè)項(xiàng)目可以幫助其他人找到進(jìn)入令人興奮的電子世界的方式！
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