Електронні компоненти і системи 
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
- About the Camera Modules / https://www.raspberrypi.com/documentation/accessories/camera.html
- The official Raspberry Pi camera guide / https://raspberrypi.ru/files/camera_guide.pdf
- Raspberry Pi Camera Algorithm and Tuning Guide / https://datasheets.raspberrypi.com/camera/raspberry-pi-camera-guide.pdf
- Raspberry Pi Camera Module / https://www.arducam.com/downloads/modules/RaspberryPi_camera/RaspberryPi_IMX219_8MP_Camera_Module_DS.pdf
- Getting Started / https://libcamera.org/get- ting-started.html
- 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
