从零开始搭建Raspberry Pi机器视觉编程环境

本文主要包括如下内容：

安装Raspbian系统
连接和设置网络
安装中文支持
用电脑控制树莓派
- 通过SSH远程登录树莓派命令行界面
- 安装VNC远程登录树莓派图形桌面
- 通过串口连接树莓派
安装OpenCV及相关开发包
一键备份树莓派SD卡

1 安装Raspbian系统

拿到树莓派后第一件事当然是装系统。安装树莓派系统所需配置：

1个输出5V，>700mA（通常选择1A或2A）的USB电源适配器
1根micro USB线（安卓线）
1张拷贝好系统镜像与NOOBS的SD卡（>=8G）
1个可以用于树莓派的显示器及相关视频转接线（如果需要）
1个USB无线网卡或一根网线+网络

对于机器视觉应用，选择一张大于8G的卡，我的是32G，装完本文所有内容后约使用6G空间。如果费劲的装完所有软件后怕一朝回到解放前，则另外需要约7G空间用于备份。

1.1下载系统和安装工具

下载树莓派操作系统Raspbian，下载地址：

https://www.raspberrypi.org/downloads/

下载系统Raspbian系统和安装工具NOOBS (NewOut Of Box System)。

1.2 安装系统

提示：本文末尾更新了2018.08.06升级系统及最新VNC连接方法，与老版本略有不同，如有需要请移步至文末。

将下载的系统文件解压后的镜像文件xxx-raspbian-jessie.img"拷贝进SD卡根目录。

将NOOBS 解压后的NOOBS_v1_9_1文件夹中的所有文件拷贝到SD卡根目录，注意要进入NOOBS_v1_9_1文件夹拷贝里面的所有文件，而不是直接拷贝文件夹。

拷贝完成后SD卡根目录应该是类似这个样子：

将SD卡装入树莓派。找个带HDMI接口的显示器，如果没有就买个HDMI转VGA的转接线使用常见VGA接口显示器作为树莓派的屏幕，连上USB鼠标键盘，一切就绪。连上电源线通电后树莓派将自动进入安装程序，稍等一会就系统就装好了，默认登录到图形界面。

2 安装和设置网络

2.1 连接网络

我使用的是USB无线wifi网卡，插好自动配置，找到wifi热点输入密码连接即可上网。我们可以在树莓派的LX终端命令行使用如下命令查看网络连接情况

ifconfig

etho的部分为有线网络连接情况，wlan0的部分为无线网络连接情况，inet addr: xxx.xxx.xxx.xxx 就是树莓派的IP地址。

图片[1]-从零开始搭建Raspberry Pi机器视觉编程环境-卡核

2.2 设置静态IP

默认情况下树莓派的IP是DHCP动态配置的，为了下文使用VNC登录方便，通常做法是将IP改为静态地址。改 /etc/network/interfaces配置文件

sudo nano /etc/network/interfaces

sudo是Linux命令：使用超级用户运行的意思。
nano是树莓派自带的一个文本编辑器，很多配置文件都可以用它来打开修改。

将打开的配置文件wlan0的相应部分修改如下：

allow-hotplug wlan0
iface wlan0 inet static
wpa-conf/etc/wpa_supplicant/wpa_spplicant.conf
address 192.168.0.112
netmask 255.255.255.0
gateway 192.168.0.1

IP设置为静态：static
此处固定树莓派的无线网络IP地址为：192.168.0.112
子网掩码设置为：255.255.255.0
网关为家里路由器的地址：192.168.0.1

修改后的配置文件类似下图：

Ctrl+O保存，Ctrl+X退出编辑。然后重启树莓派使配置生效

sudo reboot

网络配置方法还有许多，就不一一罗列了，可参考其他相关文章。

3 安装中文支持

3.1 安装中文字体

进入树莓派LX终端，在命令行输入：

sudo apt-get install ttf-wqy-zenhei

将安装文泉驿的开源中文字体，现在可以正常显示中文了。

3.2 安装中文输入法

安装Linux下的中文输入法SCIM（Smart Common Input Method），命令行输入

sudo apt-get install scim-pinyin

安装好拼音输入法后，可以直接命令行输入scim激活，下次启动是会自动启动的。快捷键是Ctrl+空格。或者直接点击屏幕右上角的输入法图标选择。

3.3 配置中文操作系统

命令行运行：

sudo raspi-config

进行系统设置。选择Internationalisation Options–>Change Locale–>zh_CN.UTF-8–>OK，然后重启系统，设置为中文操作系统。

4 用电脑控制树莓派

4.1 SSH

Secure Shell(SSH)是Linux的一个功能可以使你从主机电脑上快速打开一个树莓派的终端会话。要使用SSH，首先需要打开它。最简单的方式是使用Raspi Config，目前的Raspbian系统已经默认打开SSH功能。

有网络连接的情况下，SSH是一个远程连接电脑的常用方式；可以在Secure Shell中使用可以在树莓派上执行的任何命令。同时，基于它的通信都是加密的。

该方式的缺陷是基于命令行而非图形界面。如果想要远程访问图形桌面环境，请参考下一节使用VNC。

windows系统使用SSH需要安装Putty以建立SSH会话。

putty下载地址：

http://pan.baidu.com/share/link?shareid=2217335081&uk=605377859

解压缩后运行putty.exe

putty基本设置里“连接类型”选择SSH，主机名称或IP地址填写树莓派的IP地址，点击“打开”。弹出命令行提示输入登录用户名，输入：pi，稍等提示输入密码，输入raspberry即可实现命令行远程控制树莓派。

4.2 VNC

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提示：2018.08.06升级系统及最新VNC连接方法，与老版本略有不同，如有需要请参考官方文档：

https://www.realvnc.com/en/connect/docs/raspberry-pi.html

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通过SSH只能使用命令行控制树莓派，而VNC可远程登录树莓派图形界面系统。VNC包括服务端(VNC server)和客户端(VNC viewer)

（1）安装服务端：tightvncserver

首先给树莓派安装VNC服务端，通过LX终端命令行安装tightvncserver：（此处为老版本操作，新版本参考上文官网连接）

sudo apt-get install tightvncserver

—————————————————– update 2018.08.06—————————————————-

请注意：上文为老版本的操作，2018年8月重装系统时，发现VNC新版安装方式如下：

sudo apt-get update
sudo apt-get install realvnc-vnc-server

打开VNC服务

sudo raspi-config

找到 Interfacing Options > VNC and select Yes.

————————————————————- end update —————————————————————

（2）树莓派启动服务端：tightvncserver

安装好tightvncserver服务端后，命令行启动服务端（此处为老版本操作，新版本参考上文官网连接）

sudo tightvncserver

启动服务端，第一次启动需要输入两次秘码，并确认是否使用只观察模式登录，可选择否。

启动后可以看到服务端已启动：New 'X' desktop is raspberrypi: 1，1为电脑登录时的端口号。也可以同时启动多个服务端，以不同编号区分。

（3）获取树莓派IP地址

获取树莓派的IP地址，在LX终端输入：

ifconfig

显示结果为192.168.0.112，就是我们之前设置的静态IP。如果没有设置静态IP，需要通过此步骤获取树莓派的IP用于客户端登录。

（4）电脑上安装客户端：VNC Viewer

在电脑上安装VNC客户端，有很多可选的软件，推荐RealVNC，连接稳定，下载地址：

http://www.realvnc.com

安装VNC Viewer后打开弹出如下对话框：

VNC Sever栏输入192.168.0.112:1（1为vnc服务端的端口号），点击连接，然后输入树莓派VNC服务端第一次启动时设置的登录密码完成登录。

（5）让树莓派开机启动VNCserver

以下是一个简单易行的开机启动VNCserver的方法。创建开机启动文件

cd /home/pi
cd .config
mkdir autostart
cd autostart
nano tightvnc.desktop

打开的文件中输入如下代码：

[Desktop Entry]
Type=Application
Name=tightVNC
Exec=vncserver :1
StartupNotify=false

重启树莓派

sudo reboot

这样每次通电开机，我们不需要外接屏幕也可以用电脑使用树莓派的静态IP和VNCserver端口1远程登录树莓派的图形界面系统了。

4.3 使用串口连接树莓派

如果没有网络环境又想使用电脑控制树莓派，可以通过串口线实现。

使用UBS转TTL线连接树莓派，连接图如下图所示：右下角GPIO接口倒数第5~第3个引脚，依次连接绿色、白色、黑色USB接线，红色为电源供电线，理论上可以接外侧倒数第1个引脚给树莓派供电，我测试了一下因功率不够导致树莓派无法启动。

打开putty，选择“串口”连接，端口为计算机分配给USB转TTL线的端口号，通过：计算机–右键–设备管理器–端口，查看串口号，本机为COM5，波特率填115200，点击putty对话框下方的“打开”按钮进行连接。

弹出的命令行连接窗口中输入pi，然后输入密码：raspberry，即可通过串口连接树莓派。

5 安装OpenCV及相关开发包

OpenCV的安装费了很大劲。网上有许多指南，尝试安装成功后，但树莓派中的Python2无法导入cv2库，也尝试了配置环境变量等方式仍然无法调用。后来按照书上方法一个个包安装才能与Pyhton配合使用。这里提供3个安装方法：官方安装指南，网上教程连接，以及我自己安装成功的方法。

5.1 OpenCV官方Linux系统安装指南

官方指南地址：

http://docs.opencv.org/2.4/doc/tutorials/introduction/linux_install/linux_install.html

（1）需要安装的包：Required Packages

GCC 4.4.x or later
CMake 2.6 or higher
Git
GTK+2.x or higher, including headers(libgtk2.0-dev)
pkg-config
Python 2.6 or later and Numpy 1.5 orlater with developer packages (python-dev, python-numpy)
ffmpeg or libav development packages:libavcodec-dev, libavformat-dev, libswscale-dev
[optional] libtbb2 libtbb-dev
[optional] libdc1394 2.x
[optional] libjpeg-dev, libpng-dev,libtiff-dev, libjasper-dev, libdc1394-22-dev

（2）安装方法

安装编译器：

sudoapt-get install build-essential

安装支持包：

sudoapt-get install cmake git libgtk2.0-dev pkg-config libavcodec-devlibavformat-dev libswscale-dev

安装可选包：

sudo apt-get install python-devpython-numpy libtbb2 libtbb-dev libjpeg-dev libpng-dev libtiff-devlibjasper-dev libdc1394-22-dev

（3）获取OpenCV源代码：Getting OpenCV Source Code

OpenCV下载地址：

方法1：

从上述地址下载OpenCV安装包(for Linux)，这里下载的是opencv-2.4.13.zip，通过U盘拷贝到raspberry pi的home/pi/文件夹，然后解压缩生成一个opencv-2.4.13文件夹。

方法2：

可以从树莓派直接用命令行下载，然后解压安装包

wget -O opencv-2.4.13.zip http://sourceforge.net/projects/opencvlibrary/files/opencv-unix/2.4.13/opencv-2.4.13.zip/download
unzip opencv-2.4.13.zip

总之，获取最新的稳定版OpenCV安装文件，并解压该安装文件。我下载的是opencv-2.4.13.zip，因为Python2

（4）命令行使用CMake编译OpenCV源文件

创建一个存放Makefiles、工程文件、目标文件和输出二进制文件的临时文件夹，这里用<cmake_binary_dir>表示，例如在解压后的opencv-2.4.13/文件夹中创建release文件夹，则<cmake_binary_dir>= opencv-2.4.13/release，例如命令行代码如下：

cd ~/opencv
mkdir release
cd release

命令行进入cd opencv-2.4.13/release文件夹，输入：

cmake [<some optional parameters>] <path to the OpenCV source directory>

例如：

cmake -D CMAKE_BUILD_TYPE=RELEASE -D CMAKE_INSTALL_PREFIX=/usr/local ..

命令行进入文件夹opencv-2.4.13/release文件夹，输入

<pre name="code" class="plain">make
sudo make install

完成编译和安装，此步骤耗时约6小时。

更新搜索动态链接库

sudo ldconfig

（5）测试安装

查看安装版本

pkg-config --modversion opencv

显示版本为我们下载安装的2.4.13版。

执行测试确认套件是否可运行

命令行进入/opencv-2.4.13/release/bin目录，输入

cd ~/opencv-2.4.13/release/bin
./opencv_test_core

显示测试安装的结果：

参考文章：

http://docs.opencv.org/2.4/doc/tutorials/introduction/linux_install/linux_install.html
http://www.raspberries.tw/post/49782936305/raspberrypi-build-opencv-with-xwindow#_=_
http://blog.csdn.net/xukai871105/article/details/40988101
https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?f=63&t=80601

5.2 源码包方式安装OpenCV

通过上一节的方法安装的OpenCV不能被Python调用，按网上的方法定义了环境变量还是不行。于是找到了一本老外的书上介绍的方法，比较简洁，装好后终于可以正常被python调用了。这里将此提供给大家，供参考：

（1）更新Advanced Package Tool (apt)

apt是一个在Debian系统中用于安装和卸载软件的工具，我们用它来更新Pi上的软件

sudoapt-get update

（2）更新已安装软件

sudo apt-get upgrade

（3）更新固件

sudo rpi-update

（4）安装OpenCV必要的包和依赖项

sudo apt-get install <package-name>

<package-name>如下表所示


libopencv-dev	libpng3	libdc1394-22-dev
build-essential	libpnglite-dev	libdc1394-22
libavformat-dev	zlib1g-dbg	libdc1394-utils
x264	zlib1g	libv4l-0
v4l-utils	zlib1g-dev	libv4l-dev
ffmpeg	pngtools	libpython2.7
libcv2.4	libtiff4-dev	python-dev
libcvaux2.3	libtiff4	python2.7-dev
libhighgui2.4	libtiffxx0c2	libgtk2.0-dev
python-opencv	libtiff-tools	libpngwriter0-dev
opencv-doc	libjpeg8	libpngwriter0c2
libcv-dev	libjpeg8-dev	libswscale-dev
libcvaux-dev	libjpeg8-dbg	libjpeg-dev
libhighgui-dev	libavcodec-dev	libwebp-dev
python-numpy	libavcodec53	libpng-dev
python-scipy	libavformat53	libtiff5-dev
python-matplotlib	libgstreamer0.10-0-dbg	libjasper-dev
python-pandas	libgstreamer0.10-0	libopenexr-dev
python-nose	libgstreamer0.10-dev	libgdal-dev
libeigen3-dev	libxine1-ffmpeg	python-tk
libgtkglext1-dev	libxine-dev	python3-dev
libpng12-0	libxine1-bin	python3-tk
libpng12-dev	libunicap2	python3-numpy
libpng++-dev	libunicap2-dev

是的，就这么多 -_-

（5）安装OpenCV

上述步骤安装好所有包后，安装OpenCV

sudo apt-get install python-opencv

注意这是给Pyhton安装opencv最简单的方法，但缺点是不一定是最新的OpenCV版本。写本文时，用此方法安装的是2.4.9版。

现在终于可以在树莓派上的Python中使用OpenCV了，打开Pyhton测试一下安装版本：

<pre name="code" class="python"><<<import cv2
<<<cv2.__version__
<<<'2.4.9.1'

6 备份SD卡

如果经过半天折腾完成了Pi的机器视觉编程环境搭建，担心出问题要重装的话，可以选择使用以下方法备份SD卡，它只备份SD卡使用到的空间，而非整个SD卡。

此方法参考文章

http://www.fendou.info/raspberry-pi-sd-card-backup-and-recovery/comment-page-1/
http://www.littledai.com/20140527/000753/3196

6.1 安装需要的软件

dosfstools：fat32分区格式化工具
dump：dump& restore 备份工具
parted & kpartx：虚拟磁盘工具

sudo apt-get install dosfstools
sudo apt-get install dump
sudo apt-get install parted
sudo apt-get install kpartx

6.2 生成新的img文件

先使用df-h命令查看下树莓派实际使用空间然后在决定生成文件大小，只需看root后占用的空间，这里已经使用6.7G。

下面命令生成块大小为1MB，总大小为7500MB的镜像文件

sudo dd if=/dev/zero of=raspberrypi.img bs=1MB count=7500

6.3 分割虚拟磁盘

利用parted将刚才生成的虚拟盘分割成两个分区

第一个分割区采用FAT32格式，由sector 8192开始到sector 12879，约62.9MB
第二个分割区采用EXT4，由sector 122880开始到结束。

sudo parted raspberrypi.img --script -- mklabel msdos
sudo parted raspberrypi.img --script -- mkpart primary fat32 8192s 122879s
sudo parted raspberrypi.img --script -- mkpart primary ext4 122880s -1

6.4 挂载虚拟磁盘并格式化

loopdevice：执行 losetup连接 img文件的 loop device

device：执行完 kpartx后，虚拟磁盘代号。

partBoot：由 device加上 p1组合而成的 FAT32虚拟磁盘分区。

partRoot：由 device加上 p2组合而成的 EXT4 虚拟磁盘分区。

loopdevice=`sudo losetup -f --show raspberrypi.img`
device=`sudo kpartx -va $loopdevice | sed -E 's/.*(loop[0-9])p.*/\\1/g' | head -1`
device="/dev/mapper/${device}"
partBoot="${device}p1"
partRoot="${device}p2"

格式化虚拟磁盘分区

sudo mkfs.vfat $partBoot
sudo mkfs.ext4 $partRoot

6.5 开始备份

fat32虚拟磁盘分区建立好后直接用cp命令备份文件

sudo mount -t vfat $partBoot /media
sudo cp -rfp /boot/* /media/
sudo umount /media

ext4linux虚拟磁盘分区用dump & restore备份

sudo mount -t ext4 $partRoot /media/
cd /media
sudo dump -0uaf - / |  sudo restore -rf -
cd
sudo umount /media

6.5 卸载虚拟磁盘

sudo kpartx -d $loopdevice
sudo losetup -d $loopdevice

经过以上六步树莓派中的数据文件就全部备份到raspberrypi.img中了，你既可以在Windows中用Win32DiskImager将镜像恢复到SD卡，也可以在Linux用dd还原到SD卡，而且不要求恢复SD卡的大小跟原来的一样，这样就可以很方便的更换SD卡。在home/pi目录下生成了一个raspberrypi.img的备份文件如下：

6.6 一键备份设置

创建一个脚本文件，保存在任意位置（如home/pi/backup），任意文件名（如backup.sh）

cd backup
sudo nano backup.sh

向打开的文件中拷贝内容如下：

#!/bin/sh
sudo dd if=/dev/zero of=raspberrypi.img bs=1MB count=7500
sudo parted raspberrypi.img --script -- mklabel msdos
sudo parted raspberrypi.img --script -- mkpart primary fat32 8192s 122879s
sudo parted raspberrypi.img --script -- mkpart primary ext4 122880s -1
 
loopdevice=`sudo losetup -f --show raspberrypi.img`
device=`sudo kpartx -va $loopdevice | sed -E 's/.*(loop[0-9])p.*/\\1/g' | head -1`
device="/dev/mapper/${device}"
partBoot="${device}p1"
partRoot="${device}p2"
sudo mkfs.vfat $partBoot
sudo mkfs.ext4 $partRoot
sudo mount -t vfat $partBoot /media
sudo cp -rfp /boot/* /media/
sudo umount /media
sudo mount -t ext4 $partRoot /media/
cd /media
sudo dump -0uaf - / | sudo restore -rf -
cd
sudo umount /media
sudo kpartx -d $loopdevice
sudo losetup -d $loopdevice

按Ctrl+O保存文件，Ctrl+x退出，需要备份时可执行：