Raspberry PiでWebカメラを自動起動 | Revetroniqueのアート探訪

どうも、Reveです。実に3か月ぶりの更新です…orz

少し前に、仕事の関係でラズパイからWebカメラの映像を流し続けるシステムを簡易的に用意したので、今回はその実装をつらつら書いていこうと思います。なお、実装自体は特に機密事項なんてありませんのでご安心を(謎

概要
実装
参考

概要

前述のとおり、電源を入れたら自動的にWebカメラの映像を流すシステムを作ります。動作は以下の通り。

Webカメラとモニターをラズパイに接続
ラズパイの電源ON
デスクトップ画面が出てきたら、Webカメラからの映像を自動的に流す

実装

事前準備(ハードウェア)

まずは以下のものを用意します。

Raspberry Pi (pico以外)
micro SDカード 8GB～
Webカメラ (USB接続)
HDMI接続のディスプレイ
マウス、キーボード (USB接続)
5V電源 (USB充電器 / モバイルバッテリー)
OS書き込み用のPC (Windows / Mac / Ubuntu x86)

一応、注意点としてラズパイはpico以外(ラズパイOSが動くもの)を選んでください。できれば初代とzero以外のModel Bがオススメ(AはUSBコネクタが少ないので)。

またラズパイ4は映像端子がミニHDMIのため、変換ケーブルかアダプタが必要です。

事前準備(ソフトウェア)

以下のURLから、専用のソフトウェアをOS書き込み用のPCにインストールして、ソフトウェアからマイクロSDにOSを書き込みます(詳細は省略)。

Just a moment...

なお、OSは「Raspberry Pi OS (32bit)」を前提としています(他は未検証)。

開発環境の構築

ラズパイOSを起動できたら、まずターミナルで以下のコマンドを入力して、必要なパッケージをインストールします。

&gt;&gt; sudo apt-get install usbutils python3-opencv libcanberra-gtk3-module v4l-utils qv4l2
# 下のコマンドはラズパイでは不要(?)
&gt;&gt; sudo adduser (ユーザー名) video

>> sudo apt-get install usbutils python3-opencv libcanberra-gtk3-module v4l-utils qv4l2

# 下のコマンドはラズパイでは不要(?)

>> sudo adduser (ユーザー名) video

環境構築はこれだけですが、後述のプログラム開発で映らない場合は qv4l2 コマンドでカメラが映るか確かめられます。

プログラム開発

続いて、OpenCVでカメラの映像を流し続けるプログラムを作ります(Python)。コードはこちらをお借りします。

import cv2
import multiprocessing
import multiprocessing.sharedctypes
import time
import numpy

WIDTH=640
HEIGHT=480

def camera_reader(out_buf, buf1_ready):
  try:
    capture = cv2.VideoCapture(0, cv2.CAP_V4L2)
  except TypeError:
    capture = cv2.VideoCapture(0)

  if capture.isOpened() is False:
    raise IOError

  if isinstance(capture.get(cv2.CAP_PROP_CONVERT_RGB), float):
    capture.set(cv2.CAP_PROP_CONVERT_RGB, 0.0)
  else:
    capture.set(cv2.CAP_PROP_CONVERT_RGB, False)

  capture.set(cv2.CAP_PROP_BUFFERSIZE, 4)
  capture.set(cv2.CAP_PROP_FOURCC, cv2.VideoWriter_fourcc('Y', 'U', 'Y', 'V'))
  capture.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH, WIDTH)
  capture.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT, HEIGHT)
  capture.set(cv2.CAP_PROP_FPS, 30)

  while(True):
    try:
      capture_start_time = time.time()
      ret, frame = capture.read()
      if ret is False:
        raise IOError
      #print("Capture FPS = ", 1.0 / (time.time() - capture_start_time))
      bgr_frame = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_YUV2BGR_YUYV)
      #cv2.imshow('frame2', bgr_frame)
      buf1_ready.clear()
      memoryview(out_buf).cast('B')[:] = memoryview(bgr_frame).cast('B')[:]
      buf1_ready.set()
      print("Capture+Conversion+Copy FPS = ", 1.0 / (time.time() - capture_start_time))
    except KeyboardInterrupt:
      # 終わるときは CTRL + C を押す
      break
  capture.release()

if __name__ == "__main__":
  buf1 = multiprocessing.sharedctypes.RawArray('B', HEIGHT*WIDTH*3)
  buf1_ready = multiprocessing.Event()
  buf1_ready.clear()
  p1=multiprocessing.Process(target=camera_reader, args=(buf1,buf1_ready), daemon=True)
  p1.start()

  captured_bgr_image = numpy.empty((HEIGHT, WIDTH, 3), dtype=numpy.uint8)
  while True:
    try:
      display_start_time = time.time()
      buf1_ready.wait()
      captured_bgr_image[:,:,:] = numpy.reshape(buf1, (HEIGHT, WIDTH, 3))
      buf1_ready.clear()
      cv2.imshow('frame', captured_bgr_image)
      cv2.waitKey(1)
      print("Display FPS = ", 1.0 / (time.time() - display_start_time))
    except KeyboardInterrupt:
      # 終わるときは CTRL + C を押す
      print("Waiting camera reader to finish.")
      p1.join(10)
      break

  cv2.destroyAllWindows()

import cv2

import multiprocessing

import multiprocessing.sharedctypes

import time

import numpy

WIDTH=640

HEIGHT=480

def camera_reader(out_buf, buf1_ready):

try:

capture = cv2.VideoCapture(0, cv2.CAP_V4L2)

except TypeError:

capture = cv2.VideoCapture(0)

if capture.isOpened() is False:

raise IOError

if isinstance(capture.get(cv2.CAP_PROP_CONVERT_RGB), float):

capture.set(cv2.CAP_PROP_CONVERT_RGB, 0.0)

else:

capture.set(cv2.CAP_PROP_CONVERT_RGB, False)

capture.set(cv2.CAP_PROP_BUFFERSIZE, 4)

capture.set(cv2.CAP_PROP_FOURCC, cv2.VideoWriter_fourcc('Y', 'U', 'Y', 'V'))

capture.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH, WIDTH)

capture.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT, HEIGHT)

capture.set(cv2.CAP_PROP_FPS, 30)

while(True):

try:

capture_start_time = time.time()

ret, frame = capture.read()

if ret is False:

raise IOError

#print("Capture FPS = ", 1.0 / (time.time() - capture_start_time))

bgr_frame = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_YUV2BGR_YUYV)

#cv2.imshow('frame2', bgr_frame)

buf1_ready.clear()

memoryview(out_buf).cast('B')[:] = memoryview(bgr_frame).cast('B')[:]

buf1_ready.set()

print("Capture+Conversion+Copy FPS = ", 1.0 / (time.time() - capture_start_time))

except KeyboardInterrupt:

# 終わるときは CTRL + C を押す

break

capture.release()

if __name__ == "__main__":

buf1 = multiprocessing.sharedctypes.RawArray('B', HEIGHT*WIDTH*3)

buf1_ready = multiprocessing.Event()

buf1_ready.clear()

p1=multiprocessing.Process(target=camera_reader, args=(buf1,buf1_ready), daemon=True)

p1.start()

captured_bgr_image = numpy.empty((HEIGHT, WIDTH, 3), dtype=numpy.uint8)

while True:

try:

display_start_time = time.time()

buf1_ready.wait()

captured_bgr_image[:,:,:] = numpy.reshape(buf1, (HEIGHT, WIDTH, 3))

buf1_ready.clear()

cv2.imshow('frame', captured_bgr_image)

cv2.waitKey(1)

print("Display FPS = ", 1.0 / (time.time() - display_start_time))

except KeyboardInterrupt:

# 終わるときは CTRL + C を押す

print("Waiting camera reader to finish.")

p1.join(10)

break

cv2.destroyAllWindows()

デバイス名の固定

手動だとほぼ問題ないのですが、自動起動の場合、プログラムを立ち上げても権限やデバイス名などでカメラとの接続に失敗する場合があります。そこで、udevルールファイルを作成して自動起動サービスに連携させます。

まず、以下のコマンドで接続しているUSBデバイスの情報を取得します(参照)。

# 接続しているUSBデバイス一覧
&gt;&gt; lsusb
Bus 002 Device 002: ID 8087:8001 Intel Corp.
Bus 003 Device 016: ID 054c:06c1 Sony Corp.
        :
Bus 003 Device 001: ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub
# IDを指定して詳細を表示
&gt;&gt; lsusb -s 003:016 -v
(詳細が下にずらーっと表示される)

# 接続しているUSBデバイス一覧

>> lsusb

Bus 002 Device 002: ID 8087:8001 Intel Corp.

Bus 003 Device 016: ID 054c:06c1 Sony Corp.

Bus 003 Device 001: ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub

# IDを指定して詳細を表示

>> lsusb -s 003:016 -v

(詳細が下にずらーっと表示される)

Webカメラの情報が取得出来たら、「idVendor(ベンダーID)」と「idProduct(プロダクトID)」の値を覚えておき、エディタを開いてファイルを作成し、

&gt;&gt; sudo nano /etc/udev/rules.d/99-webcam.rules

1	>> sudo nano /etc/udev/rules.d/99-webcam.rules

以下の一文をファイルに記入して保存します(各項目について:参照1、参照2、参照)。

KERNEL：元のデバイス名(接続時)
SUBSYSTEM：デバイス制御のサブシステム(キャプチャ機器は video4linux)
SUBSYSTEMS：サブシステムの親 (USB)
ATTR{…}：デバイスの属性。ここでは idVendor と idProduct を指定
SYMLINK：デバイスファイルのシンボリックリンク (+= は追加)
TAG：紐づけするシステム
MODE：権限
ENV{SYSTEMD_WANTS}：依存関係。次に作成する自動起動サービスと連携

KERNEL=="video*", SUBSYSTEM=="video4linux", SUBSYSTEMS=="usb", ATTRS{idVendor}=="05a3", ATTRS{idProduct}=="9530", SYMLINK+="webcam", TAG+="systemd", MODE="0755", ENV{SYSTEMD_WANTS}="webcam-streamer.service"

1	KERNEL=="video*", SUBSYSTEM=="video4linux", SUBSYSTEMS=="usb", ATTRS{idVendor}=="05a3", ATTRS{idProduct}=="9530", SYMLINK+="webcam", TAG+="systemd", MODE="0755", ENV{SYSTEMD_WANTS}="webcam-streamer.service"

正しく記載されていれば、以下のコマンドでWebカメラが指定のデバイス名で認識されていると分かります。

&gt;&gt; tail -f /var/log/syslog
(接続したデバイス名などが表示)

1 2	>> tail -f /var/log/syslog (接続したデバイス名などが表示)

ちなみに、上記のルールファイルはこのカメラを使用した場合のものです。

自動起動サービスの設定

まずは、好きな場所(今回はデスクトップを想定)に daemon.env というファイルを作成し、以下の様に編集します。

LD_PRELOAD="/usr/lib/arm-linux-gnueabihf/libatomic.so.1"
PYTHONPATH=/usr/lib/python39.zip:/usr/lib/python3.9:/usr/lib/python3.9/lib-dynload:/usr/local/lib/python3.9/dist-packages:/usr/lib/python3/dist-packages:/usr/lib/python3.9/dist-packages
DISPLAY=:0.0

LD_PRELOAD="/usr/lib/arm-linux-gnueabihf/libatomic.so.1"

PYTHONPATH=/usr/lib/python39.zip:/usr/lib/python3.9:/usr/lib/python3.9/lib-dynload:/usr/local/lib/python3.9/dist-packages:/usr/lib/python3/dist-packages:/usr/lib/python3.9/dist-packages

DISPLAY=:0.0

次に、ターミナルで以下のコマンドを入力して

&gt;&gt; sudo nano /etc/systemd/system/webcam-streamer.service

1	>> sudo nano /etc/systemd/system/webcam-streamer.service

以下の通りに編集します。今回はGUIが無いと動かないので、システム環境の指定を graphical.target としています。(ユニットのパラメータについて：参照)。

[Unit]
Description=Webcam streamer
BindTo=dev-webcam.device
After=dev-webcam.device

[Service]
WorkingDirectory=/home/pi/Desktop
EnvironmentFile=/home/pi/Desktop/daemon.env
ExecStart=/usr/bin/python3  /home/pi/Desktop/webcam-multiprocess.py
TimeoutStartSec=10
Restart=on-failure
RestartSec=10
Type=simple
#User=root
User=pi

[Install]
WantedBy=graphical.target
#WantedBy=multi-user.target

[Unit]

Description=Webcam streamer

BindTo=dev-webcam.device

After=dev-webcam.device

[Service]

WorkingDirectory=/home/pi/Desktop

EnvironmentFile=/home/pi/Desktop/daemon.env

ExecStart=/usr/bin/python3 /home/pi/Desktop/webcam-multiprocess.py

TimeoutStartSec=10

Restart=on-failure

RestartSec=10

Type=simple

#User=root

User=pi

[Install]

WantedBy=graphical.target

#WantedBy=multi-user.target

終わったら、以下のコマンドでサービスの自動起動を有効にします。

# ファイル読み込み
&gt;&gt; sudo systemctl daemon-reload
# 自動起動の設定
&gt;&gt; sudo systemctl start webcam-streamer.service
&gt;&gt; sudo systemctl enable webcam-streamer.service

# ファイル読み込み

>> sudo systemctl daemon-reload

# 自動起動の設定

>> sudo systemctl start webcam-streamer.service

>> sudo systemctl enable webcam-streamer.service

正しく動作しているかは、以下のコマンドで確認できます。

# 指定のサービスの動作確認
&gt;&gt; sudo systemctl status webcam-streamer.service
# 全ユニットファイルの自動起動を確認
&gt;&gt; systemctl list-unit-files --type=service

# 指定のサービスの動作確認

>> sudo systemctl status webcam-streamer.service

# 全ユニットファイルの自動起動を確認

>> systemctl list-unit-files --type=service

正常に読み込まれていれば、次からの起動時にWebカメラの映像を自動的に流してくれるようになります。

参考

クラウド側からのコマンドで動画が取得できる監視カメラを作ってみました | DevelopersIO

（ラズパイで）USBカメラの映像をPythonのOpenCVで高速に表示する - Qiita

非常に初歩的な話です…USBカメラではなくて、ラズパイ専用カメラでも Raspberry Piと純正カメラモジュールで監視カメラを作る、おそらく正しい方法 jessie版 (motion + v4l…

デバイス名を固定する – planset blog

Systemd Services: Reacting to Change - Linux.com

I have one of these Compute Sticks (Figure 1) and use it as an all-purpose server. It is inconspicuous and silent and, as it is built around an x86 architecture...

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