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从零开始搭建Raspberry Pi机器视觉编程环境


从零开始搭建Raspberry Pi机器视觉编程环境

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本文主要包括如下内容:

  • 安装Raspbian系统
  • 连接和设置网络
  • 安装中文支持
  • 用电脑控制树莓派
    • 通过SSH远程登录树莓派命令行界面
    • 安装VNC远程登录树莓派图形桌面
    • 通过串口连接树莓派
  • 安装OpenCV及相关开发包
  • 一键备份树莓派SD卡


1 安装Raspbian系统

拿到树莓派后第一件事当然是装系统。安装树莓派系统所需配置:

  • 1个输出5V,>700mA(通常选择1A或2A)的USB电源适配器
  • 1根micro USB线(安卓线)
  • 1张拷贝好系统镜像与NOOBS的SD卡(>=8G)
  • 1个可以用于树莓派的显示器及相关视频转接线(如果需要)
  • 1个USB无线网卡或一根网线+网络

对于机器视觉应用,选择一张大于8G的卡,我的是32G,装完本文所有内容后约使用6G空间。如果费劲的装完所有软件后怕一朝回到解放前,则另外需要约7G空间用于备份。


1.1下载系统和安装工具

下载树莓派操作系统Raspbian,下载地址:

  • https://www.raspberrypi.org/downloads/

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下载系统Raspbian系统和安装工具NOOBS (NewOut Of Box System)。


1.2 安装系统

将下载的系统文件解压后的镜像文件xxx-raspbian-jessie.img"拷贝进SD卡根目录。

将NOOBS 解压后的NOOBS_v1_9_1文件夹中的所有文件拷贝到SD卡根目录,注意要进入NOOBS_v1_9_1文件夹拷贝里面的所有文件,而不是直接拷贝文件夹。

拷贝完成后SD卡根目录应该是类似这个样子:

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将SD卡装入树莓派。找个带HDMI接口的显示器,如果没有就买个HDMI转VGA的转接线使用常见VGA接口显示器作为树莓派的屏幕,连上USB鼠标键盘,一切就绪。连上电源线通电后树莓派将自动进入安装程序,稍等一会就系统就装好了,默认登录到图形界面。


安装和设置网络


2.1 连接网络

我使用的是USB无线wifi网卡,插好自动配置,找到wifi热点输入密码连接即可上网。我们可以在树莓派的LX终端命令行使用如下命令查看网络连接情况

ifconfig
etho的部分为有线网络连接情况,wlan0的部分为无线网络连接情况,inet addr: xxx.xxx.xxx.xxx 就是树莓派的IP地址。

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2.2 设置静态IP

默认情况下树莓派的IP是DHCP动态配置的,为了下文使用VNC登录方便,通常做法是将IP改为静态地址。改 /etc/network/interfaces配置文件

sudo nano /etc/network/interfaces

  • sudo是Linux命令:使用超级用户运行的意思。
  • nano是树莓派自带的一个文本编辑器,很多配置文件都可以用它来打开修改。

将打开的配置文件wlan0的相应部分修改如下:

allow-hotplug wlan0
iface wlan0 inet static
wpa-conf/etc/wpa_supplicant/wpa_spplicant.conf
address 192.168.0.112
netmask 255.255.255.0
gateway 192.168.0.1

  • IP设置为静态:static
  • 此处固定树莓派的无线网络IP地址为:192.168.0.112
  • 子网掩码设置为:255.255.255.0
  • 网关为家里路由器的地址:192.168.0.1

修改后的配置文件类似下图:

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Ctrl+O保存,Ctrl+X退出编辑。然后重启树莓派使配置生效

sudo reboot
网络配置方法还有许多,就不一一罗列了,可参考其他相关文章。


安装中文支持

3.1 安装中文字体

进入树莓派LX终端,在命令行输入:

sudo apt-get install ttf-wqy-zenhei
将安装文泉驿的开源中文字体,现在可以正常显示中文了。


3.2 安装中文输入法

安装Linux下的中文输入法SCIMSmart Common Input Method),命令行输入

sudo apt-get install scim-pinyin

安装好拼音输入法后,可以直接命令行输入scim激活,下次启动是会自动启动的。快捷键是Ctrl+空格。或者直接点击屏幕右上角的输入法图标选择。


3.3 配置中文操作系统

命令行运行:

sudo raspi-config
进行系统设置。选择Internationalisation Options-->Change Locale-->zh_CN.UTF-8-->OK,然后重启系统,设置为中文操作系统。

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4 用电脑控制树莓派

4.1 SSH

Secure Shell(SSH)是Linux的一个功能可以使你从主机电脑上快速打开一个树莓派的终端会话。要使用SSH,首先需要打开它。最简单的方式是使用Raspi Config,目前的Raspbian系统已经默认打开SSH功能。

有网络连接的情况下,SSH是一个远程连接电脑的常用方式;可以在Secure Shell中使用可以在树莓派上执行的任何命令。同时,基于它的通信都是加密的。

该方式的缺陷是基于命令行而非图形界面。如果想要远程访问图形桌面环境,请参考下一节使用VNC。

windows系统使用SSH需要安装Putty以建立SSH会话。

putty下载地址:

  • http://pan.baidu.com/share/link?shareid=2217335081&uk=605377859

解压缩后运行putty.exe

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putty基本设置里“连接类型”选择SSH,主机名称或IP地址填写树莓派的IP地址,点击“打开”。弹出命令行提示输入登录用户名,输入:pi,稍等提示输入密码,输入raspberry即可实现命令行远程控制树莓派。

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4.2 VNC

通过SSH只能使用命令行控制树莓派,而VNC可远程登录树莓派图形界面系统。VNC包括服务端(VNC server)和客户端(VNC viewer)

(1)安装服务端:tightvncserver

首先给树莓派安装VNC服务端,通过LX终端命令行安装tightvncserver:

sudo apt-get install tightvncserver

(2)树莓派启动服务端:tightvncserver

安装好tightvncserver服务端后,命令行启动服务端

sudo tightvncserver

启动服务端,第一次启动需要输入两次秘码,并确认是否使用只观察模式登录,可选择否。

启动后可以看到 服务端已启动:New ‘X‘ desktop is raspberrypi: 1,1为电脑登录时的端口号。也可以同时启动多个服务端,以不同编号区分。

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(3)获取树莓派IP地址

获取树莓派的IP地址,在LX终端输入:

ifconfig

显示结果为192.168.0.112,就是我们之前设置的静态IP。如果没有设置静态IP,需要通过此步骤获取树莓派的IP用于客户端登录。

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(4)电脑上安装客户端:VNC Viewer

在电脑上安装VNC客户端,有很多可选的软件,推荐RealVNC,连接稳定,下载地址:

  • http://www.realvnc.com

安装VNC Viewer后打开弹出如下对话框:

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VNC Sever栏输入192.168.0.112:1(1为vnc服务端的端口号),点击连接,然后输入树莓派VNC服务端第一次启动时设置的登录密码完成登录。


(5)让树莓派开机启动VNCserver

以下是一个简单易行的开机启动VNCserver的方法。创建开机启动文件

cd /home/pi
cd .config
mkdir autostart
cd autostart
nano tightvnc.desktop
打开的文件中输入如下代码:

[Desktop Entry]
Type=Application
Name=tightVNC
Exec=vncserver :1
StartupNotify=false
重启树莓派

sudo reboot
这样每次通电开机,我们不需要外接屏幕也可以用电脑使用树莓派的静态IP和VNCserver端口1远程登录树莓派的图形界面系统了。

4.3 使用串口连接树莓派

如果没有网络环境又想使用电脑控制树莓派,可以通过串口线实现。

使用UBS转TTL线连接树莓派,连接图如下图所示:右下角GPIO接口倒数第5~第3个引脚,依次连接绿色、白色、黑色USB接线,红色为电源供电线,理论上可以接外侧倒数第1个引脚给树莓派供电,我测试了一下因功率不够导致树莓派无法启动。

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打开putty,选择“串口”连接,端口为计算机分配给USB转TTL线的端口号,通过:计算机--右键--设备管理器--端口,查看串口号,本机为COM5,波特率填115200,点击putty对话框下方的“打开”按钮进行连接。

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弹出的命令行连接窗口中输入pi,然后输入密码:raspberry,即可通过串口连接树莓派。

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5 安装OpenCV及相关开发包


OpenCV的安装费了很大劲。网上有许多指南,尝试安装成功后,但树莓派中的Python2无法导入cv2库,也尝试了配置环境变量等方式仍然无法调用。后来按照书上方法一个个包安装才能与Pyhton配合使用。这里提供3个安装方法:官方安装指南,网上教程连接,以及我自己安装成功的方法。


5.1 OpenCV官方Linux系统安装指南

官方指南地址:

  • http://docs.opencv.org/2.4/doc/tutorials/introduction/linux_install/linux_install.html

(1)需要安装的包:Required Packages 

  • GCC 4.4.x or later
  • CMake 2.6 or higher
  • Git
  • GTK+2.x or higher, including headers(libgtk2.0-dev)
  • pkg-config
  • Python 2.6 or later and Numpy 1.5 orlater with developer packages (python-dev, python-numpy)
  • ffmpeg or libav development packages:libavcodec-dev, libavformat-dev, libswscale-dev
  • [optional] libtbb2 libtbb-dev
  • [optional] libdc1394 2.x
  • [optional] libjpeg-dev, libpng-dev,libtiff-dev, libjasper-dev, libdc1394-22-dev

(2)安装方法

安装编译器:

sudoapt-get install build-essential

安装支持包:

sudoapt-get install cmake git libgtk2.0-dev pkg-config libavcodec-devlibavformat-dev libswscale-dev

安装可选包:

sudo apt-get install python-devpython-numpy libtbb2 libtbb-dev libjpeg-dev libpng-dev libtiff-devlibjasper-dev libdc1394-22-dev


(3)获取OpenCV源代码:Getting OpenCV Source Code 

OpenCV下载地址:

  • http://opencv.org/downloads.html
  • https://github.com/Itseez/opencv/archive/2.4.13.zip
  • https://sourceforge.net/projects/opencvlibrary/

方法1:

  • 从上述地址下载OpenCV安装包(for Linux),这里下载的是opencv-2.4.13.zip,通过U盘拷贝到raspberry pi的home/pi/文件夹,然后解压缩生成一个opencv-2.4.13文件夹。

方法2:

  • 可以从树莓派直接用命令行下载,然后解压安装包

wget -O opencv-2.4.13.zip http://sourceforge.net/projects/opencvlibrary/files/opencv-unix/2.4.13/opencv-2.4.13.zip/download
unzip opencv-2.4.13.zip

总之,获取最新的稳定版OpenCV安装文件,并解压该安装文件。我下载的是opencv-2.4.13.zip,因为Python2

(4)命令行使用CMake编译OpenCV源文件

创建一个存放Makefiles、工程文件、目标文件和输出二进制文件的临时文件夹,这里用<cmake_binary_dir>表示,例如在解压后的opencv-2.4.13/文件夹中创建release文件夹,则<cmake_binary_dir>= opencv-2.4.13/release,例如命令行代码如下:

cd ~/opencv
mkdir release
cd release

命令行进入cd opencv-2.4.13/release文件夹,输入:

cmake [<some optional parameters>] <path to the OpenCV source directory>

例如:

cmake -D CMAKE_BUILD_TYPE=RELEASE -D CMAKE_INSTALL_PREFIX=/usr/local ..

命令行进入文件夹opencv-2.4.13/release文件夹,输入

<pre name="code" class="plain">make
sudo make install

完成编译和安装,此步骤耗时约6小时。

更新搜索动态链接库

sudo ldconfig

(5)测试安装

  • 查看安装版本
pkg-config --modversion opencv

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显示版本为我们下载安装的2.4.13版。

  • 执行测试确认套件是否可运行

命令行进入/opencv-2.4.13/release/bin目录,输入

cd ~/opencv-2.4.13/release/bin
./opencv_test_core

显示测试安装的结果:

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参考文章:

  • http://docs.opencv.org/2.4/doc/tutorials/introduction/linux_install/linux_install.html
  • http://www.raspberries.tw/post/49782936305/raspberrypi-build-opencv-with-xwindow#_=_
  • http://blog.csdn.net/xukai871105/article/details/40988101
  • https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?f=63&t=80601


5.2 源码包方式安装OpenCV

通过上一节的方法安装的OpenCV不能被Python调用,按网上的方法定义了环境变量还是不行。于是找到了一本老外的书上介绍的方法,比较简洁,装好后终于可以正常被python调用了。这里将此提供给大家,供参考:

(1)更新Advanced Package Tool (apt)

apt是一个在Debian系统中用于安装和卸载软件的工具,我们用它来更新Pi上的软件

sudoapt-get update

(2)更新已安装软件

sudo apt-get upgrade

(3)更新固件

sudo rpi-update

(4) 安装OpenCV必要的包和依赖项

sudo apt-get install <package-name>

<package-name>如下表所示

 

 

 

libopencv-dev

libpng3

libdc1394-22-dev

build-essential

libpnglite-dev

libdc1394-22

libavformat-dev

zlib1g-dbg

libdc1394-utils

x264

zlib1g

libv4l-0

v4l-utils

zlib1g-dev

libv4l-dev

ffmpeg

pngtools

libpython2.7

libcv2.4

libtiff4-dev

python-dev

libcvaux2.3

libtiff4

python2.7-dev

libhighgui2.4

libtiffxx0c2

libgtk2.0-dev

python-opencv

libtiff-tools

libpngwriter0-dev

opencv-doc

libjpeg8

libpngwriter0c2

libcv-dev

libjpeg8-dev

libswscale-dev

libcvaux-dev

libjpeg8-dbg

libjpeg-dev

libhighgui-dev

libavcodec-dev

libwebp-dev

python-numpy

libavcodec53

libpng-dev

python-scipy

libavformat53

libtiff5-dev

python-matplotlib

libgstreamer0.10-0-dbg

libjasper-dev

python-pandas

libgstreamer0.10-0

libopenexr-dev

python-nose

libgstreamer0.10-dev

libgdal-dev

libeigen3-dev

libxine1-ffmpeg

python-tk

libgtkglext1-dev

libxine-dev

python3-dev

libpng12-0

libxine1-bin

python3-tk

libpng12-dev

libunicap2

python3-numpy

libpng++-dev

libunicap2-dev

 


是的,就这么多 -_-

(5)安装OpenCV

上述步骤安装好所有包后,安装OpenCV

sudo apt-get install python-opencv
注意这是给Pyhton安装opencv最简单的方法,但缺点是不一定是最新的OpenCV版本。写本文时,用此方法安装的是2.4.9版。


现在终于可以在树莓派上的Python中使用OpenCV了,打开Pyhton测试一下安装版本:

<pre name="code" class="python"><<<import cv2
<<<cv2.__version__
<<<'2.4.9.1'

6 备份SD卡

如果经过半天折腾完成了Pi的机器视觉编程环境搭建,担心出问题要重装的话,可以选择使用以下方法备份SD卡,它只备份SD卡使用到的空间,而非整个SD卡。

此方法参考文章

  • http://www.fendou.info/raspberry-pi-sd-card-backup-and-recovery/comment-page-1/
  • http://www.littledai.com/20140527/000753/3196

6.1 安装需要的软件

  • dosfstools:fat32分区格式化工具
  • dump:dump& restore 备份工具
  • parted & kpartx:虚拟磁盘工具

sudo apt-get install dosfstools
sudo apt-get install dump
sudo apt-get install parted
sudo apt-get install kpartx


6.2 生成新的img文件

先使用df-h命令查看下树莓派实际使用空间然后在决定生成文件大小,只需看root后占用的空间,这里已经使用6.7G。

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下面命令生成块大小为1MB,总大小为7500MB的镜像文件

sudo dd if=/dev/zero of=raspberrypi.img bs=1MB count=7500


6.3 分割虚拟磁盘

利用parted将刚才生成的虚拟盘分割成两个分区

  • 第一个分割区采用FAT32格式,由sector 8192开始到sector 12879,约62.9MB
  • 第二个分割区采用EXT4,由sector 122880开始到结束。

sudo parted raspberrypi.img --script -- mklabel msdos
sudo parted raspberrypi.img --script -- mkpart primary fat32 8192s 122879s
sudo parted raspberrypi.img --script -- mkpart primary ext4 122880s -1

6.4 挂载虚拟磁盘并格式化

loopdevice:执行 losetup连接 img文件的 loop device

device:执行完 kpartx后,虚拟磁盘代号。

partBoot:由 device加上 p1组合而成的 FAT32虚拟磁盘分区。

partRoot:由 device加上 p2组合而成的 EXT4 虚拟磁盘分区。

loopdevice=`sudo losetup -f --show raspberrypi.img`
device=`sudo kpartx -va $loopdevice | sed -E 's/.*(loop[0-9])p.*/\1/g' | head -1`
device="/dev/mapper/${device}"
partBoot="${device}p1"
partRoot="${device}p2"

格式化虚拟磁盘分区

sudo mkfs.vfat $partBoot
sudo mkfs.ext4 $partRoot


6.5 开始备份

fat32虚拟磁盘分区建立好后直接用cp命令备份文件

sudo mount -t vfat $partBoot /media
sudo cp -rfp /boot/* /media/
sudo umount /media
ext4linux虚拟磁盘分区用dump & restore备份
sudo mount -t ext4 $partRoot /media/
cd /media
sudo dump -0uaf - / |  sudo restore -rf -
cd
sudo umount /media


6.5 卸载虚拟磁盘 

sudo kpartx -d $loopdevice
sudo losetup -d $loopdevice

经过以上六步树莓派中的数据文件就全部备份到raspberrypi.img中了,你既可以在Windows中用Win32DiskImager将镜像恢复到SD卡,也可以在Linuxdd还原到SD卡,而且不要求恢复SD卡的大小跟原来的一样,这样就可以很方便的更换SD卡。在home/pi目录下生成了一个raspberrypi.img的备份文件如下:

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6.6 一键备份设置 

创建一个脚本文件,保存在任意位置(如home/pi/backup),任意文件名(如backup.sh)

cd backup
sudo nano backup.sh


向打开的文件中拷贝内容如下:

#!/bin/sh
sudo dd if=/dev/zero of=raspberrypi.img bs=1MB count=7500
sudo parted raspberrypi.img --script -- mklabel msdos
sudo parted raspberrypi.img --script -- mkpart primary fat32 8192s 122879s
sudo parted raspberrypi.img --script -- mkpart primary ext4 122880s -1
 
loopdevice=`sudo losetup -f --show raspberrypi.img`
device=`sudo kpartx -va $loopdevice | sed -E 's/.*(loop[0-9])p.*/\1/g' | head -1`
device="/dev/mapper/${device}"
partBoot="${device}p1"
partRoot="${device}p2"
sudo mkfs.vfat $partBoot
sudo mkfs.ext4 $partRoot
sudo mount -t vfat $partBoot /media
sudo cp -rfp /boot/* /media/
sudo umount /media
sudo mount -t ext4 $partRoot /media/
cd /media
sudo dump -0uaf - / | sudo restore -rf -
cd
sudo umount /media
sudo kpartx -d $loopdevice
sudo losetup -d $loopdevice

按Ctrl+O保存文件,Ctrl+x退出,需要备份时可执行:

sudo sh backup.sh
执行完成后可以看到生成的备份文件

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现在可以放手折腾啦!
下图是使用VNC登录树莓派使用Geany IDE编写Python机器视觉程序的一个例子:
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遗憾的是如果使用RealVNC远程调试机器视觉程序,因为RealVNC不支持OpenGL,所以无法调用cv2模块里的imshow()函数显示图像,上面的例子中我改成了使用matplotlib库中的函数显示。


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