用Raspberry Pi雙筒望遠鏡相機拍照吧!

一月 15, 2018
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準備一臺Raspberry Pi 2和一組Pi相機模組,再加上一面Adafruit觸控LCD螢幕,就可以把一副雙筒望遠鏡(或是單筒、顯微鏡)改造成可以遠距取景、拍照的相機。
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超·工程版本。

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防呆快速版本。

這個方法比起直接去買市售產品,還要來得耗時、昂貴,又笨重。但如果你真的只想買現成產品,現在就不會來看《MAKE》文章了。
 
我們設計了兩種版本。第一種是超·工程版本,包含了雷射切割機、電腦、Inkscape向量圖編輯軟體、薄膠合板、螺帽和螺栓,還有一堆需要花很多時間打造但又沒什麼意義的功能。不過,今天我們要作的是防呆快速版本,只需少許的泡棉、絕緣膠帶、尺、鉛筆,和一把美工刀,而且大概只需要不到一個半小時來完成。

  • 時間:1~3小時
  • 難度:中等
  • 成本:75~125美元

材料

  • Raspberry Pi 2(附電源供應器)
  • Raspberry 相機模組和排線(原廠的排線是150毫米╱6英寸,有點緊,你可能需要另外買長一點的)
  • MicroSD卡和轉接卡
  • PiTFT 2.8英寸電容式觸控螢幕(Adafruit商品編號#1983)
  • 外接式USB無線網卡或乙太網路線
  • 微型輕觸開關(Adafruit商品編號#1489)
  • 雙筒望遠鏡
  • 泡棉(厚度6毫米,長寬要比望遠鏡的目鏡還大,作為相機模組架)
  • 橡皮筋(小條的或是大一點)(2)
  • 電氣膠帶
  • Guide 10 Plus 電池可拆式行動電源(Goal Zero商品編號#21005)
  • USB-A公頭轉USB-micro公頭轉接線(約91公分╱36英寸)
工具

  • 剪刀
  • X-Acto筆刀或是美工刀
  • 鉛筆

步驟1:映像檔下載和安裝

Adafruit團隊為避免旗下的2.8英寸觸控式螢幕產生相容性問題,準備了特定版本的Raspbian作業系統,你可以到這裡下載。
 
解壓縮下載完成的檔案,依照把映像檔寫入至SD卡的指示安裝作業系統。映像檔寫入完成後記得退出SD卡。

步驟2:硬體測試

將microSD記憶卡從轉接卡中取出,插入Pi背面的插槽。如果相機模組的排線沒有接在相機上,現在就把它接上。需要的話先將卡榫打開,排線藍面朝上、銀色標籤端朝向鏡頭(圖A)插入接口,再關上卡榫。
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圖A

接著要將排線的另一端接到板子。同樣地,先把卡榫打開,排線藍面朝向網路插槽、鍍銀端朝向HDMI埠,然後關上卡榫。讓鏡頭朝外,排線越過網路插槽懸著(圖B)。
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圖B

再來是把液晶螢幕裝到Pi上,可能會有點鬆動所以要小心。將主機板上的GPIO腳位和螢幕上的排母(圖C)互相對準,小心地壓下(注意不要直接壓螢幕)。接上電源後開機,可能要稍等1分鐘。最後會進入灰、藍色調的環境設定視窗(Raspi Boot Config)。
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圖C

因為之後的步驟可以用到,我準備了一個外接式USB無線網卡,但也不一定得使用它。
 

步驟3:作業系統及相機設定


開機後會進入環境設定視窗,如果沒有,可以在登入系統後執行sudo raspi-config。選取Expand Filesystem(擴充檔案系統),這樣才可以完整發揮SD卡的功用。接著選取Internationalization Options(在地化選項),選擇適合你的語系(初始為英國)、時區,和鍵盤。
 
啟動相機,然後進入Advanced Options(進階選項),將SSH伺服打開(圖D),這樣就可以進行遠端控制。當選取Finish(完成)後跳出是否重新開機時,請選擇「是」。
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圖D

將主機連上網路的方式有兩種:

一、乙太網路(網路線)

將你的主機接上路由器、數據機,或是交換器,然後重新開機。在登入畫面上,第三行的地方會是你的IP,把它記下來。

二、外接式USB無線網卡

執行:

sudo nano /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf
 
Add to the bottom of the file:
 
network={
 
ssid=”YourWiFiName”
 
psk=”YourWiFiPassword”
 
}
重新開機後,畫面上第三行或是第四行的地方便是你的IP。
 
以上部分可能會有點困難,你可以參考這份額外的文件
相機程式碼下載及設定

回到Adafruit網站,往下找到Install Camera(安裝相機)的部分,依照指示設定Phillip Burgess所寫的相機程式碼,他的版本非常棒。
 
接著繼續往下,找到System Tweaks(系統設定)的部分,依照指示將螢幕的更新率調高,這樣相機畫面的反應率會更好。如果想讓主機在開機後直接進入相機模式,可以依照Standalone mode(單機模式)部分描述的方法操作。
 
啟用輕觸開關#23

經由SSH連入你的主機(pi@your.pi.ip.address),然後依照Tactile switch as power button(將輕觸開關當成電源鍵)的指示設定。
 
注意:請忽略輕觸開關段落之下的步驟。

步驟4:製作相機架

將雙筒望遠鏡的目鏡朝下,放在一片泡棉上,用鉛筆沿著目鏡的外緣畫出外框(圖E)。用尺在外框形成的圓形中央畫一個準心(圖F),然後圍著準心畫出長寬8×8毫米左右的方形(圖G),大約與相機鏡頭一致(圖H)。把不怕損壞的材料墊在泡棉下面來保護桌子,用美工刀把方形切掉,然後沿著外框切割(圖I)。慢慢、輕輕地切,單靠蠻力是起不了作用的,而且如果手滑了,會造成更大的損壞。
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圖E

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圖G

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圖F

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圖H

試著組合一下相機架,它應該能夠勉強蓋住雙筒望遠鏡的目鏡,而且相機鏡頭要剛好在方形洞口裡(圖J)。相機鏡頭離相機架的中央越近越好,不過也不用太完美。

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圖I

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圖J

步驟5:結合主機、液晶螢幕和相機

在液晶螢幕的上方和左側綁上橡皮筋,讓它更固定一些。剪一段絕緣膠帶,長度至少足以繞過雙筒望遠鏡一圈(我用了大約25公分)。
 
把膠帶有黏性的那一面朝外,黏在液晶螢幕的排針內側,可以用尺協助,讓膠帶黏貼得更平整(圖K)。
 
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圖K

確認相機排線越過網路插口,也注意別搞壞你的液晶螢幕,小心地把螢幕和主機組裝在一起,這時膠帶應該會從底部垂下(圖L)。把主機跟螢幕一起對準雙筒望遠鏡的中央放上去,然後小心地把電氣膠帶拉出來、纏繞在望遠鏡上(圖M)。板子的位置可以離目鏡近一點,以便於組裝相機。我會把包覆望遠鏡的膠帶鬆弛的部分拉緊,還滿有用的。因為膠帶不一定會完全貼合你的雙筒望遠鏡,可能要多試幾次。
 
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圖L

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圖M

剪一小段膠帶(約4公分),貼在相機背面的裝置面板上,然後把突出的部分包在泡棉相機架的邊緣。如果在這之前你有拔掉相機排線,可以依照步驟二的方式將它接回去。
 
準備一段長一點的膠帶(8至10公分)。開機後,讓雙筒望遠鏡對著照明充足的地方,把相機放在左邊的目鏡上。持續調整位置,直到螢幕上出現清晰的圓形為止(圖N),用準備好的膠帶把相機固定在目鏡上。

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圖N

 最後再用另一段膠帶,把相機跟目鏡黏得穩固一點。任務完成!

步驟6:畫面翻轉

你的液晶螢幕上顯示的畫面有可能會縱向、橫向翻轉,所以我們得在cam.py檔案中加上兩行指令。
 
經由SSH連接你的主機(pi@your.pi.ip.address),或是直接插入鍵盤。登入系統後,輸入:
cd adafruit-pi-cam-master
(或是輸入cd ada後按Tab鍵自動完成)

​接著輸入:

nano cam.py -c
按Enter後,利用鍵盤Ctrl+W搜尋:
# Init Camera
接著畫面會帶到#571左右的地方,在它上面不遠處,可以找到一行:#Camera.crop
把滑鼠放在它上面,新增兩行指令:
camera.vflip = True
camera.hflip = True
點擊鍵盤Ctrl+X,Y,Enter。儲存設定後離開,輸入sudo reboot,按Enter重新開機。現在開始,你的螢幕顯示畫面就不會再出現不自然的翻轉了。

步驟7:電源和其他

有很多種方式可以供電給主機,這裡我們要使用的是Goal Zero的Guide 10 Plus 電池可拆式行動電源(圖O)。
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圖O

使用前記得確保電池有充飽,而且供電開關是關上的。透過USB線,將板子連上電池,使用相機前再打開供電開關就好了。
 
使用完相機後,利用螢幕前的輕觸開關#23關機,等待至少30秒後,再把供電開關關上。
 
關於電量

Guide 10 Plus 電池可拆式行動電源在4.8V的電壓下可以儲存2300mAh的電量。一臺Raspberry Pi,加上液晶螢幕和無線網卡,每小時會消耗500至1000mA的電量,所以2300mAh的電量大約能撐上2個小時。我個人不建議挑戰電量的底線,若是超過了電池的負荷,很可能無法儲存SD卡中的資料,甚至更糟。
 
如果在這次的專題中你不打算使用無線網卡,那麼去掉也無妨,正好可以降低不少耗電量。
 
學習重點及難處

影像模糊

這是很正常的現象。盡可能試著穩住你手中的相機,並且在充足的照明下拍照。
 
快門鍵的位置

單純使用觸控螢幕或是周圍的按鈕來照相,並不是最理想的方式。找你習慣放手指的位置附近的按鈕設定成快門鍵會比較好。

不一定要用到液晶螢幕?

一旦你充分掌握了相機鏡頭的位置和焦點後,LCD螢幕除了用來瀏覽相片(也是不錯啦)之外,就沒有太大的用處了。取而代之,你可以用手機或是將相片上傳到網路瀏覽。
 
影片

用這組裝置來拍影片會是個不錯的點子。我最近曾想要很快地嘗試一下,雖然沒有成功,不過你或許可以!

相片範例


(譯:蔡牧言)
【原文】
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