16、汽车倒车影像系统搭建指南

汽车倒车影像系统搭建指南

1. 核心数据获取路由

首先，我们有一个核心数据获取的路由，其代码如下：

@data_blueprint.route("/")
def show():
    app.logger.info("Starting to retrieve core data")
    temperature = Sensors.get_external_temp()
    boot_status = Sensors.get_boot_status()
    light_status = Sensors.get_light_status()
    reverse_light = Sensors.get_reverse_status()
    fog_light = Sensors.get_fog_light_status()
    result = {
        "temperature": temperature,
        "boot": boot_status,
        "light": light_status,
        "reverse": reverse_light,
        "fog": fog_light,
    }
    app.logger.info("Finished retrieving core data")
    app.logger.debug(f"Core data: {result}")
    return jsonify(result)

此路由的作用是获取汽车的一些核心数据，如外部温度、启动状态、灯光状态等，并将这些数据以 JSON 格式返回。当代码提交并部署后，我们可以从计算机打开树莓派的应用页面，观察传感器数据。还能通过按按钮模拟汽车灯光，观察数值的变化。

2. 倒车摄像头项目概述

本项目旨在将树莓派相机配置为倒车摄像头，并将视频流传输到应用程序中。通过这个项目，我们将学习如何连接相机、配置相机设置以获得最佳图像质量。后续还会结合其他倒车传感器，构建一个完整的倒车模块，当汽车挂入倒车档时自动启动。

2.1 所需设备

为了完成这个项目，我们需要购买官方的树莓派 V2 相机模块，它由树莓派基金会开发和制造，于 2016 年 4 月推出，价格约为 25 美元，可在亚马逊或其他销售树莓派的商店购买。虽然也有类似的克隆版和早期的 V1 版本，但使用 V2 模型能减少问题。

2.2 相机连接步骤

连接相机时，务必先关闭并断开树莓派的电源供应。具体连接步骤如下：
1. 树莓派相机通过带状电缆和相机串行接口（CSI 端口）连接到树莓派，该电缆已随相机附带。
2. 除了让树莓派与相机通信，电缆还为相机供电。若之前使用的电源供应不足，相机增加的电流消耗可能需要合适的电源，项目概述中指定的 3A 电源对树莓派和相机都足够。
3. 除了树莓派 Zero，每个树莓派都有相机连接端口。这个专有连接制造成本低，但不太耐用，不过也无需过于担心，正常使用即可。
4. 先关闭树莓派电源并移除电源供应，相机模块的带状电缆已连接好，只需将另一端连接到树莓派。找到位于 LAN 端口后面的相机模块端口，这是一个狭窄的 1 英寸长的连接器。
5. 轻轻拉起连接器的塑料盖约 1/8 英寸，它不会完全分离。
6. 轻轻插入带状电缆，使暴露的“引脚”背向树莓派的 I/O 部分，朝向 HDMI 和电源连接方向，不要强行插入。若遇到困难，检查电缆方向是否正确以及插入是否方正。
7. 插入 1/8 英寸后，轻轻按下塑料盖，夹紧电缆。目视检查电缆并轻轻拉扯，确保其安装正确。
8. 准备好后，接通电源并启动树莓派。

其流程可以用以下 mermaid 流程图表示：

graph TD;
    A[关闭树莓派电源并移除电源供应] --> B[找到相机模块端口];
    B --> C[拉起塑料盖];
    C --> D[插入带状电缆];
    D --> E[按下塑料盖];
    E --> F[检查电缆安装情况];
    F --> G[接通电源并启动树莓派];

3. 树莓派相机首次配置

连接到树莓派后，我们需要告诉树莓派相机已连接，可使用 raspi-config 实用工具进行配置，具体步骤如下：
1. 通过 SSH 连接到树莓派，运行命令 sudo raspi-config 。
2. 使用箭头和回车键在工具中导航，向下滚动并选择“Interfacing Options”。
3. 在“Interfacing Options”菜单中选择“P1 Camera”，当询问是否启用树莓派相机时选择“yes”。
4. 当树莓派确认相机已启用后选择“OK”。
5. 使用右箭头键选择“finish”，当树莓派询问是否重启时选择“yes”。

重启后，我们可以测试相机。使用 raspistill 实用工具保存一张测试照片到树莓派桌面，命令如下：

raspistill -o Desktop/test_photo.jpg

我们可以使用 cat 命令检查照片文件的内容：

cat Desktop/test_photo.jpg

由于这是一张照片，内容不可读。要实际查看照片，可使用 SCP 命令通过 SSH 将照片从树莓派复制到计算机：

scp pi@192.168.1.210:Desktop/test_photo.jpg /Users/coburn/Desktop/

这里的 IP 地址需根据实际情况修改，本地路径也可根据自己的需求设置。打开照片查看，只要能看到内容即可，后续会改善图像质量。若无法复制文件，需检查 SCP 命令、文件是否存在以及保存照片时是否有问题，必要时检查接线。

4. 相机实时流配置

为了处理相机视频流，我们将使用 Motion 库。它是一个用于树莓派相机的 Debian 包，主要用于运动检测和视频录制，同时也有出色的流媒体功能，通过配置文件进行配置，还能作为守护进程运行，使树莓派在启动时自动配置流。具体配置步骤如下：

4.1 安装 Motion

sudo apt-get update
sudo apt-get install motion

4.2 配置 Motion 守护进程

编辑 motion 文件：

sudo nano /etc/default/motion

将 start_motion_daemon 选项改为 yes ，使文件内容如下：

# Set to 'yes' to enable the motion daemon
start_motion_daemon=yes

保存并退出文件，修改文件权限使其对所有用户可执行，然后重启树莓派：

sudo chmod 777 /etc/default/motion
sudo reboot

4.3 检查 Motion 状态

树莓派重启后，Motion 会自动启动并开始流式传输。使用以下命令检查状态：

sudo service motion status

也可以使用以下命令停止、启动或重启 Motion 服务：

sudo service motion start
sudo service motion stop
sudo service motion restart

4.4 查看 Motion 日志

虽然可以通过日志查看 Motion 的运行情况，但日志不能替代相机视频流。查看日志的命令如下：

cat /var/log/motion/motion.log

4.5 进一步配置 Motion

编辑 motion.conf 文件以进一步配置 Motion：

sudo nano /etc/motion/motion.conf

需要修改的核心配置选项如下表所示：
| Option | Value | Description | Full config line |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| width | 800 | 视频的像素宽度 | width 800 |
| height | 480 | 视频的像素高度 | height 480 |
| framerate | 30 | 每秒流式传输的帧数（单个图像） | framerate 30 |
| stream_quality | 100 | 视频流的百分比质量 | stream_quality 100 |
| stream_localhost | off | 限制视频流仅在树莓派上，或允许通过网络访问 | stream_localhost off |
| ffmpeg_output_movies | off | 除了流式传输外，将视频录制到树莓派的存储卡 | ffmpeg_output_movies off |
| stream_maxrate | 30 | 流式传输的最大帧率 | stream_maxrate 30 |
| rotate | 180 | 以度为单位旋转视频流，仅能以 90 度为增量 | rotate 180 |

配置完成后，保存并退出配置文件，重启 Motion 服务：

sudo service motion restart

然后在浏览器中打开树莓派的地址，使用 Motion 的默认流端口 8081：

http://pi-car:8081/

验证是否能看到相机的视频流，移动并观察视频的变化，注意视频右下角的时间戳。随着项目的推进，可能需要重新调整这些配置设置。

5. 树莓派相机焦点调整

树莓派相机 V2 的镜头焦点是手动可调的，没有自动对焦功能。如果视频画面模糊，且输出尺寸没有设置得过大（过大尺寸会降低画质），就可能需要调整镜头焦点。

所有相机都有一个焦平面（PoF），这是一条假想的线，用于定义在给定时刻哪些物体是清晰的，哪些是模糊的。调整镜头焦点就是前后移动这个焦平面。在给定距离上与镜头平行的所有物体都是清晰的，而离镜头越近或越远的物体则会越来越模糊。例如，距离相机 1 米的物体可能是清晰的，而靠近镜头的物体则可能是模糊的。因此，我们无法让相机看到的所有物体都清晰，这需要在相机安装到汽车上后进行调整。

调整树莓派相机焦点的步骤如下：
1. 找到树莓派相机模块正面的传感器和镜头组件。模块中间的小黑色方块内装有镜头，镜头有一个六边形的外壳，称为镜头筒。
2. 使用小钳子夹住镜头的外壳，如图所示。
3. 使用小螺丝刀轻推镜头筒，利用筒上的凹槽固定工具。操作时要非常小心，不要施加过大的压力，以免损坏镜头或导致整个镜头组件从模块上脱落。可以像对待眼镜或戴隐形眼镜一样小心操作。

6. 相机 Flask 代码实现

接下来，我们要创建一个新的 Flask 路由来提供相机图像。后续会扩展这个路由，使其结合倒车传感器的功能，但目前它只是简单地提供相机视频流。

6.1 创建所需文件

touch Pi_Car/reverse.py
mkdir Pi_Car/templates
touch Pi_Car/templates/reverse.html

reverse.py 文件是倒车屏幕的新路由， reverse.html 模板文件用于渲染视频流，它存放在 templates 文件夹中，这是 Flask 存储标记文件的标准方式。

6.2 编写 reverse.py 代码

from flask import Blueprint, render_template
from flask import current_app as app

reverse_blueprint = Blueprint("reverse", __name__)

@reverse_blueprint.route("/reverse/")
def reverse():
    app.logger.info("Starting to load reverse route")
    stream_port = app.config.get("STREAM_PORT", 8081)
    host = "pi-car"
    stream_url = f"http://{host}:{stream_port}"
    app.logger.debug(f"Camera streaming url: {stream_url}")
    app.logger.info("Finished loading reverse route")
    return render_template(template_name_or_list="reverse.html", base_url=stream_url)

这是一个新的蓝图文件，定义了一个新的路由 /reverse/ ，并处理连接到视频流的逻辑。代码中包含了大量的日志记录，这是整个项目的标准做法。使用 Flask 的 render_template 函数将 reverse.html 模板的内容渲染到浏览器中。注意，不需要指定 templates 文件夹，因为 Flask 会自动在该文件夹中查找模板。通过这种方式，可以将 HTML 和标记特定的逻辑放在模板中，方便代码复用。

6.3 编写 reverse.html 模板代码

<img src="{{ base_url }}">

这不是一个完整的 HTML 文件，但在后续的整理章节中会详细介绍。这个标签告诉浏览器渲染一个图像，指向在 reverse.py 文件中构建的实时流 URL。 {{ base_url }} 是 Flask 中包含的 Jinja 模板语言，用于渲染后端逻辑中指定的值，例如 http://pi-car:8081 。

6.4 在 app.py 中注册蓝图

from .reverse import reverse_blueprint

# 在 app.py 中注册蓝图
app.register_blueprint(reverse_blueprint)

# 完整的 app.py 文件示例
import logging
from flask import Flask
from logging.handlers import RotatingFileHandler
from .data import data_blueprint
from .reverse import reverse_blueprint

def create_app(config_file="config/local_config.py"):
    app = Flask(__name__)  # Initialize app
    app.config.from_pyfile(config_file, silent=False)  # Read in config from file
    if app.config.get("FILE_LOGGING"):
        # Configure file-based log handler
        log_file_handler = RotatingFileHandler(
            filename=app.config.get("LOG_FILE_NAME", "config/pi-car.log"),
            maxBytes=10000000,
            backupCount=4,
        )
        log_file_handler.setFormatter(
            logging.Formatter("[%(asctime)s] %(levelname)s in %(module)s: %(message)s")
        )
        app.logger.addHandler(log_file_handler)
    app.logger.setLevel(app.config.get("LOGGER_LEVEL", "ERROR"))
    app.logger.info("----- STARTING APP ------")
    app.register_blueprint(data_blueprint)
    app.register_blueprint(reverse_blueprint)
    app.logger.info("----- FINISHED STARTING APP -----")
    return app

6.5 测试 Flask 应用

在计算机上启动 Flask 应用，访问新的 URL 路由 http://127.0.0.1:5000/reverse/ 。只要树莓派开启且 Motion 服务正在流式传输视频，就可以看到实时视频。提交更改并在树莓派上进行构建，访问树莓派的 URL http://pi-car:5000/reverse/ 验证路由是否正常工作。

整个项目的流程可以用以下 mermaid 流程图表示：

graph LR;
    A[核心数据获取路由] --> B[倒车摄像头项目准备];
    B --> C[树莓派相机连接];
    C --> D[相机首次配置];
    D --> E[相机实时流配置];
    E --> F[相机焦点调整];
    F --> G[相机 Flask 代码实现];
    G --> H[测试 Flask 应用];

通过以上步骤，我们就完成了一个基于树莓派的倒车摄像头系统的搭建，实现了从相机连接、配置到视频流传输和展示的整个过程。在实际应用中，还可以根据需要进一步扩展功能，如结合倒车传感器实现更智能的倒车辅助系统。