SimpleCV 物體偵測與 Raspberry Pi GPIO 應用

– 13 分鐘閱讀

SimpleCV 提供了簡潔易用的 API 進行人臉偵測和動態偵測。人臉偵測利用 Haar 特徵辨識影像中的人臉，而動態偵測則藉由比較連續影像幀的差異來識別物體移動。本文也涵蓋了 Raspberry Pi 的 GPIO 應用，詳細說明如何設定和使用 GPIO、I2C、SPI 和序列埠等介面，並提供 Python 程式碼範例和安全使用。此外，文章還介紹瞭如何使用 i2c-tools 和 Minicom 等工具進行偵錯和測試，以及如何使用麵包板和跳線進行電子原型設計。最後，文章也簡要提及了十六進位制數字系統和光學字元識別技術。

影像處理與物體偵測

在上一節中，我們討論瞭如何使用 SimpleCV 來捕捉影像和進行基本的影像處理。現在，我們將更深入地探討如何使用 SimpleCV 來進行物體偵測，包括人臉偵測和動態偵測。

人臉偵測

SimpleCV 提供了一種簡單的方法來偵測人臉，使用 Haar 特徵。Haar 特徵是一種用於物體偵測的技術，透過分析影像中的邊緣和線條來識別物體。SimpleCV 中包含了多種預先定義的 Haar 特徵檔案，包括人臉、眼睛、鼻子、嘴巴等。

以下是使用 SimpleCV 進行人臉偵測的範例：

from SimpleCV import *

# 載入影像
img = Image("faces.jpg")

# 使用 Haar 特徵進行人臉偵測
faces = img.findHaarFeatures("face.xml")

# 將偵測到的人臉繪製在影像上
for face in faces:
    img.drawRectangle(face.points[0], face.points[1], face.points[2], face.points[3])

# 顯示影像
img.show()

在這個範例中，我們使用 findHaarFeatures 方法來偵測人臉，並將偵測到的人臉繪製在影像上。

動態偵測

SimpleCV 也提供了一種簡單的方法來偵測動態，透過比較相鄰的影像框架來檢測變化。以下是使用 SimpleCV 進行動態偵測的範例：

from SimpleCV import *

# 設定最小Blob大小
MIN_BLOB_SIZE = 1000

# 建立攝像頭物件
cam = Camera()

# 取得前一張影像
old_img = cam.getImage()

while True:
    # 取得新的一張影像
    new_img = cam.getImage()

    # 計算兩張影像之間的差異
    diff = new_img - old_img

    # 尋找Blob（區域）
    blobs = diff.findBlobs()

    # 檢查是否有Blob大於最小Blob大小
    for blob in blobs:
        if blob.area() > MIN_BLOB_SIZE:
            print("動態偵測到！")

    # 更新前一張影像
    old_img = new_img

在這個範例中，我們使用 findBlobs 方法來尋找Blob（區域），並檢查是否有Blob大於最小Blob大小。如果有，我們就印出「動態偵測到！」的訊息。

內容解密：

  • findHaarFeatures 方法用於偵測人臉，需要提供 Haar 特徵檔案的路徑。
  • findBlobs 方法用於尋找Blob（區域），可以根據 Blob 的大小和形狀進行篩選。
  • Camera 類別用於建立攝像頭物件，提供了取得影像和控制攝像頭的方法。

圖表翻譯：

以下是使用 Mermaid 語法繪製的動態偵測流程圖：

  flowchart TD
    A[取得前一張影像] --> B[取得新的一張影像]
    B --> C[計算兩張影像之間的差異]
    C --> D[尋找Blob（區域）]
    D --> E[檢查是否有Blob大於最小Blob大小]
    E --> F[印出動態偵測到！的訊息]

這個流程圖描述了動態偵測的步驟，從取得前一張影像開始，到印出動態偵測到！的訊息為止。

運動偵測技術

在本文中，我們將探討如何使用 Raspberry Pi 4 進行運動偵測。運動偵測是一種重要的應用，尤其是在安全監控和智慧家居領域。

原理

運動偵測的原理是透過比較兩個連續的影格來檢測是否有物體移動。如果兩個影格之間的差異超過了一定的閾值，則表示有運動發生。這種方法可以有效地檢測出物體的移動。

實作

以下是使用 Python 和 SimpleCV 函式庫實作運動偵測的範例：

import cv2
from simplecv import Camera, Blob

# 初始化攝像頭
cam = Camera()

# 設定最小Blob大小
MIN_BLOB_SIZE = 100

while True:
    # 讀取當前影格
    new_image = cam.get_image()
    
    # 尋找Blob
    blobs = new_image.find_blobs(minsize=MIN_BLOB_SIZE)
    
    if blobs:
        print("運動偵測")
        
        # 儲存前一張影格
        old_image = new_image

在這個範例中，我們使用 SimpleCV 函式庫來讀取攝像頭的影格，並使用 find_blobs 方法來尋找 Blob。如果找到 Blob，則表示有運動發生。

成功案例

以下是使用 Raspberry Pi 4 進行運動偵測的成功案例：

  • 使用 Raspberry Pi 4 進行運動偵測，可以處理約 10 幀每秒的影格。
  • 可以使用 Passive Infrared (PIR) 感應器來偵測運動。

光學字元識別

光學字元識別（Optical Character Recognition，OCR）是一種可以將影像中的文字轉換為可編輯文字的技術。在本文中，我們將探討如何使用 tesseract OCR 軟體來實作光學字元識別。

原理

tesseract OCR 軟體使用了一種稱為「分類別器」的演算法來識別影像中的文字。分類別器可以學習影像中的文字模式，並將其轉換為可編輯文字。

實作

以下是使用 tesseract OCR 軟體實作光學字元識別的範例：

# 安裝 tesseract OCR 軟體
sudo apt install tesseract-ocr
sudo apt install libtesseract-dev

# 下載範例影像
cd /home/pi/raspberrypi_cookbook_ed3

# 執行 tesseract OCR 軟體
tesseract ocr_test.tiff stdout

在這個範例中，我們安裝 tesseract OCR 軟體，並下載範例影像。然後，我們執行 tesseract OCR 軟體來識別影像中的文字。

成功案例

以下是使用 tesseract OCR 軟體進行光學字元識別的成功案例：

  • 可以將影像中的文字轉換為可編輯文字。
  • 支援多種影像格式，包括 TIFF、PDF、PNG 和 JPEG。

圖表翻譯：

  graph LR
    A[影像] -->|tesseract OCR|> B[可編輯文字]
    B --> C[輸出]

在這個圖表中，我們展示瞭如何使用 tesseract OCR 軟體來將影像中的文字轉換為可編輯文字。

9.0 Raspberry Pi 的 GPIO 介紹

本章將介紹如何設定和使用 Raspberry Pi 的通用輸入/輸出（GPIO）聯結器。這個聯結器允許您將各種電子元件連線到您的 Raspberry Pi。

9.1 瞭解 GPIO 聯結器

問題：您需要將電子元件連線到 GPIO 聯結器，但首先您需要了解每個針腳的功能。

解決方案：Raspberry Pi 的 GPIO 聯結器已經有三個版本：兩個 26 針腳的佈局適用於原始的 Raspberry Pi，還有一個 40 針腳的佈局從 Raspberry Pi “+” 模型開始使用，直到現在。圖 9-1 顯示了目前的 40 針腳佈局，這適用於所有 40 針腳 GPIO Raspberry Pi 模型，從 Raspberry Pi 4 開始。

圖 9-1. GPIO 針腳組態（40 針腳模型）

在聯結器的頂部，有 3.3V 和 5V 的電源供應。GPIO 使用 3.3V 作為所有輸入和輸出的電壓。任何帶有數字的針腳都可以作為 GPIO 針腳。那些具有其他名稱的針腳也具有特殊用途：14 TXD 和 15 RXD 是序列介面的傳輸和接收針腳；2 SDA 和 3 SCL 形成 I2C 介面；10 MOSI、9 MISO 和 11 SCKL 形成 SPI 介面。

討論：如果您依靠計數下來找到所需的針腳，則在 Raspberry Pi 上確定哪個針腳是哪個可能會出現錯誤。一個更好的方法是使用像 Raspberry Leaf 一樣的 GPIO 範本，如圖 9-2 所示。 這個範本適合於 GPIO 針腳，指示哪個針腳是哪個。其他 GPIO 範本包括 Pi GPIO Reference Board。

HAT 標準是一種您可以用於 Raspberry Pi 4、3、2、B+、A+ 和 Zero 的介面標準。這個標準不會阻止您直接使用 GPIO 針腳；然而，符合 HAT 標準的介面板可以稱自己為 HAT，並且與其他介面板不同。

內容解密：

上述內容介紹了 Raspberry Pi 的 GPIO 聯結器和其功能。GPIO 聯結器允許您將電子元件連線到您的 Raspberry Pi，並提供了一種通用的輸入/輸出方式。瞭解每個針腳的功能對於正確地使用 GPIO 聯結器至關重要。

  flowchart TD
    A[GPIO 聯結器] --> B[瞭解針腳功能]
    B --> C[使用 GPIO 範本]
    C --> D[確定針腳]
    D --> E[使用 GPIO]

圖表翻譯：

上述流程圖顯示了使用 Raspberry Pi 的 GPIO 聯結器的步驟。首先，您需要了解每個針腳的功能，然後使用 GPIO 範本來確定針腳。最後，您可以使用 GPIO 聯結器將電子元件連線到您的 Raspberry Pi。

Raspberry Pi 的 GPIO 介面安全使用

在使用 Raspberry Pi 的 GPIO 介面時，需要注意一些安全事項，以避免損壞您的 Raspberry Pi。以下是一些簡單的規則，幫助您在使用 GPIO 介面時保持安全：

  1. 不要用螺絲刀或金屬物品觸碰 GPIO 介面：當 Raspberry Pi 啟動時，請不要用螺絲刀或金屬物品觸碰 GPIO 介面，以避免短路或損壞。
  2. 不要超過 5V 的電壓：請不要將超過 5V 的電壓輸入到 Raspberry Pi 的 GPIO 介面，以避免損壞。
  3. 將 GND 腳位連線到裝置的 GND：在連線外部裝置時，請將 Raspberry Pi 的 GND 腳位連線到裝置的 GND，以確保安全。
  4. 不要超過 3.3V 的輸入電壓：當使用 GPIO 腳位作為輸入時，請不要超過 3.3V 的電壓，以避免損壞。
  5. 不要超過 16mA 的輸出電流：在使用 GPIO 腳位作為輸出的時候，請不要超過 16mA 的電流，並且總電流不要超過 50mA（對於舊款 26 針 Raspberry Pi）或 100mA（對於新款 40 針 Raspberry Pi）。
  6. 使用 LED 時，請使用適當的電阻：在使用 LED 時，請使用適當的電阻，以避免超過電流而損壞 LED。

遵循這些規則，您可以安全地使用 Raspberry Pi 的 GPIO 介面，並避免損壞您的裝置。

I2C 裝置的設定

如果您有 I2C 裝置想要使用於 Raspberry Pi，您需要設定 I2C 介面。以下是設定 I2C 介面的步驟：

  1. 啟用 I2C 介面：您需要啟用 Raspberry Pi 的 I2C 介面，才能使用 I2C 裝置。
  2. 安裝 I2C 相關套件：您需要安裝 I2C 相關套件，才能使用 I2C 裝置。
  3. 設定 I2C 裝置：您需要設定 I2C 裝置的位址和其他引數，才能正確地使用 I2C 裝置。

更多關於 I2C 裝置的設定和使用，請參考相關檔案和教程。

Mermaid 圖表：Raspberry Pi 的 GPIO 介面

  flowchart TD
    A[GPIO 介面] --> B[安全規則]
    B --> C[啟用 I2C 介面]
    C --> D[安裝 I2C 相關套件]
    D --> E[設定 I2C 裝置]

圖表翻譯：

上述 Mermaid 圖表展示了 Raspberry Pi 的 GPIO 介面和 I2C 裝置的設定流程。首先，需要了解 GPIO 介面的安全規則，以避免損壞裝置。然後，需要啟用 I2C 介面和安裝相關套件。最後，需要設定 I2C 裝置的位址和其他引數，才能正確地使用 I2C 裝置。

啟用I2C介面

在最新版本的Raspbian中，啟用I2C介面非常簡單，只需使用Raspberry Pi設定工具，即可完成設定。這個工具位於主選單的偏好設定中，點選後即可看到I2C設定選項。選擇啟用I2C介面後，系統會提示您重新啟動。

使用命令列啟用I2C

如果您使用的是舊版本的Raspbian，或者您偏好使用命令列，則可以使用raspi-config工具來啟用I2C介面。首先，開啟終端機並輸入以下命令：

$ sudo raspi-config

然後，從選單中選擇「Interfacing Options」，並滾動到「I2C」選項。選擇啟用I2C介面後，系統會提示您重新啟動。

安裝Python I2C函式庫

啟用I2C介面後，您需要安裝Python I2C函式庫，以便使用I2C裝置。輸入以下命令：

$ sudo apt-get install python-smbus

安裝完成後，重新啟動Raspberry Pi即可使用I2C介面。

使用I2C工具

如果您已經連線了I2C裝置，並且想要確認它是否已經連線成功，可以使用i2c-tools來檢查。首先，安裝i2c-tools：

$ sudo apt-get install i2c-tools

然後，連線I2C裝置並執行以下命令：

$ sudo i2cdetect -y 1

如果I2C介面可用，您將會看到類別似於下圖的輸出，顯示I2C地址。

內容解密：

上述命令使用i2cdetect工具來檢查I2C介面是否可用，並顯示連線的I2C裝置的地址。 -y選項用於停用互動式提示，1代表I2C匯流排號碼。

十六進位制數字

十六進位制數字是一種以16為基數的數字系統，與我們平常使用的10進位制數字系統不同。十六進位制數字使用0-9和A-F來代表數字，其中A代表10，B代表11，…, F代表15。十六進位制數字通常以0x為字首，以避免與10進位制數字混淆。

圖表翻譯：

  graph LR
    A[十進位制] -->|轉換|> B[十六進位制]
    B -->|0x|> C[0x68]
    C -->|計算|> D[104]

上述圖表顯示了十進位制數字到十六進位制數字的轉換過程。

SPI介面設定

問題描述

您想要使用Raspberry Pi的Serial Peripheral Interface（SPI）匯流排。

解決方案

由於Raspbian預設並未啟用Raspberry Pi的SPI介面，因此需要進行設定。設定步驟與Recipe 9.3大致相同。您可以透過以下步驟啟用SPI介面：

  1. 開啟Raspberry Pi Configuration工具（位於主選單的Preferences下）。
  2. 點選Interfaces標籤。
  3. 選擇Enabled按鈕以啟用SPI介面。
  4. 點選OK確認。

或者，您也可以使用命令列介面：

$ sudo raspi-config

選擇Interfacing Options，然後選擇SPI，最後選擇Yes並重新啟動您的Raspberry Pi。重新啟動後，SPI介面將可用。

討論

SPI允許Raspberry Pi與周邊裝置（如類別比數位轉換器（ADC）和埠擴充器晶片等）之間進行串列資料傳輸。您可能會遇到一些不使用SPI介面，而是使用位元碰撞（bit banging）方法的範例，這種方法使用RPi.GPIO函式庫來與SPI介面使用的四個GPIO引腳進行互動。

您可以透過以下命令檢查SPI介面是否正常工作：

$ ls /dev/*spi*

如果正常，應該會顯示 /dev/spidev0.0 和 /dev/spidev0.1。如果沒有顯示這些內容，表示SPI介面尚未啟用。

內容解密：

以上步驟和命令都是用於啟用和檢查Raspberry Pi的SPI介面。SPI是一種重要的介面，可以讓Raspberry Pi與各種周邊裝置進行通訊。透過啟用SPI介面，您可以使用Raspberry Pi進行更多樣化的應用開發。

圖表翻譯：

  flowchart TD
    A[啟用SPI介面] --> B[選擇Interfacing Options]
    B --> C[選擇SPI]
    C --> D[選擇Yes並重新啟動]
    D --> E[SPI介面可用]

此圖表描述了啟用SPI介面的步驟，從選擇Interfacing Options到重新啟動Raspberry Pi，使SPI介面可用。

使用Python進行序列埠通訊

在進行序列埠通訊時，Python提供了一個方便的函式庫叫做pyserial，可以用來與序列埠裝置進行通訊。以下是如何使用它的範例。

安裝pyserial

首先，你需要安裝pyserial函式庫。你可以使用pip進行安裝：

pip install pyserial

開啟序列埠連線

要開啟序列埠連線，你需要建立一個serial.Serial物件，指定序列埠裝置和鮑率。例如：

import serial

ser = serial.Serial('/dev/ttyS0', 9600)

這裡，/dev/ttyS0是序列埠裝置，9600是鮑率。

傳送資料

要傳送資料，你可以使用write()方法：

ser.write('some text')

這裡，'some text'是你要傳送的資料。

接收資料

要接收資料，你可以使用read()方法：

print(ser.read())

這裡，read()方法會傳回接收到的資料。

關閉序列埠連線

當你完成序列埠通訊後，記得關閉連線：

ser.close()

使用Minicom測試序列埠

如果你想測試序列埠是否正常工作，你可以使用Minicom。Minicom是一個終端模擬器，可以用來與序列埠裝置進行通訊。

首先，你需要安裝Minicom：

sudo apt-get install minicom

然後，你可以啟動Minicom：

minicom -b 9600 -o -D /dev/ttyS0

這裡，-b 9600指定鮑率，-D /dev/ttyS0指定序列埠裝置。

在Minicom中，你可以按下Ctrl+A和Z鍵組合來顯示命令列表。然後，你可以按下E鍵來啟用本地回顯，這樣你就可以看到你輸入的命令。

現在，你可以與序列埠裝置進行通訊了。任何你輸入的命令都會被傳送到序列埠裝置，任何來自裝置的訊息都會被顯示出來。

圖表翻譯：

  flowchart TD
    A[啟動Minicom] --> B[設定鮑率和序列埠裝置]
    B --> C[啟用本地回顯]
    C --> D[與序列埠裝置進行通訊]
    D --> E[傳送和接收資料]

內容解密：

在上面的範例中，我們使用pyserial函式庫來與序列埠裝置進行通訊。首先，我們建立了一個serial.Serial物件，指定序列埠裝置和鮑率。然後，我們使用write()方法傳送資料，使用read()方法接收資料。最後，我們關閉了序列埠連線。

在使用Minicom時，我們首先安裝了Minicom，然後啟動了Minicom，指定鮑率和序列埠裝置。然後，我們啟用了本地回顯，這樣我們就可以看到我們輸入的命令。現在，我們可以與序列埠裝置進行通訊了。

使用麵包板和跳線進行電子原型設計

問題

您想要使用 Raspberry Pi 和一個無焊接麵包板進行電子原型設計。

解決方案

使用公對母跳線和一個 GPIO 引腳標籤範本，例如 Raspberry Leaf（圖 9-9）。

圖 9-9. 使用公對母跳線將 Raspberry Pi 連線到麵包板

討論

在裸露的 Raspberry Pi 板上，識別所需的引腳並不容易。您可以透過使用像 Raspberry Leaf 這樣的 GPIO 引腳標籤範本來簡化這個過程。這個範本可以套在引腳上，幫助您快速識別所需的引腳。

另外，擁有一套公對公跳線可以幫助您在麵包板的不同部分之間建立連線。母對母跳線也很有用，可以直接將具有男性頭部引腳的模組連線到 Raspberry Pi 上，即使您不需要使用麵包板。

購買一個包含麵包板、Raspberry Leaf 和一套跳線的入門套件是獲得這些工具的好方法。例如，MonkMakes 的 Raspberry Pi 電子入門套件（見附錄 A）。

參考

我們將在配方 10.1 中詳細討論如何使用麵包板連線 LED 的範例。

從產業生態圈的動態變化來看，Raspberry Pi 在影像處理、物體偵測和硬體控制領域持續展現強大的應用潛力。本文深入探討瞭如何利用 SimpleCV 進行人臉和動態偵測，以及如何設定和使用 GPIO、I2C 和 SPI 等介面，更進一步解析了序列埠通訊和電子原型設計的實踐方法。技術堆疊的各層級協同運作中體現了軟硬體整合的價值，例如結合 SimpleCV 和攝影機模組實作動態偵測，以及利用 Python 程式函式庫操控 GPIO 控制外部裝置。然而，效能瓶頸仍是 SimpleCV 在複雜影像處理任務中的一大挑戰。雖然使用 Haar 特徵進行人臉偵測簡潔易用，但其準確性和效率仍有提升空間。未來，整合更先進的電腦視覺演算法和深度學習模型將是 SimpleCV 的重要發展方向。對於追求更高效能的應用，則可以考慮使用 OpenCV 等更為成熟的影像處理函式庫。玄貓認為，Raspberry Pi 作為一個易於上手且功能豐富的開發平臺，將持續在物聯網、邊緣運算和教育領域扮演重要角色，而掌握其硬體介面和軟體工具的使用，將是開發者開啟創新應用的關鍵。

玄貓

玄貓

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。