RASPBERRY PI FOTO UND VIDEO MIT FRUIT UP YOUR FANTASY

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1 VOM AUTOR DES BESTSELLERS COOLE PROJEKTE MIT RASPBERRY PI In Kooperation mit FRUIT UP YOUR FANTASY E. F. ENGELHARDT FOTO UND VIDEO MIT RASPBERRY PI Gesichtserkennung, Focus Stacking, Zeitrafferaufnahmen, Highspeed-Fotos und selbst gebaute Digicam: 20 Projekte mit dem Camera Module

2 E. F. Engelhardt Foto und Video mit Raspberry Pi

3 In Kooperation mit FRUIT UP YOUR FANTASY E. F. ENGELHARDT FOTO UND VIDEO MIT RASPBERRY PI Gesichtserkennung, Focus Stacking, Zeitrafferaufnahmen, Highspeed-Fotos und selbst gebaute Digicam: 20 Projekte mit dem Camera Module

4 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte Daten sind im Internet über abrufbar. Alle Angaben in diesem Buch wurden vom Autor mit größter Sorgfalt erarbeitet bzw. zusammengestellt und unter Einschaltung wirksamer Kontrollmaßnahmen reproduziert. Trotzdem sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Der Verlag und der Autor sehen sich deshalb gezwungen, darauf hinzuweisen, dass sie weder eine Garantie noch die juristische Verantwortung oder irgendeine Haftung für Folgen, die auf fehlerhafte Angaben zurückgehen, übernehmen können. Für die Mitteilung etwaiger Fehler sind Verlag und Autor jederzeit dankbar. Internetadressen oder Versionsnummern stellen den bei Redaktionsschluss verfügbaren Informationsstand dar. Verlag und Autor übernehmen keinerlei Verantwortung oder Haftung für Veränderungen, die sich aus nicht von ihnen zu vertretenden Umständen ergeben. Evtl. beigefügte oder zum Download angebotene Dateien und Informationen dienen ausschließlich der nicht gewerblichen Nutzung. Eine gewerbliche Nutzung ist nur mit Zustimmung des Lizenzinhabers möglich Franzis Verlag GmbH, Haar bei München Alle Rechte vorbehalten, auch die der fotomechanischen Wiedergabe und der Speicherung in elektronischen Medien. Das Erstellen und Verbreiten von Kopien auf Papier, auf Datenträgern oder im Internet, insbesondere als PDF, ist nur mit ausdrücklicher Genehmigung des Verlags gestattet und wird widrigenfalls strafrechtlich verfolgt. Die meisten Produktbezeichnungen von Hard- und Software sowie Firmennamen und Firmenlogos, die in diesem Werk genannt werden, sind in der Regel gleichzeitig auch eingetragene Warenzeichen und sollten als solche betrachtet werden. Der Verlag folgt bei den Produktbezeichnungen im Wesentlichen den Schreibweisen der Hersteller. Programmleitung und Lektorat: Markus Stäuble Herausgeber: Ulrich Dorn art & design: Satz: DTP-Satz A. Kugge, München Layout: Manuel Blex Druck: C.H. Beck, Nördlingen Printed in Germany ISBN

5 Vorwort Als Besitzer einer Digitalkamera haben Sie sicher schon viele Motive fotografiert: Menschen, Tiere, Landschaften eben alles, was Ihnen vor die Linse gekommen ist. All diese Aufnahmen haben Sie mit dem Sucher oder dem Live-View-Bild der Kamera eingefangen und dann auf den Auslöser gedrückt. Soll es hingegen um Aufnahmen gehen, bei denen es neben dem Blick für das Motiv auch auf eine verstärkt technische Umsetzung ankommt, z. B. Zeitrafferaufnahmen, Focus Stacking und die Umsetzung von Spezialeffekten, etwa bei der Fotografie von Wassertropfen, dann kann der Raspberry Pi nicht nur eine Hilfestellung, sondern mit diesem Buch auch praxisnahe Lösungen bieten. Mit dem geeigneten Stück Elektronik und einer passenden Schaltung lässt sich der Raspberry Pi nämlich auch zum Anfertigen von Fotoaufnahmen nutzen, die so bisher nicht oder nur mit hohem Aufwand möglich waren. Dem Hobbyfotografen steht jetzt eine Technik zur Verfügung, auf die bislang nur Profis mit entsprechendem Equipment zurückgreifen konnten. Die Fülle an Möglichkeiten, die der Raspberry Pi bietet, kann einen richtigen Einstieg im Zusammenspiel mit der Raspberry-Pi-Kamera oder einer über ein Auslösekabel angekoppelten Digitalkamera aber auch erschweren. Dieses Buch hilft, das Zusammenspiel der unterschiedlichen Komponenten und die Programmierung derselben zu verstehen. Vor allem das Zusammenwirken mehrerer GPIO-Anschlüsse und die Steuerung der Abläufe, gebündelt mit technischem Know-how und Programmierbeispielen in C, C++, Python- und Shell-Skripten, erweitern den Horizont enorm, damit Sie diese Techniken mit dem Raspberry Pi auch in tolle Fotos umsetzen können. Erfahren Sie kurz und knackig, wie Sie eine eigene Kamerafirmware programmieren und diese auf dem Raspberry Pi mit dem Camera Module einsetzen. Die wichtigsten Fakten, Techniken und Lösungen zum Thema Gesichtserkennung und Gesichtswiedererkennung mit OpenCV auf dem Raspberry Pi sind am Ende des Buchs zusammengefasst. Dort lernen Sie auch, wie Sie die vorgestellten Codebeispiele in eigene, selbst gestrickte Lösungen einbauen können. Wir wünschen Ihnen viel Spaß mit den Projekten! Autor und Verlag Sie haben Anregungen, Fragen, Lob oder Kritik zu diesem Buch? Dann erreichen Sie den Autor per Mail unter

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7 Inhaltsverzeichnis 1 Raspberry-Pi-Kamera im Einsatz Kameramodul mit dem Raspberry Pi koppeln Betriebssystem und Firmware auffrischen Inbetriebnahme des Kameramoduls Fotografieren über Kommandozeilenbefehl LED abschalten und heimlich fotografieren Programmierung der Raspberry-Pi-Kamera Fotografieren über die Kommandozeile Projekt: Fernauslösekabel modden OEM-Fernauslöser besorgen und testen Adernpaare des Auslösekabels Schaltung für den GPIO-Einsatz designen Platine löten und erste Inbetriebnahme Erste Bildaufnahme mit dem fotocheck-skript Kameraschlitten für Focus Stacking und Zeitrafferaufnahmen Arbeitsweise von Elektromotoren Spannungsversorgung des bipolaren Stepper-Motors Projekt: Einen alten Flachbettscanner modden Scanner ausschlachten und umbauen Motorsteuerung über den Raspberry Pi Stromversorgung über das Scannernetzteil Inbetriebnahme des Scannermotors Herausfinden der Anschlussbelegung Motorsteuerung versus Motortreiber Mehr Kontrolle mit einem Schrittmotorcontroller Projekt: Stepper-Motor mit IC ULN2803 steuern Schaltung auf Steckboard umsetzen Vollschritt- versus Halbschrittverfahren Vollschritt- und Halbschrittverfahren im Einsatz Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen umsetzen Projekt: Semiprofessioneller Kameraschlitten Werkstücke, Kosten und Konstruktion Verschraubung der einzelnen Werkstücke Antrieb über einen einfachen Stepper-Motor Stepper-Motor und Gewindestange verbinden Motor mit der Gewindestange verbinden...58

8 8 Inhaltsverzeichnis Durchführen der manuellen Funktionsprüfung Motor mit einem Motortreiber koppeln Spannungsversorgung für den Motortreiber Stepper-Motoren mit geringer Schrittweite Konfiguration der gewünschten Schrittmodi Programmierung des Kameraschlittens Digicam selbst gebaut Projekt franziscam: Schaltung und Schalter Grundlegendes, Bauteile und Zubehör Ein Duft von Lötzinn liegt in der Luft Präzise Festlegung der GPIO-Eingänge Schaltungsdesign vom Steckboard auf die Rasterplatine Verlöten der einzelnen Widerstände Feinarbeiten nach dem Verlöten Schaltung und GPIO-Pins verheiraten Bestückung der GPIO-Steckerleiste Schaltung und Schalter für den Ernstfall testen Projekt franziscam: Bildschirm modden Umbau der Stromversorgung von 12 auf 5 Volt Kamerabildschirm einrichten mit raspi-config Bildschirmausgabe und Seitenverhältnis festlegen Bilder auf dem LED-Bildschirm anzeigen Zugriff auf die Bilder festlegen Projekt franziscam: Firmware selbst bauen Raspistill-Quellcode anpassen und entrümpeln Kompilieren und Erstellen nötiger Dateien franziscam und raspistill im Einsatz Bildanzeige ohne GUI mit dem fbi-tool EXIF- und GPS-Funktionen nachrüsten Achtung, Aufnahme: Videofunktionen nutzen Projekt franziscam: Inbetriebnahme und Log-in Vollautomatisches Log-in nach dem Start Autostart nach dem Einschalten Projekt franziscam: Gehäuse aus Sperrholz Objektivideen für Undercovereinsätze Smartphone-Objektive für den Raspberry Pi Raspberry-Pi-NoIR-Infrarotkameramodul Projekt: Von der DVD-Laserlinse zur Makrolinse DVD-Laufwerk öffnen Steuerelektronik/Platine ausbauen Linse auf Raspberry Pi anbringen

9 Inhaltsverzeichnis Projekt: Einwegkamera als Mehrwegobjektiv Ausschlachten einer Einwegkamera Projekt: Türspion als Weitwinkelobjektiv Projekt: Infrarotfilter entfernen Das kleine Kameramodul lädt zum Basteln ein M12 die Linse der Überwachungskameras Zeitrafferaufnahmen mit dem Raspberry Pi Projekt: Zeitraffersteuerung per Shell-Skript Auto-Log-in und automatisches Fotografieren Zeitrafferaufnahmen mit dem Raspberry Pi erstellen Bildkorrekturen im Stapel mit imagemagick Zeitraffervideo mit dem Raspberry Pi erstellen Highspeed-Fotografie mit dem Raspberry Pi Projekt: Fallende Wassertropfen einfrieren Schaltungsaufbau der Wasserpumpe Versuchsaufbau und technische Konfiguration Python-Skript zum schnellen Auslösen der Kamera Kamerasteuerung mit Akustiksensor Projekt: Kamera via Kabelfernbedienung steuern und auslösen Schaltungsaufbau des Akustiksensors Shell-Skript für Akustiksensor Auslöser für Foto- und Filmaufnahmen steuern Raumüberwachung mit Bewegungsmelder Projekt: Raspberry Pi mit dem PIR-Modul koppeln Shell-Skript für den PIR-Bewegungsmelder PIR-Skript als Daemon laufen lassen Startskript in Runlevel-Verzeichnisse verlinken Wiring-Pi-API und Python Briefkastenüberwachung Projekt: GPIO einstellen und Reed-Schalter initialisieren Reed-Schalter am Briefkasten montieren Telefondraht für die Anschlussverkabelung Reed-Schalter und Schaltung Shell-Skript für Schalter- und Bewegungsmodul Raspberry-Pi-Kamera als Videokamera Projekt: Der Paparazzo im Vogelhaus USB-Webcam per Konsolenbefehl prüfen...178

10 10 Inhaltsverzeichnis Piri-Skript aufbohren und anpassen Akkupack für die Stromversorung Vogelhausmontage ganz einfach Gesichtserkennung und Gesichtswiedererkennung Projekt: Gesichtserkennung mit OpenCV Tools für das Kompilieren der Projektdateien Von raspistill zu camcv: Quellcode kompilieren OpenCV und Raspberry-Pi-Kamera verbinden Gesichtserkennung und OpenCV koppeln OpenCV und Raspberry-Pi-Kamera in der Praxis Videofunktionen über OpenCV nutzen Projekt: Fotoanalyse und Personenzuordnung Neues Projektverzeichnis anlegen Angaben für die Gesichtserkennung hinzufügen OpenCV-Trainingslager mit dem Raspberry Pi Gesichter gefundener Personen zuordnen Stapelverarbeitung der Bilder mit IrfanView Bearbeitete Bilder auf den Raspberry Pi laden Bild- und Ausschnitterkennung vorbereiten A Anhang A.A Elektronik für Raspberry-Pi-Einsteiger Zusammenspiel von Spannung, Strom und Widerstand Grundlegender Aufbau des Steckboards Die erste Schaltung zum Stecken Raspberry-Pi-GPIO mit dem Steckboard verbinden Schaltungsdesign mit der Fritzing-Software A.B GPIO-Grundlagen Pinbelegung der GPIO-Schnittstelle entschlüsselt Grundsätzliches zu Schaltungsdesign und Bauteilen Fehlersuche bei GPIO-Fehlern im Debug-Mode LED-Dioden über GPIO steuern A.C GPIO-Steuerung via Konsole und Python Schalten über die Konsole Skriptsprache Python auf dem Raspberry Pi Erstellen einer LED-Steuerung mit Python Funktionen in die Wiring-Pi-API auslagern Durchblicken in der Wiring-Pi-Bibliothek GPIO über die Wiring Pi steuern Stichwortverzeichnis

11 Raspberry-Pi-Kamera im Einsatz Das Herzstück für die Steuerung des externen Fotoapparats bzw. die Einbindung von Schaltern, Sensoren und Aktoren ist die sogenannte GPIO-Schnittstelle (General Purpose Input/Output). So bringen Sie nicht nur innerhalb kurzer Zeit die eine oder andere LED zum Leuchten, sondern realisieren auch ganze Automatismen in Form einer Schaltung und einer Fernbedienung mit dem Raspberry Pi. Bild 1.1: Auf den ersten Blick etwas unscheinbar, aber die GPIO-Schnittstelle auf dem Raspberry Pi bietet großen Nutzen und Handlungsspielraum. Sie haben die Wahl zwischen zwei Lösungen: Entweder bevorzugen Sie die»marke Eigenbau«, oder Sie setzen auf die durchaus hilfreiche Unterstützung in Form von zusätzlich zu erwerbenden Steckboards wie dem PiFace-Board (ca. 34 Euro inkl. Versand) oder dem umfangreich bestückten Erweiterungsboard Gertboard (ca. 42 Euro inkl. Versand), das nach seinem Schöpfer Gert van Loo benannt ist. Diese Platine ist

12 12 1 Raspberry-Pi-Kamera im Einsatz über den britischen Elektronikdistributor Farnell element14 ( jetzt auch komplett erhältlich. Damit lassen sich Motoren und Roboter steuern sowie verschiedene andere Dinge tun, wie Türen öffnen, Geräte oder Licht ein- und ausschalten und vieles mehr. Egal, ob Sie selbst eine Schaltung entwickeln wollen oder eine Hilfsplatine wie das PiFace oder das Gertboard nutzen möchten, das A und O ist der Zugriff per Software auf die Schnittstelle bzw. die Funktionen der einzelnen GPIO-Pins. Hier stehen Ihnen zahlreiche Möglichkeiten zur Verfügung, die in den nachfolgenden Kapiteln Schritt für Schritt erklärt werden. Viel Spaß beim Experimentieren! 1.1 Kameramodul mit dem Raspberry Pi koppeln Obwohl zeitgleich mit der damaligen Veröffentlichung des Raspberry Pi mit vorgestellt, ist die Raspberry-Pi-Kamera erst seit Mai 2013 bestellbar, verbunden mit langen Wartezeiten. Liegt die HD-fähige Raspberry-Pi-Kamera endlich im Briefkasten und ist ausgepackt, kann über die Kompaktheit und das mit wenigen Gramm geringe Gewicht des Kameramoduls nur gestaunt werden: In der Größe ist die Platine in etwa mit einer SD-Karte vergleichbar, die Bauhöhe des Linsenobjektivs samt Platine entspricht mit 9 mm drei aufeinanderliegenden Euro-Münzen. Für den Anschluss an den Raspberry Pi ist an der Platine des Kameramoduls ein rund 15 cm langes Flachbandkabel angebracht, das für den CSI-Anschluss auf dem Raspberry Pi vorgesehen ist. Bild 1.2: Das im Juni 2013 ausgelieferte Raspberry-Pi-Kameramodul trägt die Revision V1.3 und ist in etwa so groß wie eine normale SD-Karte. Die technischen Werte des Kamerasensors der Raspberry-Pi-Kamera sind in etwa mit denen eines Smartphones vergleichbar, mit dem 5-Megapixel-Sensor sind zudem Videos im HD-Format 1080p oder 720p sowie im betagten VGA-Format möglich.

13 1.2 Betriebssystem und Firmware auffrischen 13 Bild 1.3: Beim Anschluss in den CSI-Pfosten zeigen die Anschlüsse des Flachbandkabels in Richtung HDMI-Anschluss auf der Raspberry-Pi-Platine. Nach dem Einstecken des Flachbandkabels installieren Sie die notwendige Software und nehmen die Kamera in Betrieb. 1.2 Betriebssystem und Firmware auffrischen Ist die Kamera mit dem Raspberry Pi verbunden, müssen das Betriebssystem und die Firmware des Raspberry Pi auf den aktuellen Stand gebracht werden, sofern das noch nicht geschehen ist. Für das weitverbreitete Raspbian nutzen Sie folgende Kommandos nicht nur, um das Betriebssystem aufzufrischen, sondern auch, um die Kamera in Betrieb zu nehmen. sudo s apt-get update apt-get upgrade -y apt-get install git-core -y wget -O /usr/bin/rpi-update chmod +x /usr/bin/rpi-update rpi-update Das Auffrischen des Betriebssystems kann abhängig von der Anzahl der bereits installierten Pakete sowie der zur Verfügung stehenden Internetbandbreite eine Weile dauern. Zu guter Letzt wird die Firmware auf den aktuellen Stand gebracht.

14 14 1 Raspberry-Pi-Kamera im Einsatz Bild 1.4: Das Herunterladen und die Installation der für das Update notwendigen Pakete dauern eine kleine Weile. Sind die installierten Pakete sowie die Firmware für den Raspberry Pi aktualisiert und die notwendigen Treiber für die Kamera installiert, prüfen Sie das nach dem Neustart per Kommando: reboot und anschließend den Versionsstand des Raspberry Pi: uname -a

15 1.3 Inbetriebnahme des Kameramoduls 15 Bild 1.5: Nach Abschluss der Installation ist ein Neustart des Raspberry Pi per Kommando sudo reboot empfehlenswert, um sämtliche benötigten Dienste zu initialisieren. Im nächsten Schritt richten Sie die Kamera mit dem bewährten Konfigurationswerkzeug raspi-config ein. 1.3 Inbetriebnahme des Kameramoduls Erst mit dem Einspielen des Raspbian-Updates steht auch im Konfigurationswerkzeug raspi-config ein neuer Menüpunkt Enable Camera zum Einschalten einer angeschlossenen Kamera zur Verfügung.

16 16 1 Raspberry-Pi-Kamera im Einsatz Bild 1.6: Nach dem Neustart des Raspberry Pi starten Sie per Kommandozeile das Konfigurationswerkzeug raspi-config. Navigieren Sie mit den Pfeiltasten zum Punkt Enable Camera und drücken Sie die [Enter]-Taste. Anschließend erscheint ein Dialog, in dem Sie die Auswahl per Enable nochmals bestätigen. Analog gehen Sie vor, wenn Sie die Kamera später wieder abschalten wollen in diesem Fall wählen Sie dann aber den Eintrag Disable aus. Im nächsten Schritt legen Sie im Menü bei Advanced Options und dem Untermenü Memory Split fest, wie viel Grafikspeicher für die GPU zur Verfügung stehen soll. Hier lautet die Empfehlung, je nach Raspberry Pi die Hälfte des vorhandenen Arbeitsspeichers für die GPU zu nutzen. In diesem Beispiel im Einsatz ist ein mit 256 MB ausgestatteter Raspberry Pi, Modell A bekommt die GPU demnach mit dem Wert 128 entsprechend viel RAM-Speicher zugeordnet. Bild 1.7: Nach der Zuordnung der Speichermenge von 128 MB für die GPU navigieren Sie per [Tab]-Taste zur Ok- Schaltfläche und schließen den Vorgang ab. Das Einrichten der Kamera ist damit abgeschlossen. raspi-config möchte nun einen Neustart initiieren, damit beispielsweise die Speicherzuordnung für die GPU aktiv wird.

17 1.4 Fotografieren über Kommandozeilenbefehl 17 Bestätigen Sie den Neustart per OK-Auswahlmenü. Nach dem Neustart kann die Kamera umgehend genutzt werden. 1.4 Fotografieren über Kommandozeilenbefehl Nach dem Neustart des Raspberry Pi stehen, neben der Kamera, auch über das Betriebssystem Raspbian neue Tools in der Kommandozeile zur Verfügung, die zusätzliche Tools wie fswebcam überflüssig machen sollen. Sie können raspistill zur Aufnahme einzelner Fotoaufnahmen nutzen, während das Werkzeug raspivid für die Aufnahme von Videos vorgesehen ist. Bild 1.8: Mit der simplen Eingabe von raspistill lassen Sie sich den Hilfedialog ausgeben, mit dem Kommando raspistill -o aufnahme.jpg erzeugen Sie die erste Aufnahme mit der Kamera und speichern sie im aktuellen Verzeichnis in der Datei aufnahme.jpg. In Sachen Dateiausgabe unterstützt raspistill die gängigsten Formate wie JPG, BMP, GIF und PNG, das Tool raspivid nimmt in H.264-Codierung auf. Zusätzlich können mit raspistill in der Kommandozeile Parameter wie Belichtungsmodi,

18 18 1 Raspberry-Pi-Kamera im Einsatz Farbeffekte und Kontrasteinstellungen verändert werden. Das Tool bietet umfangreiche Möglichkeiten, beim Fotografieren und Verarbeiten der Aufnahmen diverse Parameter zu setzen. So lässt sich beispielsweise mit der Option -t die Verzögerung in Millisekunden einstellen, falls am Raspberry Pi ein Bildschirm angeschlossen ist, um eine Vorschau des Kamerabilds anzuzeigen. raspistill -t 500 -o aufnahme.jpg Wenn die Kamera beispielsweise an einem Türspion eingesetzt wird und seitenverkehrte Aufnahmen erzeugt, können Sie die Ansicht des Bilds mit der Option -hf anpassen. raspistill -hf -o aufnahme.jpg Über die zahlreichen weiteren Optionen und Parameter des raspistill-werkzeugs informiert die Hilfeseite, die Sie mit der einfachen Eingabe von raspistill less auf der Konsole aufrufen. Mit den Pfeiltasten navigieren Sie in den Hilfeseiten, mit der [Q]-Taste (Quit) verlassen Sie die Hilfe. 1.5 LED abschalten und heimlich fotografieren Wie die meisten Kameras hat auch das Raspberry-Pi-Kameramodul eine optische Benachrichtigung in Form einer LED, die standardmäßig beim Anfertigen einer Aufnahme leuchtet. Es kann jedoch Einsatzzwecke geben, in denen diese rote LED besser abgeschaltet werden sollte, etwa in einem Vogelhaus oder beim heimlichen Fotografieren durch den Türspion bei einem Klingelsignal. Um nun die angesprochene LED auf dem Raspberry-Pi-Kameraboard abzuschalten, reicht ein zusätzlicher Eintrag in der config.txt-datei des Raspberry Pi aus: disable_camera_led=1 Um nun die config.txt zu bearbeiten, benötigen Sie neben root-berechtigungen auch einen Editor hier kommt nano zum Einsatz. Mit dem Kommando sudo nano /boot/config.txt öffnen Sie die Datei und nutzen die Pfeiltasten, um zum Dateiende zu gelangen. Dort tragen Sie nun den obigen Eintrag disable_camera_led=1 ein und drücken anschließend die bekannte Tastenkombination[Strg]+[X], um den nano-editor zu beenden. Dies bestätigen Sie mit Drücken der [Y]-Taste, gefolgt von [Enter]. Nun ist beim Anfertigen einer Aufnahme beispielsweise durch raspistill die optische Benachrichtigung ausgeschaltet. Die Änderung wird selbstverständlich erst nach einem Neustart des Raspberry Pi aktiv.

19 1.6 Programmierung der Raspberry-Pi-Kamera Programmierung der Raspberry-Pi-Kamera Wie auf dem Raspberry Pi üblich, können die mit dem Computer verbundenen Geräte und angeschlossenen Gadgets über die Kommandozeile mit den Standardwerkzeugen des Betriebssystems angesprochen und genutzt werden. Dies gilt gleichermaßen für eine am USB-Anschluss angeschlossene Webcam wie auch für eine im CSI-Anschluss angesteckte Raspberry-Pi-Kamera, die sich wie der Raspberry Pi standardmäßig ohne Gehäuse im einfachen Platinenlook zeigt und mithilfe des 15-poligen Flachbandkabels mit dem Raspberry Pi verbunden ist. Ist die Kamera ordnungsgemäß am Betriebssystem angemeldet, können Sie prinzipiell jede Skript- und Programmiersprache nutzen. Gerade für den Einsteiger empfiehlt es sich, zunächst auf Bewährtes zurückzugreifen und möglichst verfügbare Bibliotheken und APIs für die eigenen Programme und Skripte zu verwenden. So stehen für nahezu sämtliche Anwendungszwecke solche Bibliotheken und APIs zur Verfügung. Manche Perlen müssen Sie wirklich suchen, denn bei der Vielzahl an Möglichkeiten Repository-Verwaltung der Marktführer github und sourceforge, aber auch zig unterschiedliche Foren und Blogs geht manchmal der Überblick etwas verloren. Auf der sicheren Seite sind Sie, wenn Sie sich zunächst auf github und sourceforge umsehen, von dort die eine oder andere API auf den Raspberry Pi herunterladen und einfach mal ausprobieren, ob Sie mit dem, was der Entwickler für die Open-Source- Gemeinde zur Verfügung gestellt hat, überhaupt etwas anfangen können. Für die Raspberry-Pi-Kamera gibt es Module und Erweiterungen wie Sand am Meer, aber weniger ist mehr: Die meisten APIs sind redundant oder teilweise auch schlicht und ergreifend nutzlos, da mittlerweile bereits verbesserte Versionen wie raspistill und raspivid zur Verfügung stehen. Es gibt aber dennoch gerade für Entwickler Praktisches zu entdecken, das nicht nur in Sachen Codeoptimierung und Lesbarkeit, sondern auch beim Programmieraufwand als solchem wertvolle Hilfe leisten kann. Für die Raspberry-Pi- Kamera lohnt sich für den Python-Entwickler beispielsweise das picam-modul, das auf github ( zur Verfügung steht. mkdir picam cd picam wget mv master.zip picam-master.zip unzip picam-master.zip cd picam-master/ sudo python setup.py install Das Kommando python setup.py install sorgt dafür, dass das Python-Modul auf dem lokalen Computer zur Verfügung steht und bei der Entwicklung eines Python- Programms einfach per import modulname eingebunden werden kann, um die Funktionen des Moduls nutzen zu können. In diesem konkreten Fall reicht hier die Zeile import picam

20 20 1 Raspberry-Pi-Kamera im Einsatz aus, um das picam-modul in das eigene Python-Skript einzubinden. Um nun per Python-Aufruf eine Aufnahme anzufertigen, ist folgender Code ausreichend: #!/bin/python import picam pic = picam.takephoto() pic.save('/home/pi/picam/bild.jpg') Speichern Sie die Datei und führen Sie sie aus. Bild 1.9: Erscheinen Fehlermeldungen wie beispielsweise ImportError: No module named PIL, ist das in der Regel auf fehlende Pakete auf dem Raspberry Pi zurückzuführen.

21 1.6 Programmierung der Raspberry-Pi-Kamera 21 Im obigen Fall ist die Installation von PIL mit dem Kommando sudo apt-get install python-imaging-tk notwendig, um das Skript erfolgreich zu starten. Augenscheinlich ist natürlich der Aufwand bei der Erzeugung einer gewöhnlichen Aufnahme etwas höher, der Vorteil der picam-library liegt aber vor allem darin, bei automatisierten Aufnahmen die Kamera optimal nach bestimmten Parametern automatisch steuern und konfigurieren zu können, bevor der Auslösevorgang erfolgt. picam.config.imagefx = picam.mmal_param_imagefx_watercolour picam.config.exposure = picam.mmal_param_exposuremode_auto picam.config.metermode = picam.mmal_param_exposuremeteringmode_average picam.config.awbmode = picam.mmal_param_awbmode_shade picam.config.iso = 0 #auto picam.config.iso = 400 picam.config.iso = 800 picam.config.sharpness = 0 # -100 bis 100 picam.config.contrast = 0 # -100 bis 100 picam.config.brightness = 50 # 0 bis 100 picam.config.saturation = 0 # -100 bis 100 picam.config.videostabilisation = 0 # 0 or 1 (false oder true) picam.config.exposurecompensation = 0 # -10 to +10? picam.config.rotation = 90 # picam.config.hflip = 1 # 0 or 1 picam.config.vflip = 0 # 0 or 1 picam.config.shutterspeed = # 0 = auto, otherwise the shutter speed in ms So lassen sich im Python-Skript Parameter wie ISO-Werte, Schärfe, Kontrast, Helligkeit und vieles mehr einstellen binden Sie beispielsweise Sensoren und LEDs (Helligkeitssensoren, IR-LEDs etc.) mit in die Programmlogik ein, lassen sich wunderbare Automatismen schaffen.

22 Stichwortverzeichnis Symbole /dev/video 177 2N2222-Transistor 26 3-D-Drucker 57 A A Akkupacks 181 Akustiksensor 155 Schaltungsaufbau 156 Shell-Skript 157 B Betriebssystem auffrischen 13 Bewegungsmelder 161, 179 Bewegungsmelder, Shell-Skript 164 Bluetooth 23 Briefkasten 171 Briefkasten-Projekt Reed-Schalter 172 Shell-Skript 173 C C 227 camcv 186 Canon-N3-Anschluss, Pinbelegung 25 cat-kommando 221 CD-/DVD-Linse 123 cleanup 54 cmake 91 CMakeLists.txt 92 config.txt 18 CSI-Anschluss 12 D Daemon 166 debug-dateisystem 221 Drehmoment 34 DVD-Laufwerk 123 E echo 97 Einwegkamera 127 Enable Camera 15 Eneloop 181 EXIF-Funktionen nachrüsten 98 export-datei 226 F FBAS 80 fbi 97 Fernauslösekabel 156 Fernauslösekabel, Adernpaare 25 Fernauslöser modden 23 Firmware auffrischen 13 Fisheye-Objektiv 120 Flachbettscanner 31 Focus Stacking 34 Franzis 173 franziscam 70 Bildschirm modden 80 Firmware 89 GPIO-Eingänge 72 Inbetriebnahme 111 raspi-config 86 Schaltung 77 Schaltung testen 78 Widerstände verlöten 75 franziscam-step5.sh 109 franziscam-v1.sh 89 Freilaufdioden 34 Fritzing 215 fswebcam 178 G Geodaten 102 Gesichtserkennung-Projekt 183 Quellcode kompilieren 185 Tools 184

23 238 Stichwortverzeichnis getfilenamefromindex 97 git 91 github 19 gpio readall 164 GPIO18 30 GPIO-Bibliothek 228 GPIO-Pin, aktiv 47 GPIO-Pinsteckleiste 69 GPIO-Schnittstelle 11, 214, 222 Pinbelegung 218 Zugriff 218 GPIO-Steckerleiste, Bestückung 77 GPIO-Steuerung Konsole 225 Python 225 GPSD-Daemon 100 GPS-Funktionen nachrüsten 98 GPU 16 H H , 106 Halbschrittbetrieb 48 Halbschrittverfahren 48 HDMI 106 Highspeed-Fotografie 143, 160 I IC ULN IC ULN2803A 55 imagemagick 138, 139 IR-Infrarotfilter 121 J jhead 141 K Kabelbinder 147 Kabelfernauslöser 23 Kabelfernbedienung 24 Kameramodul 69 Kameraschlitten 31 Eigenbau 55 Funktionsprüfung 58 Gewindestange 58 Stepper-Motor 57 Verschraubung 56 Werkstücke 56 Zubehör 56 Kamerasensor 12 Klinkenstecker 24 Kohleschichtwiderstand 26 Kommandozeile 17 L L293D 41 LED 133 LED abschalten 18 LED-Bildschirm 80 LED-Dioden steuern 222 Linsen 123 Lötbomben 76 M M Manfrotto-Kugelkopf 39 mencoder 141 mogrify 140 Motor bipolar 32 unipolar 32 Motorcontroller 41, 144 Motorenspule 38 mp4 106 MP4Box 106 Multimeter 38 N nano-editor 231 NFS 181 NPN-Transistor 26 O Objektive 119 Objektivideen 119 OEM-Fernauslöser 24 OMXPlayer 105 P Pi NoIR 121 PIR-Modul 161, 165

24 Stichwortverzeichnis 239 PIR-Skript 165 Platine löten 28 Pololu 37, 59 Pololu A Pull-up-Widerstand 72 Python 227 Python, LED-Steuerung 229 Python-Bibliothek 229 R Raspberry Pi, im Vogelhaus 177 Raspberry Pi-Kamera 12 Hardcore-OP 130 Pi NoIR 121 Programmierung 19 Raspberry Pi-Kameralinse 130 raspi-config 15, 86 raspistill 17, 19, 87 raspistill, anpassen 90 raspivid 17, 19, 105 recordvideo 107 Repository-Verwaltung 19 richtung 68 root-zugriff 221 Rotor 31 S Samba 181 Scanner 31 Scanner ausschlachten 35 Scannerschlitten 34 Schaltung stecken 212 Schaltungsdesign 219 Schrittmotor 43, 62 Schrittmotorcontroller 42 Schrittwinkel 61 setnew_zaehler 134 setup.py 228 showimage 97, 108 Skript fotocheck.sh 30 franziscam 94 franziscam-step1.sh 90 franziscam-step2.sh 90 franziscam-step3.sh 90 franziscam-step5.sh 90 franziscam-step5.sh 109 gpiostart.sh 227 motorledcam.py 63 noise-step1.sh 157 piri 166 piri.sh 164 piriblink.sh 174 piriblinkcam.sh 179 raspistill 94 raspitimelapse.sh 134, 137 uln_full_half.py 49 uln_linksrechts.py 53 watermotor.py 149 Skriptsprache 227 Smartphone-Objektive 120 sourceforge 19 Spannung 210 Spannungsversorgung 59 Spulenwiderstand 42 Stator 31 Steckboard 209 Steckpfosten 220 Stepper-Motor 31, 37, 57 bipolar 40 Motorsteuerung 41 Schrittweite 61 Spannungsversorgung 34 Stromversorgung 37 Strom 211 T takesnapshot 134 tgz-paket 233 Transistor 26 Türspion 18, 119, 123, 129 U uln_clean_motor_gpio.py 47 uln_full_half.py 49 uln_linksrechts.py 53 ULN ULN2803A, Ausgänge 224 uname 14 update 232

25 240 Stichwortverzeichnis upgrade 232 USB-Webcam 178 V Versionsstand 14 vi-editor 231 Vogelhaus-Projekt 177 Vollschrittverfahren 47 W Wasserpumpe 144 Wasserspeicher 146 Wassertropfen 143 Python-Skript 149 Schaltungsaufbau 145 Versuchsaufbau 146 Wasserpumpe 144 Weitwinkelaufsatz 129 wget 232 Widerstand 211 Widerstände verlöten 75 Wiring Pi-API 30, 163, 232 Wiring Pi-API, auslagern 232 Wiring Pi-API, Python 169 Wiring Pi-Bibliothek 233 Z Zeitrafferaufnahmen 133 Zeitraffersteuerung, Shell-Skript 133 Zeitraffervideo 141

26 E. F. ENGELHARDT FOTO UND VIDEO MIT RASPBERRY PI Haben Sie schon darüber nachgedacht, Ihre Digitalkamera fernzusteuern? Oder wollten Sie nicht auch schon mal Fotos wie die Profis machen, aber nicht ein Vermögen für das Equipment ausgeben? Highspeed- Fotografie oder Focus Stacking sind faszinierende Techniken, nur wie bekommt man diese als Nicht-Profi hin? Der erste Weg zur Fernsteuerung einer Digitalkamera ist das Fernauslösen: Das macht sich der Autor zunutze und dockt mit dem Raspberry Pi an diese Schnittstelle an. Dann können Sie Ihre Kamera per Kommandozeile steuern und haben damit den Grundstein für spannende Fotoprojekte gelegt, z. B. für einen Kameraschlitten. Hierfür können Sie einen alten Scanner umrüsten und die Kamera darauf befestigen. Das notwendige Wissen für die Ansteuerung der Motoren liefert Ihnen der Autor in einer praxisnahen Beschreibung. Ob Focus Stacking, Zeitrafferaufnahmen oder auch Highspeed- Fotos: Alles wird Realität, mit fertiger Digitalkamera oder dem Raspberry Pi Camera Module dem ersten offiziellen Zubehör von der Raspberry Pi Foundation. Da sich Engelhardt nicht mit fertigen Dingen zufrieden gibt, hat er eine komplette Digitalkamera entwickelt. Vom Schaltplan bis zur Firmware. Jeder Schritt ist detailliert beschrieben und die Kamera existiert wirklich. Das optimale Wochenendprojekt! Das Camera Module lässt sich noch für viel mehr einsetzen. Auch in Haus und Garten: Gesichtserkennung für die Haustür, Video im Vogelhaus oder auch als Raumüberwachung. Lassen Sie Ihrer Kreativität freien Lauf und steigen Sie mit Ihrem Raspberry Pi in die Welt der spannenden Foto- und Videoprojekte ein. Der komplette Quellcode aus dem Buch auf 30, EUR [D] / 30,90 EUR [A] ISBN Aus dem Inhalt: Fotografieren über die Kommandozeile Flachbettscanner zum Kameraschlitten umbauen Schrittmotoren ansteuern Kameraschlitten komplett selbst bauen Eigene Digitalkamera entwerfen Rückfahrkamera als Display Firmware für Digitalkamera Gehäuse für Digitalkamera DVD-Laserlinse als Makrolinse Einwegkamera als Mehrwegobjektiv Türspion als Weitwinkelobjektiv Infrarotfilter entfernen Zeitrafferaufnahmen Fallende Wassertropfen einfrieren Kamerasteuerung mit Akustiksensor Bewegungsmelder Briefkastenüberwachung Videoaufnahmen Gesichtserkennung mit OpenCV Fotoanalyse und Personenzuordnung Über den Autor: E. F. Engelhardt, Jahrgang 1975, hat bereits über 40 Computerbücher veröffentlicht und keines dieser Bücher ist wie andere Computerbücher: Der Autor beginnt direkt mit der Praxis, ohne langatmige, weitschweifende und überflüssige Technikerläuterungen. E. F. Engelhardt ist Autor des Bestsellers Hausautomation mit Raspberry Pi. Hier hat er eindrucksvoll seine große Erfahrung mit dem Raspberry Pi gezeigt. Selbst nach zwei Raspberry- Pi-Büchern hat der Autor nicht genug. Da kam ihm das Raspberry Pi Camera Module gerade recht. Er hat sich damit sein eigenes Fotostudio gebaut und dem Minicomputer Augen verliehen. Wie schon in den letzten beiden Büchern hat Engelhardt die Projekte alle selbst entwickelt. Sie haben als Leser damit die Sicherheit, dass alles funktioniert. Besuchen Sie unsere Website