Webkamera z Raspberry Pi Zero a 3d-tištěných součástí

21.1.2021 01:12 | Přečteno: 3441× | | poslední úprava: 21.1.2021 20:00

Po tom, co jsem si přečetl výborný blog od Bystroušáka a Jendy, řekl jsem si že je na čase taky trošku přispět komunitě vlastníma rukama. Tenhle zápisek je z jedné části chlubení vlastní prací, ze dvou reklama na open-source projekty: Solvespace a Show-me webcam

Jak se postupně prodlužovala doba sociální izolace, čím dál tím víc mi chyběl kontakt s rodinou přáteli a tak, hlavně pohled tváří v tvář. A protože jsem ajťák, tak jsem hledal technické řešení - webkameru. Bohužel, komerční nabídka není nic moc, moje důvěra v ne-OS software je na rekordním minimu, a navíc to byla příležitost procvičit se v návrhu 3D tištěných součástí. Proto jsem se rozhodl, že si kameru postavím vlastní, z Raspberry Pi Zero (které se mi tu válí nevyužité) a vytisknu si na ně krabičku s držákem na monitor.

Původně jsem plánoval, že si pořádně nastuduju USB gadget mode v Linuxu, ale to narazilo na dvě překážky:

• gadget mode je těžkotonážní magie, dokumentace předpokládá znalosti USB protokolu a linuxového USB subsystému, a navíc je zastaralá
• někdo to už vyřešil za mě: projekt Show-me webcam

Protože softwarovou stránku máme vyřešenou, můžeme přemýšlet nad hardwarem. Moje požadavky byly:

1. kamera bude sedět na horním okraji mého hlavního monitoru a musí být polohovatelná ve svislém směru
2. rozumně malé rozměry
3. nízká cena
4. 3d tisk bez podpor
5. součástky se nemusí lepit (aby to šlo tisknout z PETG)

Původně jsem chtěl vymyslet nastavitelný úchyt na monitor, ale protože jsem to dělal především pro sebe, a už to začínalo být dost složité, tak jsem zvolil pevné řešení na míru. Kameru jsem v zájmu ceny a malé velikosti zvolil neoriginální od Waveshare.

Před začátkem kreslení je dobré si rozmyslet, jak zhruba bude věc vypadat. Moje idea byla: Kdybychom nechali rovný kabel, bude kamera moc dlouhá, takže kabel s kamerou ohneme a kameru zafixujeme přední částí krabičky. RPi nemůže viset jen za kameru, takže ho za montážní díry nasadíme na čepy a přitiskneme zadní částí krabičky, aby se zbytečně nehýbalo (a nepoškodili jsme kabel). Na tenhle sendvič jsou nasazené ze stran bočnice, které ho drží pohromadě. Bočnice jsou pak nasazené do stojánku, který umožňuje otáčení.

Při psaní jsem si uvědomil, že slovní popis je totálně nesrozumitelný, pokud nemám před očima jak to má nakonec vypadat, takže předběhnu: tohle je hotová kamera.

Základní představu máme, můžeme začít kreslit. Technické věci kreslím v Solvespace. Solvespace je parametrický 3-D CAD postavený na řešiči geometrických omezení (geometric constraint solver). To znamená, že můžu např. nakreslit kružnici, vepsat do ní šestiúhelník, nastavit jeho stranám stejnou délku, a Solvespace už bude vědět že úhel mezi stranami je 120 stupňů. To se hodí při kreslení: můžu v průběhu kreslení změnit nějaký rozměr, a Solvespace za mě přepočítá celý výkres.

Nejdřív začneme prostřední částí, kde bude RPi. Vyjdeme z výkresu od výrobce, a dokreslíme čepy, okraje atd:

Zelené čáry jsou "konstrukční": nebudou ve výsledném výtisku, ale můžu je použít ke geometrické konstrukci, nebo si nakreslit pomocný výkres a k němu vztáhnout rozměry. Purpurově jsou omezení: většinou rozměry, ale taky často předpis že čára je vodorovná/svislá, tečná ke kružnici atd. Do výkresu jsem si dokreslil polohu konektorů, a pak dokreslil výřezy (s vynecháním místa na aby se vešel konektor na kabelu). Protože moje tiskárna není moc dobře zkalibrovaná a tiskne věci mírně "přes čáru", připočítávám k rozměrům 0,2 mm z každé strany - podle mých zkušeností je pak mezi součástmi mírná vůle, "jdou volně" ale nevypadávají.

Velký obdélníkový výřez vpravo je místo pro plochý kabel kamery.

V téhle části jsem rovnou nakreslil díry do rohů: rozhodl jsem se, že celý sendvič budou ve správné vzájemné poloze držet kolíky vytištěné na zadní straně, které budou procházet celou krabičkou a držet díly na svém místě.

Tady jsem mimochodem musel tisknout nadvakrát: do prvního výtisku se RPi těsně nevešlo. Nejdřív jsem si myslel, že jsem špatně měřil, ale šuplera ukázala, že oficiální výkres kecá: RPi je o cca 0,4 mm širší i delší než na výkresu. Takže jsem musel změnit rozměry, zkontrolovat že jsem nenechal nějaký související rozměr "napevno" (tj. všechny navazující míry jsou odvozené z kóty kterou měním jen pomocí rovnosti délek nebo geometrickou konstrukcí) a díl znova vytisknout.

Když máme nakreslenou první část, použiju operaci "extrude" která z podstavy udělá kolmý hranol, dokreslím spodní (jednolitou) plochu dílu a pokračuju zadní stranou krabičky: tou která bude přidržovat RPi na místě. Postup je obdobný, ale začínám přemýšlet jak upevnit USB kabel. Konektory na RPi jsou SMD, a snadno se vylomí; nejlepší by bylo, kdyby kabel visel svisle, to by celou věc na monitoru hezky stabilizovalo, ale zase by neměl viset přímo za konektor, to by ho vytrhával. Nakonec jsem se rozhodl, že kabel bude uchycený v zadní straně krabičky následovně: povede z RPi přímo nahoru, smyčkou se ohne dolů, pak povede natěsno vytisknutým výřezem v krabičce, a pak už může volně viset.

Protože mi to přišlo cool a elegantní, rozhodl jsem se, že výřez v krabičce bude mít kruhový průřez, ale nebude přímý: bude mírně prohnutý, aby se kabel svou vahou opíral do stěn výřezu a sám se tak fixoval. Díra navíc nemusí být úplně uzavřená, stačí když bude v nějakém místě užší než kabel. Nejsnáz se to ukáže na výsledném výtisku:

Zadní strana se kreslí podobně jako přední, jen si hlídám že ji budu muset při sestavení překlopit (takže bude zrcadlově oproti prostředku). Přidám díry na větrání, a hranolky které přitisknou desku RPi ke krabičce. Šuplerou jsem si změřil místa, kde nejsou součástky.

Pak kabel: nejdřív do zadní strany nakreslím kružnici (na ose datového USB konektoru), která později vyřízne díru. Protože díl kreslím do stejného výkresu, můžu si ho umístit tak, aby byl zarovnaný s předchozí částí, a jen přidat omezení "ve stejném bodě" (kreslím v rovině kolmé na osu konektoru, takže se mi osa promítá jako jediný bod). Největší problém je neztratit se ve změti čar (kružnice je bíle, hnědě jsou čáry z jiných částí výkresu, které už se v tomhle podvýkresu nedají měnit):

Pak tu kružnici orotuju okolo středu (který se do předchozího obrázku nevešel, ale vede k němu dolů kóta), takže vznikne zahnutá "tyč", kterou nastavím jako Difference, takže do modelu vyřízne díru:

Úhel rotace by asi šel spočítat nebo odvodit, já se spokojil s tím že jsem ho nastavil od oka tak, aby protínal celou zadní část krabičky, a neprotínal nic jiného.

Tím mám zadní část hotovou, můžu kreslit předek. Ten je nejjednodušší, jen si opět hlídám že se díl překlopí (tentokrát podle svislé osy) EDIT: nesmysl, tenhle díl bude ve stejné orientaci jako prostředek, ve výkresu je to správně. Vymodeluju výřez na optiku kamery (kruhový), na kameru samotnou a pár součástek u ní (obdélník) a rozhodnu se, že aby se kamera pokud možno nehýbala, tak kabel těsně u jí přimáčknu ke střední části krabičky. Proto je výřez na kabel nejužší těsně u kamery. Spojovací díry nejdou skrz, je tam jen rezerva na nepřesnosti tisku.

Bočnice jsou ploché válce s pravoúhlým výřezem změřeným z modelu; Solvespace neumí omezení "takhle čára je dlouhá jako součet těchhle čtyř čar". Vymdelovat to jde, ale vím že na tom už nic dalšího záviset nebude, a je to pracné, takže si zjednodušuju práci. Montáž na monitor jsou pak dva prstence, do kterých bočnice zapadnou, s výstupky dole které jsou změřené podle monitoru.

Celkový výkres, když pro přehlednost vypnu zobrazování kót a podobně, vypadá takhle:

Vytisknul jsem to nakonec z SBS, protože jsem ho měl zrovna v tiskárně. PETG by bylo možná i lepší (je trochu tvrdší), ABS nejspíš taky OK. PLA bych se vyhnul, aby krabička nezačala měknout protože RPi začalo hřát. Je dobré použít průsvitný materiál, je pak vidět dioda na kabelu kamery, která svítí když je kamera zapnutá.

Výsledek:

Kabel drží poměrně pevně, ale k jeho vyndání není potřeba přehnané násilí. SD kartu jsem použil zbytečně výkonnou, měla by stačit i ta nejlevnější z Tesca. Celkově jsem spokojený, celkem se mi líbí jak to vypadá. Stačí zapojit kabel do počítače, počkat cca 10 sekund než RPi nabootuje (připravenost ohlásí trojím zablikáním zelené diody) a kamera běží.

Protože je kamera naležato a navíc otočená dozadu, je obraz otočený. To musíme vyřešit softwarově, naštěstí s tím autoři Show-me webcam počítali, a kamera má konzoli dostupnou na sériovém portu (v systému se hlásí jako složené zařízení: kamera + sériový převodník). Windows potřebují .ini soubor aby věděly, že fakt mají použít generický driver, Linux by měl být připravený z distribuce. Spustíme terminál, nastavíme parametry podle README (115200 baudů, /dev/ttyACM), dostaneme prázdnou obrazovku. To je tím, že Linux na kameře už vypsal prompt (jenom jsme se nedívali), stačí zmáčknout Enter a přihlásit se (root/root). Filesystémy jsou defaultně read-only, skript "camera-ctl" umí přemountovat /boot kde je uložená konfigurace. Já jsem skončil s:

contrast=-2
saturation=5
sharpness=20
rotate=90
video_bitrate=25000000
exposure_dynamic_framerate=1
exposure_metering_mode=1

S tímhle nastavením dává kamera dobrý obraz i v místnosti osvětlené jen jednou žárovkou pod stropem (lampička za mnou se nepočítá, ta jen kazí expozici):

Celá legrace vyšla na cca 700 Kč (450 kamera, 150 RPi, 100 SD karta, USB kabel zadarmo z šuplíku) když nepočítám dopravu součástek, práci a tiskárnu. Pohled na Alzu ukazuje, že to je zhruba cena komerčních kamer s podobnými parametry, ale tady vím z čeho to je a umí si ji sám opravit.

Výkres a vyrenderované STL se dá stáhnout na mém serveru. Licence: můžete užít nekomerčně, při šíření uveďte autora (třeba odkazem na tenhle článek nebo přezdívkou: "Lyco").

       

Obrázky

Komentáře

[Bystroushaak]

Pěkný blog.

Jak těžké je se naučit se Solvespace? Já jsem teď 3D modeloval věci k tisku skoro každý den a Blender ačkoliv je na 3D modelování docela ideální, tak na přesné rozměry moc ne, takže jsem pokukoval po alternativách a Solvespace byla jedna z věcí, které jsem viděl. I jsem si to nainstaloval, ale odradilo mě UI, s tím že si někdy až budu mít náladu musím pustit tutoriál. Druhá věc byla freecad, který je teda podle mého taky super divný, navrhovný nějakými zmutovanci co zase nikdy neviděli normální ovládání softwaru.

Jak dlouho ti trvá tohle vymodelovat?

Jinak držák na webkameru je jedna z věcí, kterou si chci taky udělat, i když koncept bude úplně jiný než u tebe.

[j]

TLDR

[Lyco]

To je v pohodě, klidně jenom koukej na obrázky když ti písmenka dělají potíže.

[j]

nevidim v tom komentari zadne obrazky

[Gréta]

písmenka sou taky takový malinkatý vobrázky :D ;D

[Lyco]

Jo, FreeCAD jsem taky nepochopil, to ovládání je jak od mimozemšťanů.

Mě osobně se Solvespace líbí, koncept je prakticky přesně to co bych od 3D CADu chtěl, implementace trochu pokulhává, ale pořád to udělá hromadu práce, a nové verze jsou lepší. Ovládání je ze začátku divné, ale má koncepci, takže čím víc jsem s tím dělal, tím to bylo snazší (oproti FreecCADu).

Mě se hlavně líbí ta parametričnost v kombinaci s interaktivním způsobem práce, oproti OpenSCADu. Nic proti OpenSCADu - viděl jsem v něm několik supr věcí, a vypadá že se skvěle hodí na to co dělá - ale nemám moc dobrou prostorovou představivost, potřebuju vidět to co kreslím.

Jak dlouho to trvalo vymodelovat ti přesně neřeknu, dělal jsem to cca před měsícem, a trvalo mi dokopat se k tomu o tom něco napsat. Myslím že jsem vymýšlením strávil jeden večer a kreslením další dva, s tím že to nebylo takhle hezky rozdělené.

Jaký je tvůj koncept kamery?

[Bystroushaak]

Jaký je tvůj koncept kamery?

Jen držák na webkameru, na vršek monitoru. Bude to takový pevnější stojánek.

[Gréta]

Blender ačkoliv je na 3D modelování docela ideální, tak na přesné rozměry moc ne

v blendru de dělat uplně přesně :O :O  cos tam jakoby měl za problém udělat přesně?? :O :O

btw tinycad hele se ti možná muže hodit zapnout ;D

[Bystroushaak]

v blendru de dělat uplně přesně :O :O cos tam jakoby měl za problém udělat přesně?? :O :O

Mno, třeba včera jsem dělal díry na šroubky, které sice můžeš super přesně napozicovat, ale když je pak chceš dát do středu nějaké komponenty, tak už to není úplně triviální.

btw tinycad hele se ti možná muže hodit zapnout ;D

Na to se podívám.

Zapnul jsem zatím 3D Print Toolbox (umí vyrobit manifold z non-manifold) a Measureit. Taky používám boxcutter.

[Gréta]

dát do středu nějaké komponenty

přepnu si z voběktovýho módu do editačního voznačim třeba všecky strany pěkně dokolečka tý součástky do který jakoby chci něco vyříznout máčknu shift + s a dám 'cursor to selected'

pak se zase jako přepnu do voběktovýho módu a voznačim si voběkt kterým chcem jakože řezat zase máčknu shift a s pozor změna dám 'selection to cursor' noa vybranej voběkt semi svým těžištěm/počátkem přestěhuje na souřadnici tamtoho 3d kurzoru :O ;D

boxcutter

hamouni/chudý lidi cose jim nechce platit za addon si jako mužou udělat remesh hele a pak řezat dotoho voběktu voxelizovanýho :O ;D jeto ale nenažraný a u děsně moc složitejch věcí z moc kostiček se dycky chvilku čeká na náhled ;D

[Bystroushaak]

přepnu si z voběktovýho módu do editačního voznačim třeba všecky strany pěkně dokolečka tý součástky do který jakoby chci něco vyříznout máčknu shift + s a dám 'cursor to selected'

Chápu co myslíš a dělám to taky, ale funguje to imho jen s relativně jednoduchou geometrií. Na něco složitějšího chceš právě nějaký constraint solver, jinak se z toho zblázníš.

Další věc je, že blender operuje nad meshema, takže i kdyby tam byl nějaký constraint solver, tak když mu řekneš že tohle má být takhle daleko od tohohle a tohle v tomhle uhlu takhle daleko od tohohle, tak ti hodí pár vertexů na tu pozici a vznikne z toho roztržená ne-euklidovská zmutovanost s obrácenýma normálama, která prochází sama sebou, místo aby to tu součástku upravilo tak jak by člověk intuitivně očekával od fyzického světa.

hamouni/chudý lidi cose jim nechce platit za addon si jako mužou udělat remesh hele a pak řezat dotoho voběktu voxelizovanýho :O ;D jeto ale nenažraný a u děsně moc složitejch věcí z moc kostiček se dycky chvilku čeká na náhled ;D

Ten boxcutter toho umí podstatně víc :) Já jsem to kopil jako bundle ještě s hardops.

[Gréta]

ale funguje to imho jen s relativně jednoduchou geometrií

na řezání děr pro šroubky stačí ale :D ;D

Další věc je, že blender operuje nad meshema, takže i kdyby tam byl nějaký constraint solver, tak když mu řekneš že tohle má být takhle daleko od tohohle a tohle v tomhle uhlu takhle daleko od tohohle, tak ti hodí pár vertexů na tu pozici a vznikne z toho roztržená ne-euklidovská zmutovanost s obrácenýma normálama, která prochází sama sebou, místo aby to tu součástku upravilo tak jak by člověk intuitivně očekával od fyzického světa

blender fakt jako vobčas dělá jakože dost divný věci :D celkem dobrej postup je mit všecko co de z izolovanejch oběktů ane z jedný velikánský meshe protože tak mu jako celkem de zredukovat prostor na blbnutí nějaký :D ;D

taky se dá používat pythoní skriptovaní na hodně moc složitý chování ato jejich api hele je uplně supr třeba když koukneš co maj za zoufalství ve freecadu nebo jinejch ;D ;D

možný problémy bledneru jako nástroje na dělání technickýho malování vidim u modelování nějakejch složitějších věcí nebo u něčeho co nikdo eště předem neví jak to jako bude vypadat hotový a se ví že se to 100% bude v průběhu eště hrozně moc měnit :O :/ to už je fakt asi jako lepšejší nejdřiv všecko dělat v cadu a nakonec jenom v blenderu přimalovat estetiku. držák kamerky jak ho jako vyrobil lyco by vblendru imho šlo udělat uplně vpohodě když víš jak jako bude vypadat hotovej ale hodinkovej stroječek bych vtom třeba prototypovat nechtěla :D ;D

[mirec]

Tiež som sa chcel pohrať s kamerou a raspberry pi, ale nedokázal som nikde nájsť senzor rozumnej veľkosti. Kľudne by som zaplatil pár stoviek € za senzor veľkosti APS-C, na ktorý by sa dal namontovať normálny objektív a nemal by pritom šialený crop.

[Lyco]

To zní jako že spíš seženeš programově ovladatelný foťák. Tam za tebe aspoň někdo vyřeší závěrku, máš opravdovou clonu a tak.

Ze zvědavosti jsem zkusil rychle zakachnit, a pokud "pár" můžou být i "dva páry", tak třeba Canon EOS 2000D s DigiCamControl vypadá že splňuje požadavky.

Ale jasně, pokud je cílem foto kutilství, tak chápu že hotové řešení není to co hledáš

[mirec]

Clona je súčasťou objektívu, na ňu nepotrebujem fotoaparát ;) Uzávierka by mi omnoho viac vyhovovala softvérová, kde sa nemá čo pokaziť povedzme pri dlhých timelapsoch. Hlavne by som ale chcel video v RAW-e so spracovaním v reálnom čase v GPU bez nejakej hnusnej kompresie, alebo odstraňovania šumu, alebo čo všetky tieto fotoaparáty robia implicitne pri videu a nedá sa to vypnúť.

[TechnikTom]

Ani tohle není dostatečné?

https://rpishop.cz/kamery/2458-raspberry-pi-hq-kamera-0633696492738.html

[mirec]

To je tak snímač veľkosti poštovej známky so šialeným crop faktorom. Parametre sú dosť katastrofálne. Na také hranie sa v noci má vysoký šum. Na videokonferencie namontujem normálny objektív a musím to dať kilometer pred seba, aby zo mňa nebolo vidieť len oko pretože šialený crop. Jednoducho ten snmač má asi takú veľkosť a parametre, ako snímače v mobile.

[_]

rozbili se ti obrázky

[Bherzet]

Jsou na HTTP. Při prohlížení z Abclinuxu přes HTTPS se nenačtou.

Jinak moc pěkný článek.

[Lyco]

Aha, já myslel že trolling (nepřihlášený anonym a u mě problém není), a on bugreport.

Předělám obrázky aby byly přímo na ábíčku.

Tohle je mimochodem fail v UI: při zakládání blogu nikde není volba na upload obrázků, upřímně jsem nechápal jak ostatní autoři dostali obrázky na server.

[xxxs]

ta volba tam je. zasita niekde vpravo, mozno aj dole.

[Bherzet]

Není, ne? Musí se prvně vytvořit blog, pak ho uložit do konceptů a teprve poté je možné uploadovat obrázky.

[xxxs]

moze byt.

[Bystroushaak]

Tohle je mimochodem fail v UI: při zakládání blogu nikde není volba na upload obrázků, upřímně jsem nechápal jak ostatní autoři dostali obrázky na server.

https://github.com/Bystroushaak/abclinuxuapi/tree/master/bin

[Gréta]

já myslel že trolling

tady to jako děsně splívá dohoromady :O ;D

kdybych se třeba jako ptala proč natom černým monitoru předtim focením nikdo neutřel prach když jakoby hnedka vtom regálku zatebou vidim prachovku jeto trolling nebo ne?? :O :O :D ;D

[j]

Nebyl protože seš přihlášená a neanonymní a to má tuze velkou váhu. Proto je tu omozená registrace s povinným dotazníkem a scanem opčanky.

[mmm]

Co ja to tam na konci za vocase?

[Gréta]

autor neasi :D ;D

[Miriam (ta pravá)]

Jsi pěkný a šikovný mladý muž. Normálně tu trolím a píšu hovna, ale tvůj projekt se mi líbí. Za mě super nápad, provedení i prezentace zde! Budu se těšit na příští příspěvek. Zdar Max