HeadLess環境のRaspberryPi Zero WHで顔検出が出来るまで

目標

RaspberryPi Zero WHをPCとUSBケーブルで接続し、セットアップします。
OpenCVとRasPiカメラを使って顔検出ができるまでの手順を説明します。

環境（2020/09/06現在）

・RaspberryPi Zero WH（Wifiは使わないのでZeroでもOKです）
・PC（記事ではWin10マシンです）
・RaspberyPi Camera
・MicroUSBケーブル
・MicroSDカード（8GB以上　記事では32GBを使用）
・RasoberryPi OS （2020/08/20版）

OSのインストールとセットアップ

OSのインストール

Raspberry Pi OSはRaspberry Pi Imagerを利用すると簡単にインストールできます。

標準ではデスクトップ版がインストールされます。

セットアップ

書き込みが完了後SDカードを一旦取り外して再度マウントします。

SDカードを開いてファイルを編集します。

config.txtファイル

config.txtファイルの最終行に以下の文を追加します。

config.txt

dtoverlay=dwc2

cmdline.txtファイル

cmdline.txtに次の文を追加します。
文中の「rootwait」と「quiet」の間に「modules-load=dwc2,g_ether」を追加します。

cmdline.txt

console=serial0,115200 console=tty1 root=PARTUUID=58ce116e-02 rootfstype=ext4 elevator=deadline fsck.repair=yes rootwait modules-load=dwc2,g_ether quiet init=/usr/lib/raspi-config/init_resize.sh splash plymouth.ignore-serial-consoles

sshファイルの追加

Bootパーティションに「ssh」というファイルを作成してください。
エクスプローラーでBootパーティションを開き、右クリック>新規作成>テキストドキュメントで「新しいテキストドキュメント.txt」を作成してから、ファイル名を「ssh」に変更します。この時拡張子「.txt」は付けないようにしてください。

ここまでがPC上で行うセットアップになります。
次はSDカードをRaspberry Pi Zeroに挿してからPCとUSBケーブルで接続しましょう。カメラも忘れずに接続してください。

ドライバーのインストール

PCとRaspberry Pi Zeroを接続するとデバイスマネージャー上にUSBシリアルデバイスが現れます。

このままではRaspberry Pi Zeroと通信できないので、PCからRaspberry Pi Zeroをネットワークデバイスとして認識するためのドライバーを次のリンクからダウンロードし、解凍しておきます。

RPI Driver OTG

デバイスマネージャー上のUSBシリアルデバイスを右クリックしてドライバーの更新を選びます。

「コンピューターを参照してドライバーソフトウェアを検索」を選択して、先ほど解凍したフォルダを参照して次へをクリックします。

インストールに成功すると次のようになります。

デバイスマネージャーのネットワークアダプタ上に「USB Ethernet/RNDIS Gadget」が現れます。

これでターミナルプログラムからSSHでアクセスできるようになります。

Raspberry Pi Zero上のセットアップ

お好きなターミナルソフト（筆者はWindowsTerminalを使っています）を起動し、Raspberry Pi ZeroにSSHで接続します。

> ssh [e-mail]

一番最初の接続時には接続を続けるかどうか確認してくるので「yes」と入力します。

続いてパスワードの入力が必要になるので初期パスワード「raspberry」と入力します。

Raspberry Pi Zeroにログインできました。

Raspberry Pi Zeroをインターネットに接続できるようにする

今の状態ではPCからRaspberry Pi Zeroにはアクセスできるのですが、Raspberry Pi Zeroからはインターネットにアクセスすることはできません。（Wifiをセットアップすれば可能ですが、今回は別の方法で接続します。）
Raspberry Pi Zeroをインターネットに接続するためにPCのネットワーク共有機能を使います。
PCの「ネットワークとインターネットの設定」を開きます。

「アダプターのオプションを変更する」をクリックします。

PC上のインターネットに接続しているアダプターのプロパティを開きます。

共有タブを選択し、「ネットワークの他のユーザーに、このコンピューターのインターネット接続をとおしての接続を許可する」にチェックを入れます。

「ホームネットワーク接続」が表示されている場合はRaspberry Pi Zeroを認識しているアダプター（上の図の場合は「イーサネット5」）を選択します。
「OK」をクリックして設定を終了します。
これでRaspberry Pi ZeroはPCを経由してインターネットに接続できるようになりました。

raspi-configを使って設定

ターミナル上でRasberry Pi Zeroの設定を行います。

次のコマンドを入力します。

$ sudo raspi-config

5番目のメニューを選択します。

「P1 Camera」を選択します。

「yes」を選んでカメラを有効にします。

「Ok」を選びます。

もう一度5番目のメニューを選び、続いて「P3 VNC」を選択します。

「yes」を選択します。

「Ok」を選びます。

次は7番目のメニューを選びます。

「A5 Resolution」を選びます。

VNC接続時の解像度を選択します。（筆者はDMT Mode 85を選びました。）

「Ok」を選びます。

最初のメニューに戻るので「finish」を選択します。

設定を反映するために再起動をします。「Yes」を選びます。

Raspberry Pii Zeroが再起動するので、SSH接続は切断されます。

VNC Serverの設定

再びターミナルからRaspberry Pi Zeroに接続します。
VNC Serverの設定を変更します。次のファイルを編集します。
「/root/.vnc/config.d/vncserver-x11」

$ sudo nano /root/.vnc/config.d/vncserver-x11

ファイルの最後の行に「Authentication=VncAuth」と追加して保存します。

設定を反映するために一度リブートしておきます。
起動後ターミナルで接続しなおします。

次のコマンドでVNC接続のパスワードを設定します。

$ sudo vncpasswd -service

以上の設定でVNCを使ってデスクトップにアクセスできるようになりました。
お好きなVNCViewerで接続してください。
筆者はRealVNCを使用しています。

カメラの接続確認

次のコマンドでカメラが認識されているかどうか確認ができます。

$ vcgencmd get_camera
supported=1 detected=1
$

「supported=1 detected=1」と表示されたら正しく認識されています。「detected=0」の場合は接続がおかしい可能性があるのでケーブルがちゃんと接続されているか確認しましょう。

プログラム

ソフトウェアのアップデート

次のコマンドでソフトウェアのアップデートをしておきます。

$ sudo apt update
$ sudo apt upgrade

ソフトウェアのアップデートは時間がかかる場合があります。

スワップファイルの拡張

初期のスワップファイルの設定は小さいのでサイズを変更します。
「/etc/dphys-swapfile」を編集します。

$ sudo nano /etc/dphys-swapfile

「CONF_SWAPSIZE=100」を「CONF_SWAPSIZE=2048」に変更して保存します。
設定を反映するために再起動しておきます。

OpenCVのインストール

Python用のOpenCVパッケージのインストールを行います。
事前に必要なモジュールのインストールを行います。

$ sudo apt install libqt4-test libqtgui4 libjasper1 libatlas-base-dev libhdf5-dev

次にOpenCVのインストールですが、最新版はビルドパッケージでの配布のためインストールに時間がかかるため（時間がかかりすぎたので最後まで確認できていません。）ひとつ前のバージョンを指定してインストールします。

$ sudo pip3 install opencv-python==4.1.1.26

このバージョンはこのままだとエラーで利用できないので次の設定を行います。
/home/pi/.bashrcファイルの最後の行に次の文を追加します。

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

設定を反映させるために再起動します。

OpenCVがインストールできたか次のコマンドで確認します。
Python3をインタラクティブモードで起動します。

>>> import cv2
>>> cv2.__version__
'4.1.1'
>>>

エラー表示がなければ正常にインストールされています。

顔検出プログラム

OpenCVをインストールした際に顔検出を行うためのモジュールが用意されています。
それを使ってRasPiカメラに映った顔を検出するプログラムを試してみましょう。

ホームディレクトリ（/home/pi）に次のプログラムコードを入力して保存します。ファイル名は「face_detect.py」としています。

face_detect.py

import numpy as np
import cv2

faceCascade=cv2.CascadeClassifier('/usr/local/lib/python3.7/dist-packages/cv2/data/haarcascade_frontalface_default.xml')

cap=cv2.VideoCapture(0)
cap.set(3,320)
cap.set(4,240)

while True:
    ret,img=cap.read()

    gray=cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2GRAY)

    faces=faceCascade.detectMultiScale(
        gray,scaleFactor=1.2,
        minNeighbors=5,
        minSize=(20,20)
    )

    for (x,y,w,h) in faces:
        cv2.rectangle(img,(x,y),(x+w,y+h),(255,0,0),2)
        roi_gray=gray[y:y+h,x:x+w]
        roi_color=img[y:y+h,x:x+w]

    cv2.imshow('video',img)

    k=cv2.waitKey(1) & 0xFF
    if k==ord('q'):
        break

cap.release()
cv2.destroyAllWindows()

保存したら、VNCでデスクトップに接続しましょう。
デスクトップ上でターミナルを開き、プログラムを実行します。

$ python3 face_detect.py

カメラ画像のウィンドウが開きますので、顔を映してみましょう。
顔を検出すると青色の矩形で囲まれます。
Raspberry Pi Zeroなので動作は速くはないですが、顔検出をすることができました。

以上　HeadLess接続のRaspberry Pi Zeroで顔検出を行うまでの手順でした。

VNCの設定ができてしまえば、いつでもHeadless環境で動作させることができますね。

参考記事

USB 1本とSDカードライタだけでできるUSB OTGを用いたRapsberry Pi Zero WH のセットアップ
メモ:　RaspberryPi（Buster）にOpenCVをインストール