Модулі камер Raspberry Pi

У статті наведена коротка інформація про модулі камер Raspberry Pi, сумісних з модулями Raspberry Pi з інтерфейсом CSI. Розглянуті основні характеристики камер 5, 8 та 12 мегапікселів та високоякісних HQ- та GS-камер, наведені характеристики чутливості деяких камер та рекомендації по програмуванню.

В. Макаренко

Компанія Raspberry Pi Foundation окрім модулів Raspberry Pi випускає модулі відеокамер. В даний час існує кілька офіційних модулів камери Raspberry Pi. Оригінальна 5-мегапіксельна модель була випу­щена в 2013 році, а потім 8-мегапіксельний модуль камери 2, який був випущений в 2016 році. Останнь­ою моделлю камери є 12-мегапіксельний Camera Module 3, який був випущений в 2023 році. Оригі­нальний 5-мегапіксельний пристрій більше не до­ступний у Raspberry Pi , хоча придбати такі модулі ще можливо.

Усі ці камери випускаються у варіантах видимого світла та інфрачервоного випромінювання, тоді як модуль камери 3 також поставляється у стандартній або ширококутній комплектації у чотирьох різних ва­ріантах.

Модулі камери Raspberry Pi сумісні з усіма комп’ютерами Raspberry Pi з роз’ємами SCSI, тобто з усіма моделями, крім Raspberry Pi 400 і версії Zero, випущеної у 2016 році.

Більшість цифрових камер (у тому числі і Rasp­berry Pi модулі) використовують рухливий затвор: вони сканують отримане зображення рядково, а по­тім виводять результати. Це може спричинити ефект спотворення при зйомках об’єктів що переміщують­ся з високою швидкістю (наприклад, при зйомці ло- патів гвинта зображення мерехтить, а не виглядає як обертовий об’єкт).

Глобальний затвор, подібний до того, що вста­новлений у модулі Global Shutter Camera, фіксує світло від кожного пікселя в кадрі одночасно . Це дає можливість легко знімати об’єкти що швидко ру­хаються, такі як лопаті повітряного гвинта. Також до­ступна можливість синхронізувати кілька камер, щоб зробити знімок в один і той же момент часу. У такого підходу є велика кількість переваг, наприклад, мінімізація спотворень при зйомці стереозоб­ражень. Людський мозок приходить в замішання, якщо який-небудь рух, що з’явилося в лівому оці, ще не з’явилося в правому. Камера Raspberry Pi з гло­бальним затвором також може працювати з більш коротким часом експозиції – до 30 мкс при до­статньому освітленні. Це набагато менший інтервал в порівнянні з камерою з рухомим затвором, що ро­бить її корисною для високошвидкісної зйомки.

Сенсор зображення камери Global Shutter Cam­era має активну чутливу область діагоналлю 6.3 мм, яка за розміром аналогічна HQ (High Quality) камері Raspberry Pi. Однак пікселі матриці цієї камери мають більші розміри і вони забезпечують більш ви­соку чутливість. Великий розмір і мала кількість пік­селів цінні в додатках машинного зору – чим більше пікселів має сенсор, тим складніше обробляти зоб­раження в режимі реального часу. Щоб обійти цю проблему, багато програм обрізають зображення. У камері з глобальним затвором і відповідним збіль­шенням об’єктива в цьому немає необхідності, ос­кільки низька роздільна здатність і великий розмір пікселя дозволяють отримати зображення в звичай­ному режимі.

Основні характеристики камер наведені в табл. 1.

Таблиця 1. Основні характеристики камер Raspberry Pi

Порядок підключення і налаштування камер на­ведено в . “Посібник з алгоритму та налаштуван­ня камери Raspberry Pi” призначений для користу­вачів Комп’ютера Raspberry Pi з камерою (датчиком зображення), підключеною через порт камери Rasp­berry Pi CSI (Camera Serial Interface), наприклад, од­нією з наступних:

• камера v1 на базі OmnivisionOV5647
• камера v2 на базі Sonyimx219
• камера HQна базі Sonyimx477
• модуль камери 3 на базі Sonyimx708
• камера з глобальним затвором на базі Sonyimx296
• також є ряд сумісних модулів камери від сто­ронніх виробників (наприклад IMX219 8MP ).

На рис. 1 наведено підключення плати камери через порт CSI.

Рис. 1. Підключення плати камери через порт CSI-2

Програмним забезпеченням, що керує систе­мою камер, є libcamera. Досвід показує, що управ­ляти складними системами камер безпосередньо за допомогою драйверів ядра (як правило, V4L2) дуже складно, що часто призводить до появи вели­кої кількості небажаного і сильно залежного від платформи прикладного коду. З цієї причини з’явив­ся користувальницький стек libcamera набагато більш високого рівня, що забезпечує механізми ін­теграції датчиків зображення та процесорів обробки сигналів зображення (ISP).

У описано саме таку інтеграцію, показуючи, як можна написати драйвери для створення компонен­тів системи. наведено короткий огляд системи в цілому, що містить інформацію про те, що вже перед­бачено в системі і що необхідно додати в плані драй­верів датчиків зображення і алгоритмів управління інтернет-провайдером для отримання зображень. Детально розглянуто алгоритм управління. Raspber­ry Pi, що забезпечує платформу алгоритмів управ­ління. Описано також інструмент налаштування ка­мери, який автоматизує більшу частину процесу на­лаштування алгоритмів управління ISP для різних датчиків зображення.

Для отримання додаткової інформації, крім , можна відвідати форум Raspberry Pi Camera Board за адресою https://www.raspberrypi.org/forums.

Система візуалізації Raspberry Pi працює з lib- camera, концентруючись, зокрема, на процесах ка­лібрування і налаштування інтернет-провайдера для ефективної роботи з різними датчиками зображен­ня. Більш того, інтеграція з libcamera дозволяє уник­нути використання будь-яких фірмових алгоритмів управління, що поставляються виробниками мікро­схем. Швидше, Raspberry Pi надає свої власні алго­ритми управління, що працюють безпосередньо на ARM-ядрах чіпа, у вигляді відкритого вихідного коду, який може бути легко перевірений і змінено кори­стувачами. Для отримання додаткової інформації про роботу з libcamera треба скористатись джере­лом .

На рис. 2-4 наведені деякі характеристики чутли- востідоступні для модуля камери 3 та камер HQ та GS .

Рис. 2. HQ-камера без ІЧ-фільтра

Рис. 3. Raspberry Pi Global Shutter-камера без ІЧ-фільтра

Рис. 4. Крива пропускання ІЧ-фільтра для HQ-камер та камер GS

Література

1. About the Camera Modules / https://www.raspberrypi.com/documentation/accessories/camera.html
2. The official Raspberry Pi camera guide / https://raspberrypi.ru/files/camera_guide.pdf
3. Raspberry Pi Camera Algorithm and Tuning Guide / https://datasheets.raspberrypi.com/camera/raspberry-pi-camera-guide.pdf
4. Raspberry Pi Camera Module / https://www.arducam.com/downloads/modules/RaspberryPi_camera/RaspberryPi_IMX219_8MP_Camera_Module_DS.pdf
5. Getting Started / https://libcamera.org/get- ting-started.html
6. Розширена спектральна чутливість камери

• Raspberry Pi / https://datasheets.raspberrypi.com/camera/camera-extended-spectral-sensitivity.pdf?_gl=1*q2g8rx*_ga*MTY3MDgzMjk5Ny4 xNzIzNjA3NTgw*_ga_22FD70LWDS*MTcyNDY3MjM2 My4xNi4xLjE3MjQ2NzIzNjYuMC4wLjA