使用V851se視覺開發板制作超低成本的小相機

用39塊錢的V851se視覺開發板做了個小相機。

可以進行物品識別、自動追焦！

我和我的小伙伴都饞哭了！

這個超低成本的小相機是在V851se上移植使用全志在線開源版本的Tina Linux與OpenCV框架開啟攝像頭拍照捕獲視頻，并結合NPU實現Mobilenet v2目標分類識別以及運動追蹤等功能......并最終實現功能完整的智能小相機。

ISP適配

可以適配V851se的Tina5.0升級到了21.05版本的OpenWrt，相較于商業量產版本的Tina Linux 支持更多新的軟件包，不過可惜的是MPP包沒有移植到Tina5.0，所以想使用攝像頭就需要另辟蹊徑。

雖然Tina5.0并沒有移植MPP包，但也內置了一個libAWispApi包，支持在用戶層對接 ISP，但是很可惜這個包也沒有適配V85x系列，這里就需要自行適配。

其實適配很簡單，SDK 已經提供了lib只是沒提供編譯支持，我們需要前往以下文件夾中新建一個v851se文件夾：

openwrt/package/allwinner/vision/libAWIspApi/machinfo

然后再新建文件build.mk寫入如下配置：

ISP_DIR:=isp600

然后在menuconfig中勾選上這個包，并進行如下配置：

Allwinner --->
 Vision --->
  <*> camerademo........................................ camerademo test sensor --->
   [*]  Enabel vin isp support

編譯系統然后燒錄系統，運行命令camerademo，可以看到是正常拍攝照片的

OpenCV適配

* OpenCV在打包好的固件中已經默認適配好了，如果不想了解如何適配OpenCV可以直接前往文末【閱讀原文】獲取資料并跳過這部分

OpenCV默認不支持開啟RAW Sensor，不過現在需要配置為OpenCV開啟RAW Sensor抓圖，然后通過OpenCV送圖到之前適配的libAWispApi庫進行 ISP 處理。

在這里增加一個函數作為 RAW Sensor 抓圖的處理。

#ifdef __USE_VIN_ISP__
bool CvCaptureCAM_V4L::RAWSensor()
{
  struct v4l2_control ctrl;
  struct v4l2_queryctrl qc_ctrl;


  memset(&ctrl, 0, sizeof(struct v4l2_control));
  memset(&qc_ctrl, 0, sizeof(struct v4l2_queryctrl));
  ctrl.id = V4L2_CID_SENSOR_TYPE;
  qc_ctrl.id = V4L2_CID_SENSOR_TYPE;


  if (-1 == ioctl (deviceHandle, VIDIOC_QUERYCTRL, &qc_ctrl)){
    fprintf(stderr, "V4L2: %s QUERY V4L2_CID_SENSOR_TYPE failed
", deviceName.c_str());
    return false;
  }


  if (-1 == ioctl(deviceHandle, VIDIOC_G_CTRL, &ctrl)) {
    fprintf(stderr, "V4L2: %s G_CTRL V4L2_CID_SENSOR_TYPE failed
", deviceName.c_str());
    return false;
  }


  return ctrl.value == V4L2_SENSOR_TYPE_RAW;
}
#endif

這段代碼的功能是檢查V4L2攝像頭設備的傳感器類型是否為RAW格式。它使用了V4L2的ioctl函數來查詢和獲取傳感器類型信息。

然后在OpenCV的捕獲流函數：

bool CvCaptureCAM_V4L::streaming(bool startStream)

添加 ISP 處理

#ifdef __USE_VIN_ISP__
 RawSensor = RAWSensor();


 if (startStream && RawSensor) {
  int VideoIndex = -1;


  sscanf(deviceName.c_str(), "/dev/video%d", &VideoIndex);


  IspPort = CreateAWIspApi();
  IspId = -1;
  IspId = IspPort->ispGetIspId(VideoIndex);
  if (IspId >= 0)
   IspPort->ispStart(IspId);
 } else if (RawSensor && IspId >= 0 && IspPort) {
  IspPort->ispStop(IspId);
  DestroyAWIspApi(IspPort);
  IspPort = NULL;
  IspId = -1;
 }
#endif

這段代碼主要用于控制圖像信號處理（ISP）的啟動和停止。根據條件的不同，可以選擇在開始視頻流捕獲時啟動ISP流處理，或者在停止視頻流捕獲時停止ISP流處理，以便對視頻數據進行處理和增強。

至于其他包括編譯腳本的修改，全局變量定義等操作，可以參考原文鏈接中的補丁文件。

在執行完以上步驟后，可以快速測試攝像頭輸出demo：

OpenCV --->
 <*> opencv....................................................... opencv libs
 [*]  Enabel sunxi vin isp support
 <*> opencv_camera.............................opencv_camera and display image

MobileNet V2

MobileNet V2是一種輕量級的卷積神經網絡，它專為移動設備和嵌入式設備上的實時圖像分類和目標檢測任務設計。

MobileNet V2的關鍵特點包括使用深度可分離卷積來減少計算量和參數數量，引入帶線性瓶頸的倒殘差結構以增加非線性表示能力，以及提供寬度乘數參數以適應不同計算資源限制。這些特點使得MobileNet V2成為資源受限的移動設備上的理想選擇。

首先對輸入圖像進行預處理，以適應MobileNet V2 SSD模型的輸入要求。通過通道格式轉換、圖像大小調整和數據填充等操作，將輸入圖像轉換為適合模型輸入的格式。

void get_input_data(const cv::Mat& sample, uint8_t* input_data, int input_h, int input_w, const float* mean, const float* scale){
  cv::Mat img;
  if (sample.channels() == 1)
    cv::cvtColor(sample, img, cv::COLOR_GRAY2RGB);
  else
    cv::cvtColor(sample, img, cv::COLOR_BGR2RGB);
  cv::resize(img, img, cv::Size(input_h, input_w));
  uint8_t* img_data = img.data;
  /* nhwc to nchw */
  for (int h = 0; h < input_h; h++) {
 ? ? ? ?for (int w = 0; w < input_w; w++) {
 ? ? ? ? ? ?for (int c = 0; c < 3; c++) {
 ? ? ? ? ? ? ? ?int in_index = h * input_w * 3 + w * 3 + c;
 ? ? ? ? ? ? ? ?int out_index = c * input_h * input_w + h * input_w + w;
 ? ? ? ? ? ? ? ?input_data[out_index] = (uint8_t)(img_data[in_index]); ?//uint8

關鍵步驟是要實現非極大值抑制算法(NMS)，用于去除高度重疊的框，只保留得分最高的那個框。算法通過計算框之間的交集面積和設置的閾值來進行篩選，并將保留的框的索引存儲在picked向量中。

// 非極大值抑制算法（NMS）
static void nms_sorted_bboxes(const std::vector& bboxs, std::vector& picked, float nms_threshold) {
  picked.clear();
  const int n = bboxs.size();
  
  // 創建存儲每個框面積的向量
  std::vector areas(n);
  
  // 計算每個框的面積并存儲
  for (int i = 0; i < n; i++){
 ? ? ? ?areas[i] = (bboxs[i].xmax - bboxs[i].xmin) * (bboxs[i].ymax - bboxs[i].ymin);

通過一系列操作，包括轉換為向量、計算縮放比例、創建存儲檢測結果的向量等，將輸出數據轉換為檢測結果，并按照置信度從高到低排序。然后應用非極大值抑制算法對檢測結果進行篩選，最后將篩選后的目標框位置、大小和類別置信度等信息繪制在圖像上。

// 按照分數對框進行排序
  std::sort(BBox.begin(), BBox.end(), comp);


  // 應用非極大值抑制算法，獲取保留的框的索引
  std::vector keep_index;
  nms_sorted_bboxes(BBox, keep_index, iou_threshold);


  // 創建存儲框位置的向量
  std::vector bbox_per_frame;


  // 遍歷保留的框，繪制框和標簽
  for(int i = 0; i < keep_index.size(); i++) {
 ? ? ? ?int left = BBox[keep_index[i]].xmin;
 ? ? ? ?int top = BBox[keep_index[i]].ymin;
 ? ? ? ?int right = BBox[keep_index[i]].xmax;
 ? ? ? ?int bottom = BBox[keep_index[i]].ymax;
 ? ? ? ?cv::rectangle(bgr, cv::Point(left, top), cv::Point(right, bottom), cv::Scalar(0, 0, 255), 1);
 ? ? ? ?char text[256];
 ? ? ? ?sprintf(text, "%s %.1f%%", class_names[BBox[keep_index[i]].cls_idx], BBox[keep_index[i]].score * 100);
 ? ? ? ?cv::putText(bgr, text, cv::Point(left, top), cv::FONT_HERSHEY_COMPLEX, 1, cv::Scalar(0, 255, 255), 1, 8, 0);
 ? ? ? ?bbox_per_frame.emplace_back(left, top, width, height);
 ? ?}

NPU開發流程

V851se芯片內置一顆NPU，其處理性能為最大0.5TOPS并有128KB內部高速緩存用于高速數據交換，NPU 開發完整的流程如下圖所示：

模型訓練

在模型訓練階段，用戶根據需求和實際情況選擇合適的框架（如Caffe、TensorFlow 等）使用數據集進行訓練得到符合需求的模型，此模型可稱為預訓練模型。也可直接使用已經訓練好的模型。V851s 的 NPU 支持包括分類、檢測、跟蹤、人臉、姿態估計、分割、深度、語音、像素處理等各個場景90 多個公開模型。

signal函數

在模型轉化階段，通過Acuity Toolkit把預訓練模型和少量訓練數據轉換為NPU可用的模型NBG文件。一般步驟如下：

模型導入，生成網絡結構文件、網絡權重文件、輸入描述文件和輸出描述文件。

模型量化，生成量化描述文件和熵值文件，可改用不同的量化方式。

仿真推理，可逐一對比float和其他量化精度的仿真結果的相似度，評估量化后的精度是否滿足要求。

模型導出，生成端側代碼和*.nb 文件，可編輯輸出描述文件的配置，配置是否添加后處理節點等。

審核編輯：湯梓紅