1.
Raspberry Pi 工作坊
- 寵物小車
台灣樹莓派 <sosorry@raspberrypi.com.tw>
Sep 03, 2016@MakerConf

2.
姓名標示 — 非商業性 — 相同方式分享
CC (Creative Commons)
姓名標示 — 你必須給予 適當表彰、提供指向本授權
條款的連結，以及 指出（本作品的原始版本）是否已
被變更。你可以任何合理方式為前述表彰，但不得以
任何方式暗示授權人為你或你的使用方式背書。
非商業性 — 你不得將本素材進行商業目的之使
用。
相同方式分享 — 若你重混、轉換本素材，或依本
素材建立新素材，你必須依本素材的授權條款來
散布你的貢獻物。

3.
3
● element14 指定台灣地區 Raspberry Pi 個人用戶經銷商
about 台灣樹莓派
http://farnell.com/raspberrypi-consumer/approved-retailers.php?region=apac&MER=MER-LM-OB-RPICC-76315

4.
● 專注於 Raspberry Pi 應用與推廣
● 舉辦社群聚會 / 工作坊 / 讀書會 / 黑客松
● Website :
● https://www.raspberrypi.com.tw/
● Facebook :
● 搜尋 RaspberryPi.Taiwan
● https://www.facebook.com/RaspberryPi.Taiwan
about 台灣樹莓派

5.
5
● COSCUP, MakerConf, PyCon 講者
● 投影片
● http://www.slideshare.net/raspberrypi-tw/presentations
●
程式碼
● https://github.com/raspberrypi-tw
分享 x 社群

6.
6
●
馬達與小車介紹
● GPIO 介紹
●
馬達控制
●
小車組裝與控制
● Raspberry Pi Camera 介紹
● 基礎 Camera 使用
● 數位影像處理與 OpenCV
今日主題

7.
●
信用卡大小般的電腦
Raspberry Pi 是什麼 ?
http://www.flickr.com/photos/fotero/7697063016/

8.
硬體規格
http://goo.gl/v0ydxG

9.
9
連接週邊
http://vimeo.com/90103691

10.
10
選一套喜歡的 OS
http://en.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi

11.
11
立馬取代桌上型電腦
http://functy.sourceforge.net/?p=328

12.
12
還可以做更多

13.
13
http://makezine.com/2013/04/14/47-raspberry-pi-projects-to-inspire-your-next-build/

14.
Raspberry Pi Family
http://raspi.tv/2016/raspberry-pi-family-photo-updated-to-include-pi3b-29-feb-2016

15.
15
● 硬體 : Raspberry Pi 3
● 作業系統 : 2016-05-29-raspbian-jessie.img
● 為了可以使用 USB 轉 TTL 傳輸線
● 修改 /boot/config.txt, 來停用 SoC 的藍牙功能
– dtoverlay=pi3-disable-bt
今日環境
https://www.raspberrypi.com.tw/10842/raspberry-pi-3-uart-overlay-workaround/

16.
沒有螢幕與鍵盤如何使用樹莓派？

17.
17
環境設定： Serial + WiFi
1. 樹莓派 Serial 連線
2. 樹莓派 WiFi 連線
用 Serial 來設定 WiFi
3. 筆電、手機、樹莓派
在同一個 LAN

18.
18
● 以 USB 轉 TTL 傳輸線和 Pi 相連
●
接線方式
● 黑色 / 白色 / 綠色照圖接
●
紅色不接
Serial 連線方式

19.
放大圖
黑色線接 6 號
白色線接 8 號
綠色線接 10 號
http://www.raspberrypi-spy.co.uk/2014/07/raspberry-pi-b-gpio-header-details-and-pinout/

20.
● 安裝驅動程式 , http://goo.gl/QC5Q3O
● 從裝置管理員找到 COM 的埠號 ( 本例為 COM9)
Serial Port in Windows

21.
● 下載 putty, http://goo.gl/zdD9G9
● 執行 putty
● 1. 選擇 Session
● 2. 選擇 Serial
● 3. Serial line 填 COM9
● 4. Speed 填入 115200
● 5. Open !
● 沒畫面 , 先按 ENTER
● 再不行 , 重插拔電源
Serial Port in Windows - 2

22.
22
● $ ls /dev/ttyUSB*
● 開啟 putty
● 選擇 Session
● 在 Serial line 填入 /dev/ttyUSB0 ( 本例為 ttyUSB0)
● Speed 填入 115200
● Open !
● 無法連線時 , 使用 sudo 執行 putty
Serial Port in Linux

23.
23
● 安裝驅動程式 , http://goo.gl/htlt3F
●
重開機生效
● $ ls /dev/cu*
● 如果有 /dev/cu.usbserial
● $ screen /dev/cu.usbserial 115200
● 如果沒畫面 , 重新插拔電源 (PL2303 不要拔 )
Serial Port in Mac

24.
24
● 預設帳號 / 密碼： pi / raspberry
● 如果沒有畫面 , 先按 Enter, 再不行 , 重新插拔電源
● 如果出現亂碼 , 確定 baud rate 為 115200
連線成功

25.
25
●
登入畫面
● pi 是登入的使用者
● @ 表示”在”
● raspberrypi 是主機名稱
● ~ 表示在家目錄 (home directory)
● $ 表示該使用者所使用的 shell( 一種文字工具介面 )
符號說明

26.
26
使用： nano <NAME_OF_FILE>
離開： Ctrl + x
> 令存新檔： y
> 不存離開： n
> 離開： Ctrl + c
nano 編輯器使用

27.
27
$ ifconfig wlan0
IP = 192.168.43.102
查詢 IP

28.
28
就可以使用 SSH 連線

29.
29
● Serial 以實體線路相連 , 純文字 , 是獨占式的連線
● SSH 是 TCP/IP 通訊協定 , 透過 Ethernet 或 WiFi 連線
Serial 連線和 SSH 連線有什麼不同？

30.
● $ sudo apt-get update
● $ sudo apt-get install -y python-opencv
● $ sudo apt-get install -y python-dev
● $ sudo apt-get install -y python-pip
● $ sudo pip install readchar
● $ sudo pip install bottle
安裝今日所需軟體

31.
31
Raspberry Pi GPIO 介紹

32.
32
● General Purpose Input Output
● GPIO 是一種可用軟體控制的數位訊號
什麼是 GPIO ？
http://www.tek.com/datasheet/tps2000b-series-digital-storage-oscilloscopes-datasheet

33.
33
●
決定是輸入還是輸出
●
輸出：寫值到某根腳位
●
輸入：從某根腳位讀值
● 等待中斷 (interrupt) 的發生
●
決定是正緣觸發還是負緣觸發
用軟體控制什麼 ?

34.
34
GPIO 腳位在哪裡？
http://www.raspberrypi-spy.co.uk/
Pin1 Pin2
Pin25 Pin26
Pin3 Pin4Z
Z 字型的腳位編號

35.
35
● C
● C + wiringPi
● C#
● Ruby
● Perl
● Python
● Scratch
● Java Pi4J Library
● Shell script
如何控制 Raspberry Pi 的 GPIO ?

36.
36
數位輸出

37.
37
實驗 1-1 ：硬體的 Hello World
目的：從硬體到軟體的思維

38.
38
●
發光二極體
●
單向導通
●
省電
LED
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c8/5mm_Red_LED.jpg
長腳接正極 Vcc
短腳接負極 GND

39.
39
要接哪一個腳位？

40.
40
要接哪一個腳位？
目標：一隻腳接地 , 一隻腳給電

41.
41
線路圖
LED RPi
長腳 (RED) Pin12 (GPIO18)
短腳 (BLACK) Pin6 (Ground)

42.
42
麵包板的種類
https://goo.gl/JipVgH

43.
43
麵包板的使用
http://bugworkshop.blogspot.tw/2012/12/diy-breadboard.html
1. 藍色和綠色兩塊不通
2. 藍色垂直相通
3. 紅色水平相通 麵包板的內部結構

44.
44
使用麵包板
LED RPi
長腳 (RED) Pin12 (GPIO18)
短腳 (BLACK) Pin6 (Ground)

45.
45
開始用 Python 控制 GPIO 吧

46.
46
● 載入模組 (Import module)
● 選擇編號系統 (Define pin numbering)
● 定義腳位 (Setup up a channel)
● 讀取輸入 / 寫入輸出 (Input/Output)
● 清理 (Cleanup)
Python Code 基本流程
http://code.google.com/p/raspberry-gpio-python/wiki/BasicUsage

47.
47
#!/usr/bin/python
●
● import RPi.GPIO as GPIO # 載入模組
● import time
●
● GPIO.setmode(GPIO.BOARD) # 選擇系統( 以實體腳位系統為例)
● GPIO.setup(12, GPIO.OUT) # 定義腳位
●
● print("LED is on")
● GPIO.output(12, GPIO.HIGH) # 設定腳位狀態
● time.sleep(3)
●
● GPIO.cleanup() # 清理
●
一分鐘學會用 Python 控制 GPIO

48.
48
● Wiki
● http://sourceforge.net/p/raspberry-gpio-python/wiki/Home/
● 用 Raspberry Pi 學 GPIO - 自己做遊戲機
● http://www.slideshare.net/raspberrypi-tw/gpio-gameconsolestarterkit
更多 RPi.GPIO 的使用方法

49.
49
DEMO
led_on.py

50.
50
● cd < 目錄 > # 跳到 < 目錄 >
● cd .. # 回上一層
● cd ~ # 回 < 家目錄 >
● pwd # 查看目前工作目錄
● ls # 列出檔案與目錄
● sudo reboot # 重開機
你必須知道的 Linux 指令

51.
51
$ cd ~
$ https://github.com/raspberrypi-tw/pi-follower-car
$ cd pi-follower-car
$ cd 01-gpio
$ cd 01_1-led_on
$ sudo python led_on.py
讀寫 GPIO 會存取 /dev/mem, 需 root 權限
(2015-09-24 以後的 image 可以用一般使用者身份執行 )
執行方式

52.
52
實驗 1-2 ：控制 LED 閃爍
目的：熟悉 Python 語法

53.
53
一樣的線路圖
LED RPi
長腳 (RED) Pin12 (GPIO18)
短腳 (BLACK) Pin6 (Ground)

54.
54
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
● LED_PIN = 12
● GPIO.setup(LED_PIN, GPIO.OUT)
●
● whileTrue:
● print("LED is on")
● GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH)
● time.sleep(1)
● print("LED is off")
● GPIO.output(LED_PIN, GPIO.LOW)
● time.sleep(1)
●
● GPIO.cleanup()
永不停止的 while 迴圈
- 按 Ctrl+c 跳出迴圈

55.
55
DEMO
led_blink_warning.py
$ cd ..
$ cd 02_1-led_blink_warning
$ sudo python led_blink_warning.py

56.
56
RuntimeWarning: This channel is already in use,
continuing anyway. Use GPIO.setwarnings(False)
to disable warnings.

57.
57
為什麼出現 Warning ?

58.
58
try:
● whileTrue:
● print("LED is on")
● GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH)
● time.sleep(1)
● print("LED is off")
● GPIO.output(LED_PIN, GPIO.LOW)
● time.sleep(1)
● except KeyboardInterrupt:
● print "Exception: KeyboardInterrupt"
● finally:
● GPIO.cleanup()
接住例外

59.
59
DEMO
led_blink.py
$ cd ..
$ cd 01_3-led_blink
$ sudo python led_blink.py

60.
60
實驗 1-4 ：改變 LED 亮度
目的：調變脈衝寬度輸出脈波

61.
61
● 數位： 0 與 1 的訊號
●
類比：連續的訊號
數位與類比
http://www.bitscope.com/software/blog/DJ/?p=DJ19A

62.
62
●
數位：亮和不亮
● 類比：亮 , 有點亮 , 有點不亮 ..., 不亮
● 可是 GPIO 腳位輸出都是固定值 , 怎麼辦？
從 LED 的角度來看

63.
63
● 旋轉式 , 滑動式
● 線性關係 (B 型 ), 對數關係 (A 型 )
● 常見規格： 0 -10k Ohm( 線性 )
可變電阻 Potentiometer(VR)
https://en.wikipedia.org/wiki/Potentiometer
接高電位
接低電位
滑動接點 ( 可變輸出 )

64.
64
利用可變電阻讓 LED 亮度改變

65.
65
有不使用額外硬體的方法嗎？

66.
66
●
是將類比信號轉為脈波的一種技術
● 改變工作比 (duty cycle) = 改變電壓
● Duty cycle = pulse width x100 / period ( 單位 :%)
脈寬調變 (Pulse-Width Modulation)
http://www.protostack.com/blog/2011/06/atmega168a-pulse-width-modulation-pwm/

67.
67
● 類比輸出電壓 = 脈衝寬度 (duty cycle)x 高電位值
公式計算
http://www.societyofrobots.com/schematics_h-bridgedes.shtml

68.
68
● To create a PWM instance:
● p = GPIO.PWM(channel, frequency)
● To start PWM:
● p.start(dc) # where dc is the duty cycle (0.0 <= dc <= 100.0)
● To change the duty cycle:
● p.ChangeDutyCycle(dc) # where 0.0 <= dc <= 100.0
● To stop PWM:
● p.stop()
GPIO.PWM()
http://sourceforge.net/p/raspberry-gpio-python/wiki/PWM/

69.
69
線路圖
LED RPi
長腳 (RED) Pin12 (GPIO18)
短腳 (BLACK) Pin6 (Ground)

70.
70
PWM_PIN = 12
● GPIO.setup(PWM_PIN, GPIO.OUT)
pwm = GPIO.PWM(PWM_PIN, 500)
● pwm.start(0)
●
● try:
● whileTrue:
● duty_s = raw_input("Enter Brightness (0 to 100):")
● duty = int(duty_s)
●
● if duty >= 0 and duty <=100 :
● pwm.ChangeDutyCycle(duty)
●
● except KeyboardInterrupt:
● pwm.stop()
● GPIO.cleanup()
互動式的調光

71.
71
DEMO
pwm_led.py
$ cd ..
$ cd 01_4-pwm_led
$ sudo python pwm_led.py

72.
72
實驗 2-1 ：馬達驅動
目的：用電晶體電路驅動馬達

73.
73
● 直流馬達 (DC motors)
● 伺服馬達 (Servo motors)
● 步進馬達 (Stepper motors)
馬達種類
https://learn.adafruit.com/adafruit-motor-selection-guide

74.
74
https://learn.adafruit.com/adafruit-motor-selection-guide

75.
75
直流 ( 碳刷 ) 馬達
https://learn.adafruit.com/adafruit-motor-selection-guide
永久磁鐵定子
轉子和線圈
整流子
電源
Fleming's Left Hand Rule

76.
76
● 速度和負重的需求 ( 負載 )
●
轉速
● 扭力 ( 轉矩 )
●
電源和控制器的配置
●
工作電壓
●
消耗電流
●
堵轉電流
FA-130RA 直流馬達規格
工作電壓 空載 堵轉負載

77.
77
1. 馬達和直流電源直接相接
http://www.simplecircuitsandprojects.com/circuits/dc-motor.html
順時鐘旋轉
逆時鐘旋轉

78.
78
控制電路
Motor RPi
馬達 A(Green) Pin16(GPIO4)
馬達 A(Yellow) Pin20(Ground)
馬達 A

79.
79
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setup(MOTOR_PIN, GPIO.OUT)
try:
while True:
print("Motor start ...")
GPIO.output(MOTOR_PIN, GPIO.HIGH)
time.sleep(2)
print("Motor stop !!!")
GPIO.output(MOTOR_PIN, GPIO.LOW)
time.sleep(2)
finally:
GPIO.cleanup()
●
轉 - 停 - 轉 - 停 -

80.
80
DEMO
dc_motor.py
$ cd ../../02-motor
$ cd 02_1-dc_motor
$ sudo python dc_motor.py

81.
81
為什麼不會動 ?

82.
82
●
電源和控制器的配置
●
工作電壓
●
消耗電流
●
堵轉電流
● Raspberry Pi GPIO 的電流輸出為 2 mA 到 16 mA
重新檢視直流馬達規格
工作電壓 空載 堵轉負載

83.
83
●
一種可放大、開關、穩壓、信號調節的元件
●
由於微處理器的輸出微弱，無法驅動大型負載
●
但可透過電晶體放大訊號，控制外部裝置
3. 透過電晶體驅動馬達
https://learn.adafruit.com/adafruit-motor-selection-guidehttp://de.wikipedia.org/wiki/Transistor
常用符號

84.
84
水管閥門功能
https://learn.adafruit.com/adafruit-motor-selection-guidehttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transistor_animation.gif
E( 射極 ) 射出電流
C( 集極 ) 收集電流
B( 基極 ) 控制閥門
微小電流就可控制
允許大電流通過
推動大型負載
腳位意義 ( 依功能分 )
實際運作情形

85.
85
控制電路
Motor RPi
馬達 A(Green) Pin16(GPIO4)
馬達 A(Yellow) Pin20(Ground)

86.
86
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setup(MOTOR_PIN, GPIO.OUT)
try:
while True:
print("Motor start ...")
GPIO.output(MOTOR_PIN, GPIO.HIGH)
time.sleep(2)
print("Motor stop !!!")
GPIO.output(MOTOR_PIN, GPIO.LOW)
time.sleep(2)
finally:
GPIO.cleanup()
●
控制的是電晶體

87.
87
實驗 2-2 ：控制馬達轉向
目的：瞭解車子移動的原理

88.
88
● C 極外部電源提供馬達轉動
● B 極發送控制訊號讓電晶體導通
●
一個電晶體電路可控制馬達轉動
回顧剛剛的電路圖
https://learn.adafruit.com/adafruit-motor-selection-guidehttp://www.robotoid.com/my-first-robot/rbb-bot-phase2-part1.html
E( 射極 ) 射出電流
C( 集極 ) 收集電流
B( 基極 ) 控制閥門

89.
89
●
每一個節點都是電晶體控制電路
控制馬達轉向 - H 橋式電路
https://learn.adafruit.com/adafruit-motor-selection-guidehttp://www.robotoid.com/my-first-robot/rbb-bot-phase2-part1.html

90.
90
如何用程式控制？
https://learn.adafruit.com/adafruit-motor-selection-guide
連接 作用
Q1 和 Q4 順時鐘轉動
Q3 和 Q2 逆時鐘轉動
Q1 和 Q3 煞車
無 慣性自由轉動
Q1 和 Q2 短路 !
Q3 和 Q4 短路 !
http://www.robotoid.com/my-first-robot/rbb-bot-phase2-part1.html

91.
91
如何用程式控制？
https://learn.adafruit.com/adafruit-motor-selection-guide
連接 作用
Q1 和 Q4 順時鐘轉動
Q3 和 Q2 逆時鐘轉動
Q1 和 Q3 煞車
無 慣性自由轉動
Q1 和 Q2 短路 !
Q3 和 Q4 短路 !
http://www.robotoid.com/my-first-robot/rbb-bot-phase2-part1.html
可是 ...
1. 不小心給錯電就會把電晶體燒掉
2. 一個馬達要搭配四個電晶體電路
3. 我想要一次控制兩個馬達的轉動

92.
92
● 馬達驅動晶片 : L298N
● 雙 H 橋式直流 ( 步進 ) 馬達驅動
● 最大馬達驅動電壓 : DC 50V
● 降壓晶片 : 78M05
● 將外部輸入電源降壓為 DC 5V 給電路板
● 外部輸入電源電壓限制範圍 : DC 7V - DC 35V
L298N 馬達控制板
https://learn.adafruit.com/adafruit-motor-selection-guide

93.
93
OUT1
OUT2
OUT3
OUT4
ENA:
OUT1, OUT2 生效
IN1 IN2 IN3 IN4
馬達控制接腳：
IN1-2 : OUT1-2
IN3-4 : OUT3-4
ENB:
OUT3, OUT4 生效
輸出電源 ( 正極 )
電源 ( 負極 )
輸入電源 ( 正極 )

94.
94
單輪電路圖 (L298N 要和 Pi 共接地 )
L298N RPi
IN1(Green) Pin16(GPIO4)
IN2(Yellow) Pin18(GPIO5)
馬達 A
L298N Motor
OUT1(Yellow) 馬達 A(Yellow)
OUT2(Green) 馬達 A(Green)

95.
95
Motor_R1_Pin = 16
● Motor_R2_Pin = 18
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setup(Motor_R1_Pin, GPIO.OUT)
GPIO.setup(Motor_R2_Pin, GPIO.OUT)
try:
GPIO.output(Motor_R1_Pin,True) # clockwise
time.sleep(3)
GPIO.output(Motor_R1_Pin, False)
● time.sleep(1) # protect motor
GPIO.output(Motor_R2_Pin,True) # counterclockwise
time.sleep(3)
GPIO.output(Motor_R2_Pin, False)
finally:
GPIO.cleanup()
控制單輪正反轉

96.
96
DEMO
l298n_motor.py
$ cd ..
$ cd 02_2-l298n_motor
$ sudo python l298n_motor.py

97.
97
如何控制馬達轉速？

98.
98
●
改變電壓的方式
● 增加 ( 減少 ) 電池
● 增加負載 ( 利用可變電阻 )
● 脈寬調變 (PWM) 技術
直流馬達轉速由輸入電壓決定

99.
99
一樣的線路圖
L298N RPi
IN1(Green) Pin16(GPIO4)
IN2(Yellow) Pin18(GPIO5)
馬達 A
L298N Motor
OUT1(Yellow) 馬達 A(Yellow)
OUT2(Green) 馬達 A(Green)

100.
100
PWM_PIN = 12
● GPIO.setup(PWM_PIN, GPIO.OUT)
pwm = GPIO.PWM(PWM_PIN, 500)
● pwm.start(0)
●
● try:
● whileTrue:
● duty_s = raw_input("Enter Duty Cycle (0 to 100):")
● duty = int(duty_s)
●
● if duty >= 0 and duty <=100 :
● pwm.ChangeDutyCycle(duty)
●
● except KeyboardInterrupt:
● pwm.stop()
● GPIO.cleanup()
使用 PWM 調整輸出電壓

101.
101
DEMO
pwm_l298n.py
$ cd ..
$ cd 02_3-pwm_l298n
$ sudo python pwm_l298n.py

102.
102
實驗 2-4 ：遙控車
目的：瞭解小車的各項機構

103.
103
● 車體 ( 機構 )
● 馬達 / 車輪 ( 動力 )
● 控制板 / 微處理器 ( 邏輯 )
● 無線網路 / 紅外線 / 藍牙 ( 傳輸控制 )
遙控車的組成

104.
104
先動手組裝車體吧 !

105.
105
所有零件 ( 含 Pi 和 L298N)

106.
106
馬達與固定螺絲

107.
107
固定在車體上
接線朝內

108.
108
第二個馬達依樣畫葫蘆 + 裝輪胎

109.
109
萬向輪和固定螺絲

110.
110
組裝萬向輪
有帽子的螺絲

111.
111
固定在車體上

112.
112
L298N 和固定螺絲

113.
113
安裝兩個螺絲即可

114.
114
固定在車體上 + 馬達接線

115.
115
電池盒和固定螺絲

116.
116
安裝在車體上並接線

117.
117
Pi 和固定螺絲

118.
118
固定在車體上 ( 可能會需要鑽孔 )

119.
119
和 L298N 相接
共接地
L298N RPi
IN1(Brown) Pin16
IN2(RED) Pin18
IN3(Orange) Pin11
IN4(Yellow) Pin13

120.
120
安裝相機模組
相機模組

121.
121
從正面看的角度

122.
122
● 向前走 ( 雙輪逆時鐘旋轉 )
● 向後走 ( 雙輪順時鐘旋轉 )
● 向右轉 ( 左輪逆時鐘轉 , 右輪靜止 )
● 向左轉 ( 右輪逆時鐘轉 , 左輪靜止 )
車子如何移動？
前
左

123.
123
雙輪電路圖
L298N RPi
IN1(Green) Pin16(GPIO4)
IN2(Yellow) Pin18(GPIO5)
IN3(Purple) Pin11(GPIO0)
IN4(Orange) Pin13(GPIO1)
馬達 A 馬達 B
L298N Motor
OUT1(Yellow) 馬達 A(Yellow)
OUT2(Green) 馬達 A(Green)
OUT3(Purple) 馬達 B(Green)
OUT4(Orange) 馬達 B(Yellow)

124.
124
● def stop():
# stop all wheels
def forward():
GPIO.output(16,True)
GPIO.output(18, False)
GPIO.output(11,True)
GPIO.output(13, False)
time.sleep(1)
stop()
try:
while True:
● ch = readchar.readkey()
●
● if ch == 'w':
● forward()
控制小車移動

125.
125
DEMO
move_car.py
$ cd ..
$ cd 02_4-move_car
$ sudo python move_car.py

126.
126
實驗 3-1 ： Raspberry Pi Camera
目的： Camera 與 OpenCV 使用

127.
Raspberry Pi Camera 介紹

128.
從手機相機模組講起
http://www.phonearena.com/news/13MP-camera-tipped-for-Samsung-Galaxy-S-IV_id35168
1. Lens( 透鏡 )
2.VCM( 音圈馬達 )
3. IR-Cut( 紅外光濾片 )
4. Sensor( 感光元件 )
5. PCB( 印刷電路板 )
6. ISP( 影像訊號處理器 )

129.
●
問：樹葉為什麼看起來是綠色的？
●
答：因為樹葉吸收了大部分可見光，只反射綠色光
基礎光學原理
https://www.raspberrypi.org/learning/infrared-bird-box/worksheet/

130.
Type of Raspberry Pi Camera
http://elinux.org/Rpi_Camera_Module
Raspberry Pi Camera Module NoIR Camera Module

131.
● Sensor: OmniVision OV5647 Color CMOS QSXGA (5MP)
● 靜態拍照最高解析度： 2592 x 1944 pixel
● Pixel Size: 1.4 x 1.4 µm
● Lens: f=3.6 mm, f/2.9
● Angle ofView: 54 x 41 degrees
● Field ofView: 2.0 x 1.33 m at 2 m
● Fixed Focus: 1m
● 動態攝影最高解析度： 1080p@30 FPS with H.264/AVC
技術規格

132.
Raspberry Pi Camera Module(v1)
https://www.modmypi.com
15-Pins, CSI 介面
綠色 PCB 板

133.
● No IR = No 'IR cut filter' installed
● 因此 CMOS 可吸收到不可見光 (Infrared)
● No IR 相機 ≠ 夜視相機
●
除非有額外的紅外線發光源
No IR Camera (v1)
黑色 PCB 板

134.
兩種相機效果比較
http://www.themagpi.com/issue/issue-18/
1. 非 NoIR 相機 2. NoIR 相機
3. NoIR 相機 4. NoIR 相機 + 藍色濾光片

135.
Camera 安裝

136.
安裝 Raspberry Pi Camera
http://goo.gl/7LqyMY

137.
$ sudo raspi-config

138.
啟用 Raspberry Pi Camera

139.
進階選項

140.
設定記憶體分配 >128M

141.
Camera 使用

142.
● 只預覽 2 秒 (-t), 不存檔
● $ raspistill -t 2000
● 5 秒後拍照 ( 預設 ), 檔案 test.jpg(-o)
● $ raspistill -o test.jpg
● 3 秒後拍照 , 並編碼成 png 格式 (-e), 長 640x 寬 480
● $ raspistill -t 3000 -o test.png -e png -w 640 -h 480
RaspiStill
https://www.raspberrypi.org/documentation/usage/camera/raspicam/raspistill.md

143.
如何看拍照結果？

144.
方法一：使用 X11 Forwarding

145.
145
●
是一種圖形應用標準
● Client/Server 架構
● X Client : 應用程式
● X Server : 管理硬體輸入 / 輸出
●
可透過網路傳輸
● TCP/IP 或是 Unix Domain Socket
● X11 是通訊協定名稱
X Window System
http://keyj.emphy.de/files/linuxgraphics_en.pdf

146.
146
● Windows( 使用 Xming + putty)
● Xming 安裝 (http://sourceforge.net/projects/xming/)+ 下一步到底
● putty > SSH > X11 > Enable X11 forwarding
● Linux/Mac : ssh -X pi@ip.of.pi
X11 Forwarding using SSH

147.
●
看照片
● $ gpicview image.jpg
● 如果不行 , 先確認
1. 是不是使用 SSH 連線？ 不能使用 COM 連線 !
2. SSH 是以 X11 Forwarding 方式連線嗎？
3. 如果是 Windows, 上面的 Xming 有跑起來嗎？
X11 Forwarding 連線成功後

148.
● 在 Mac 上
● 第一步：編輯 /etc/sshd_config
修改這行 # X11Forwarding no
把它改成 yes 並且把註解拿掉
● 第二步：下載安裝 XQuartz 並重開機
http://xquartz.macosforge.org/landing/
● 感謝 Dami 和 YUN-TAO CHEN 的貢獻
“Can not open display” on Mac
https://hackpad.com/X11-Forwarding-FcyKHioKxmW

149.
方法二：將 Pi 的檔案傳回本機端

150.
150
● 使用 scp
● 一個實做 SCP(Secure Copy Protocol) 的應用程式
● 透過 SSH(Secure Shell) 傳輸資料
● Windows 請安裝 WinSCP
● http://winscp.net/eng/download.php
● 從 Pi 複製檔案到 PC 上
● scp pi@x.x.x.x:/home/pi/file.txt .
● scp file.txt pi@x.x.x.x:/home/pi
如何讓 Pi 和 PC 互傳檔案？
http://winscp.net/

151.
除了 gpicview 以外 , 還能怎麼開圖？

152.
● 跨平台的計算機函式庫 , 主要由 C/C++ 撰寫
OpenCV
- Open Source ComputerVision Library
http://www.embedded-vision.com/technology/computer-vision-algorithms

153.
OpenCV 的架構
http://www.cse.iitk.ac.in/users/vision/dipakmj/papers/OReilly%20Learning%20OpenCV.pdf

154.
import cv2
● import sys
●
imagePath = sys.argv[1]
image = cv2.imread(imagePath)
●
● cv2.imshow("preview", image)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()
●
●
●
載入圖檔並顯示

155.
155
DEMO
image_load.py
$ cd ../../03-camera
$ cd 03_1-image_load
$ python image_load.py lena512rgb.png

156.
156
除了拍照存檔後開圖以外 ,
可以即時預覽 Camera 的結果嗎？

157.
你有用過 webcam 嗎？

158.
158
Webcam
http://www.slideshare.net/gxben/abs-2014-android-kit-kat-internals

159.
● 預定義好的 Userspace API
● Video and radio streaming devices
● video cameras
● analog and digital TV receiver cards
● AM/FM receiver cards
Video4Linux 2nd(V4L2)
http://free-electrons.com/doc/embedded_linux_multimedia.pdf
/dev/video0
Driver
Hardware
App1 (fd1) App2 (fd2)
ioctl() ioctl()
read()
write()
Identifying App1
and App2 by
different file
descriptors, the
driver can send
them different data.

160.
Camera ≠ Webcam

161.
161
Modern Device Internal
http://www.slideshare.net/gxben/abs-2014-android-kit-kat-internals

162.
162
Image Processing Pipeline
http://www.slideshare.net/gxben/abs-2014-android-kit-kat-internals
ISP 在做的事 (HW)
color space/format 轉換 (SW)

163.
163
http://elinux.org/Raspberry_Pi_VideoCore_APIs

164.
164
● 開放多媒體加速層 (Open Media Acceleration)
● 由 Khronos Group 提出的標準
● 統一的介面，加速大量多媒體資料的處理
OpenMAX
https://www.khronos.org/openmax/

165.
165
Multimedia Stack Example
http://wiki.maemo.org/Documentation/Maemo_5_Developer_Guide/Architecture/Multimedia_Domain

166.
166
● Kernel driver
● 使用 camera 像是 webcam 一樣
● $ sudo modprobe bcm2835-v4l2
● 可直接存取 /dev/videoX
● $ v4l2-ctl --list-devices
● $ v4l2-ctl --list-formats
● $ v4l2-ctl -L
×OfficialV4L2 Driver
https://github.com/raspberrypi/linux/blob/rpi-3.10.y/Documentation/video4linux/bcm2835-v4l2.txt

167.
import cv2
cap = cv2.VideoCapture(0)
cap.set(cv2.cv.CV_CAP_PROP_FRAME_WIDTH, 320)
cap.set(cv2.cv.CV_CAP_PROP_FRAME_HEIGHT, 240)
while True:
ret, frame = cap.read()
cv2.imshow(“preview”, frame)
if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord(“q”):
break
cap.release()
cv2.destroyAllWindows()
讀取 Camera 並顯示

168.
168
DEMO
camera_preview.py
使用前記得要先載入模組
$ sudo modprobe bcm2835-v4l2
$ cd ..
$ cd 03_2-camera_preview
$ python camera_preview.py

169.
169
實驗 4-1 ：色彩空間轉換
目的：數位影像處理入門

170.
●
顏色
●
形狀
●
特徵
...
電腦如何分辨東西？
http://www.pyimagesearch.com/

171.
●
分離與萃取資訊
●
增強或平滑訊號
●
作為分群、特徵識別等應用的前處理
影像處理的意義
http://mkweb.bcgsc.ca/color-summarizer/

172.
● RGB
● CMY(K)
● HSV
● YUV
色彩空間 (Color Space)

173.
● R( 紅 ), G( 綠 ), B( 藍 )
●
光的三原色
●
疊加型混色的色彩模型
●
常用在電腦上表現色彩
● 8-bit: (255, 0, 0), #FF0000
RGB
- R(Red), G(Green), B(Blue)
https://en.wikipedia.org/wiki/RGB_color_model

174.
色彩深度 (Depth of Color)
https://sewelldirect.com/learning-center/what-is-deep-color
黑白
灰階 ( 或 256 色 ) 全彩

175.
● C( 青 ), M( 紫 ),Y( 黃 ), K( 黑 )
●
彩色墨水三原色
●
削減型混色的色彩模型
● 常用在印表機 / 影印機表現色彩
● 黑色 , R=G=B=1
CMY(K)
- C(Cyan), M(Magenta),Y(Yellow), K(Black)
https://en.wikipedia.org/wiki/CMYK_color_model

176.
● H( 彩度 , 0-179), S( 飽和度 , 0-255),V( 明度 , 0-255)
●
符合人對顏色的感知
●
常用在數位影像處理
HSV
- H(Hue), S(Saturation),V(Value)
https://en.wikipedia.org/wiki/HSL_and_HSV

177.
● 以 RGB 為中心
● RGB to CMY
色彩空間的轉換
● CMY to RGB
http://isis-data.science.uva.nl/koelma/horus/dox/horus2.0/refcpp/html/HxColConvert_8h.html

178.
● 以 RGB 為中心
● HSV to RGB
色彩空間的轉換
http://www.rapidtables.com/convert/color/hsv-to-rgb.htm

179.
179
線上轉換工具
http://goo.gl/EV4l0z

180.
● cv2.cvtColor(img, flag)
● 灰階 , flag = cv2.COLOR_BGR2GRAY
● HSV, flag = cv2.COLOR_BGR2HSV
色彩空間的轉換
http://docs.opencv.org/3.0-beta/modules/imgproc/doc/miscellaneous_transformations.html

181.
● cv2.threshold(img, thresh, maxval, type)
●
轉成黑白
● cv2.threshold(image, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY)
二值化
- 將影像以強度 (threshold) 區分
http://docs.opencv.org/3.0-beta/modules/imgproc/doc/miscellaneous_transformations.html

182.
● cv2.inRange(img, lowerval, upperval)
●
只取出紫色部份
● lower = np.array( [141, 0, 0] )
● upper = np.array( [164, 145, 197] )
另一種二值化
- 在 HSV 空間裡 , 根據區間 (lower/upper) 分割

183.
image = cv2.imread("lena512rgb.png")
● gray = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
●
● (_, binary) = cv2.threshold(gray, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY)
hsv = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2HSV)
●
● lower = np.array( [141, 0, 0] )
● upper = np.array( [164, 145, 197] )
● mask = cv2.inRange(hsv, lower, upper)
●
● bitwise = cv2.bitwise_and(image, image, mask=mask)
色彩空間轉換與二值化處理

184.
184
DEMO
color_space.py
$ cd ../../04-opencv
$ cd 04_1-color_space
$ python color_space.py ../lena512rgb.png

185.
●
即時調整
HSV 的值？

186.
186
DEMO
$ python hsv_value ../lena512rgb.png

187.
187
實驗 4-2 ：輪廓與中心點
目的：數位影像處理入門

188.
● 輪廓就是一堆連續的點 , 可以將兩個不同顏色或
是不同密度的點分離
●
是物體辨識或是形狀分析應用的前處理
● 使用二值化 ( 黑白 ) 的圖形可更精準的找出輪廓
輪廓 (Contours)
http://urbanhonking.com/ideasfordozens/2013/07/10/announcing-opencv-for-processing/

189.
● cv2.findContours(image, mode, method)
● mode( 輪廓取得模式 )
● method( 輪廓儲存法 )
尋找輪廓 (findContours)
http://docs.opencv.org/3.0-beta/doc/py_tutorials/py_imgproc/py_contours/py_contours_hierarchy/py_contours_hierarchy.html

190.
● mode( 輪廓取得模式 )
● CV_RETR_EXTERNAL: 只取最外層的輪廓
● CV_RETR_LIST: 取得所有輪廓，不建立階層 (hierarchy)
● CV_RETR_CCOMP: 取得所有輪廓，但只儲存成兩層的階層
● CV_RETR_TREE: 取得所有輪廓，以全階層的方式儲存
● method( 輪廓儲存法 )
● CV_CHAIN_APPROX_NONE: 儲存所有輪廓點
● CV_CHAIN_APPROX_SIMPLE: 只留下頭尾點或對角頂點
參數說明
http://monkeycoding.com/?p=615
http://docs.opencv.org/3.0-beta/doc/py_tutorials/py_imgproc/py_contours/py_contours_hierarchy/py_contours_hierarchy.html

191.
● cv2.drawContours(image, contours, contourIdx, color)
● contourIdx = -1 表示畫出所有輪廓點
畫輪廓 (drawContours)
http://docs.opencv.org/3.0-beta/modules/imgproc/doc/drawing_functions.html

192.
image = cv2.imread("lena512rgb.png")
●
● gray = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
● (_, binary) = cv2.threshold(gray, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY)
●
● (contours, _) = cv2.findContours(binary, cv2.RETR_TREE,
cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)
● cv2.drawContours(image, contours, -1, (0,255,0), 3)
● cv2.imshow("Contours", image)
●
找出輪廓並且全部畫出

193.
193
DEMO
draw_contour.py
$ cd ..
$ cd 04_2-contours
$ python draw_contour.py ../lena512rgb.png

194.
● 從矩 (moment) 的觀點來看
●
物理學：表示作用力促使物體繞支點旋轉的趨向
●
數學：用來描述資料分佈特徵
● 以二值化 ( 黑白 ) 的圖形找中心點
找中心點
http://docs.opencv.org/3.1.0/d8/d23/classcv_1_1Moments.html

195.
● 空間矩 (spatial moments)
● 中心矩 (central moments)
● 正規中心矩 (central normalized moments)
常見矩
http://docs.opencv.org/3.1.0/d8/d23/classcv_1_1Moments.html

196.
image = cv2.imread("rectangle1rgb.png")
●
● gray = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
● (_, binary) = cv2.threshold(gray, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY)
● (contours, _) = cv2.findContours(binary, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)
●
● cnt = contours[0]
● M = cv2.moments(cnt)
●
● ((x, y), radius) = cv2.minEnclosingCircle(cnt)
● M = cv2.moments(cnt)
● center = (int(M["m10"] / M["m00"]), int(M["m01"] / M["m00"]))
● cv2.circle(image, (int(x), int(y)), int(radius), (0, 255, 255), 2)
● cv2.circle(image, center, 5, (0, 0, 255), -1)
找中心點與外框

197.
197
DEMO
$ python draw_moment.py rectangle.png

198.
198
實驗 4-3 ：影像的再處理
目的：數位影像處理入門

199.
● 侵蝕 (Erode)
● 膨脹 (Dilate)
● 濾波器 ( 平滑化 )
影像的再處理

200.
● 侵蝕 (Erode)
●
消融物體的邊界
從形態學的觀點
https://www.cs.auckland.ac.nz/courses/compsci773s1c/lectures/ImageProcessing-html/topic4.htm
● 膨脹 (Dilate)
●
擴大物體的邊界
通常以奇數矩形為結構元素 (3x3, 5x5, 7x7...), 預設為 3x3

201.
● cv2.erode(src, kernel[, iterations])
● iterations – number of times dilation is applied.
侵蝕 (Erode)
http://docs.opencv.org/2.4/modules/imgproc/doc/filtering.html
黑白 iteration=1 iteration=2

202.
● cv2.dilate(src, kerne[, iterations])
● iterations – number of times dilation is applied.
膨脹 (Dilate)
http://docs.opencv.org/2.4/modules/imgproc/doc/filtering.html
黑白 iteration=1 iteration=2

203.
image = cv2.imread("lena512rgb.png")
● gray = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
● (_, binary) = cv2.threshold(gray, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY)
●
● erode = cv2.erode(binary, None, iterations=2)
● cv2.imshow("erode", erode)
●
● #dilate = cv2.dilate(binary, None, iterations=2)
● #cv2.imshow("dilate", dilate)
●
侵蝕效果

204.
204
DEMO
erode_dilate.py
$ python erode_dilate.py ../lena512rgb.png
$ cd ..
$ cd 04_3-image_processing
$ python erode_dilate.py ../lena512rgb.png

205.
image = cv2.imread("lena512rgb.png")
● gray = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
● (_, binary) = cv2.threshold(gray, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY)
●
● #erode = cv2.erode(binary, None, iterations=2)
● #cv2.imshow("erode", erode)
●
● dilate = cv2.dilate(binary, None, iterations=2)
● cv2.imshow("dilate", dilate)
●
膨脹效果 ( 將註解換掉 )

206.
206
DEMO
erode_dilate.py
$ python erode_dilate.py ../lena512rgb.png

207.
● 目的是為了去除雜訊 , 但對比度可能下降
●
線性濾波
● 平均平滑 (blur)
● 高斯平滑 (GaussianBlur)
●
非線性濾波
● 中值濾波 (medianBlur)
● 雙邊濾波 (bilateralFilter)
影像平滑

208.
● cv2.GaussianBlur(src, ksize, cv2.BORDER_CONSTANT)
高斯平滑 (GaussianBlur)
http://www.gamasutra.com/view/feature/131511/four_tricks_for_fast_blurring_in_.php

209.
image = cv2.imread(“lena512rgb.png”)
● cv2.imshow("Normal", image)
●
● blur = cv2.GaussianBlur(image, (9,9), 0)
● cv2.imshow("GaussianBlur", blur)
●
●
●
高斯平滑效果

210.
210
DEMO
$ python gaussian_blur.py ../lena512rgb.png

211.
211
實驗 4-4 ：色彩追蹤
目的：找出 HSV 與即時色彩追蹤

212.
● 定義要追蹤的顏色 ( 例如綠色 )
● 將影像轉到 HSV 空間後二值化
●
綠色參考數值
– Color_Lower = (36, 130,46)
– Color_Upper = (113, 255, 255)
●
找出該顏色的輪廓
●
找出質心與半徑
●
畫出質心與半徑
追蹤流程

213.
213
DEMO
color_tracking.py
$ cd ..
$ cd 04_4-color_tracking
$ python color_tracking.py

214.
214
實驗 4-5 ：寵物小車
目的：根據顏色控制小車移動

215.
● 找出顏色質心 , 定義規則 ( 超過中心線 10 就動作 )
if radius < 90:
motor.forward()
elif radius > 100:
motor.backward()
if center[0] > width/2 + 10:
motor.turnRight()
elif center[0] < width/2 - 10:
motor.turnLeft()
根據移動規則控制小車移動

216.
216
DEMO
follower_car.py
$ cd ..
$ cd 04_5-follower_car
$ python follower_car.py

217.
● 是否要做高斯模糊化？
frame = cv2.GaussianBlur(frame, (11, 11), 0)
● 是否要作侵蝕？
mask = cv2.erode(mask, None, iterations=2)
● 是否要作膨脹？
● mask = cv2.dilate(mask, None, iterations=2)
● 修改找輪廓的參數是否會更快？
● (contours, _) = cv2.findContours(mask,
cv2.RETR_EXTERNAL,
cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)
優化

218.
● 關掉顯示視窗
# cv2.imshow("Frame", frame)
● 使用 PWM 控制轉速
pwm_r1 = GPIO.PWM(Motor_R1_Pin, 500)
● pwm_r2 = GPIO.PWM(Motor_R2_Pin, 500)
● pwm_l1 = GPIO.PWM(Motor_L1_Pin, 500)
● pwm_l2 = GPIO.PWM(Motor_L2_Pin, 500)
優化

219.
Raspberry Pi Rocks the World
Thanks

220.
220
補充資訊

221.
221
實驗 2-5 ：無線 (WiFi) 遙控
目的：學習如何從網頁控制硬體

222.
●
一個軟體
● 回應從 80/8080 port 進來的 HTTP 要求
● 可透過 CGI 或 module 方式擴充
● 如 Apache, Nginx, Boa
網頁伺服器 (Web Server)
http://www.resultantsys.com/index.php/general/what-is-a-web-application-server/

223.
223
- A fast, simple and lightweight WSGI micro web-framework
$ sudo pip install bottle

224.
用 AJAX 送指令
● 非同步 JavaScript & XML
● XMLHttpRequest 物件
●
無須更新整個頁面

225.
225
DEMO
bottle_control.py