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使用 USB 攝影機與 Raspberry Pi 的基本考量
創建於 08.22
樹莓派，由於其緊湊的尺寸和多功能性，已成為各種項目的首選平台，從家庭監控系統到機器人和圖像處理實驗。與之一起使用的一個常見配件是USB 相機，這為這些項目增添了視覺維度。然而，為了確保順利和成功的體驗，在使用時有幾個關鍵考量需要記住。USB 相機 with a Raspberry Pi.
相容性檢查
首先，兼容性至关重要——它的范围远不止于简单的“工作或不工作”的二元选择。树莓派的基于Linux的生态系统（主要是树莓派操作系统）依赖于内核级驱动程序与USB摄像头进行通信，因此驱动程序支持是兼容性的基础。与Windows或macOS上的即插即用设置不同，即使是流行的摄像头，如果其底层硬件缺乏Linux内核支持，也可能无法正常工作。
在這個問題的核心是相機的芯片組——處理影像處理和 USB 通信的集成電路。許多預算相機使用通用或不太知名的芯片組（例如，一些來自無品牌製造商的型號），這些芯片組缺乏開源的 Linux 驅動程序。相比之下，圍繞廣泛採用的芯片組（如 OmniVision、Sony 或 Realtek 的芯片組）構建的相機，通常在 Raspberry Pi OS 核心中包含預編譯的驅動程序。例如，Logitech 的 C920 和 C270 型號之所以受歡迎，正是因為它們的芯片組（OmniVision OV2710 和類似型號）長期以來一直受到 Linux 核心的支持。
The Raspberry Pi Foundation’s official documentation and community-driven resources like the eLinux wiki or Raspberry Pi Forum maintain updated lists of verified working cameras. These lists are invaluable because they account for real-world testing across different Pi models (e.g., Pi 4 vs. Pi Zero) and OS versions. For instance, a camera that works flawlessly on a Pi 4 with 4GB RAM might struggle on a Pi Zero W due to hardware limitations, even if the driver is technically compatible.
USB 版本相容性是另一個微妙的因素。雖然 USB 3.0 攝影機向下相容於 USB 2.0 埠，但它們通常默認為較低的解析度（例如，720p 而不是 4K），以符合 USB 2.0 的 480Mbps 帶寬限制。相反，連接到 Pi 4 或 Pi 5 的 USB 3.0 埠的 USB 2.0 攝影機不會看到性能提升，因為它們的硬體限制在 USB 2.0 的速度。這對於需要高幀率（例如，60fps 在 1080p）或低延遲的項目很重要——選擇一個與您的 Pi 的 USB 能力相匹配的攝影機可以防止在未使用的功能上浪費投資。
此外，攝影機的功能可能會引入相容性問題。具有內建麥克風、平移-傾斜-變焦（PTZ）控制或紅外線（IR）切割濾鏡的攝影機可能需要額外的驅動程式才能完全運作。例如，攝影機的麥克風可能可以即插即用，但其PTZ控制可能依賴於不支援Linux的專有軟體。檢查社區論壇上用戶對特定功能的報告，通常比單靠信任製造商的規格更可靠。
最後，操作系統更新可能會影響相容性。Raspberry Pi OS中的核心更新有時會棄用舊驅動程式或引入新驅動程式，這就是為什麼在舊的操作系統版本（例如，Buster）上運行的相機在升級到Bookworm後可能會失效。為了減輕這種情況，使用者在更新之前應檢查核心相容性說明，或者在使用專用硬體時謹慎使用像rpi-update這樣的工具。
電源要求
樹莓派透過其USB端口的電力輸出有限。大多數USB攝像頭從USB端口獲取電力，如果攝像頭消耗的電力過多，可能會導致不穩定的操作、無法識別攝像頭，甚至損壞樹莓派。
檢查 USB 攝影機的電力需求是至關重要的。具有內建麥克風、高解析度感應器或額外功能（如紅外 LED）的攝影機通常會消耗更多電力。如果攝影機的電力消耗較高，使用有電源的 USB 集線器是一個不錯的解決方案。有電源的集線器提供自己的電源供應，減輕 Raspberry Pi 提供過多電力的負擔，並確保攝影機獲得穩定的電源。
實體連接和處理
適當的物理連接也很重要。當插入 USB 攝像頭時，確保連接穩固。鬆動的連接可能導致攝像頭間歇性識別或甚至完全失效。避免過度彎曲或扭曲 USB 線，因為這可能會隨著時間損壞電纜或連接器。
如果您在涉及運動或振動的項目中使用 Raspberry Pi，請考慮將相機和 USB 線纜固定，以防止意外斷開連接。例如，使用束線帶或將相機安裝在固定位置可以幫助保持穩定的連接。
軟件配置和測試
一旦硬體正確設置，就該配置軟體了。Raspberry Pi OS 通常內建許多 USB 攝影機的驅動程式，但在某些情況下，您可能需要安裝額外的軟體或配置某些設置。
一個好的起點是檢查系統是否識別相機。您可以通過打開終端並運行命令 lsusb 來做到這一點。此命令列出所有連接到 Raspberry Pi 的 USB 設備，您應該在這裡看到您的相機。如果相機未列出，請仔細檢查物理連接並嘗試不同的 USB 埠。
接下來，您可以使用軟體工具測試相機。一個受歡迎的工具是 fswebcam，它允許您從相機捕獲圖像。您可以通過在終端中運行 sudo apt-get install fswebcam 來安裝它。安裝完成後，您可以使用命令 fswebcam image.jpg 捕獲圖像。如果圖像成功捕獲，則相機運行正常。
對於視頻串流，可以使用像 motion 或 ffmpeg 這樣的工具。motion 是一種運動檢測軟件，也可以通過網絡串流視頻。安裝 motion 的方法是使用 sudo apt-get install motion，然後可以通過編輯其配置文件來配置它開始串流。
重要的是要注意，某些相機可能需要特定的設置或驅動程序才能與某些軟件一起使用。如果您遇到問題，請檢查您的相機和您正在使用的軟件的文檔，以獲取任何特殊的配置說明。
性能考量
USB 相機在 Raspberry Pi 上的性能可能會受到幾個因素的影響。相機的解析度和幀率是關鍵因素。更高的解析度和幀率需要更多的處理能力和帶寬，這可能會對 Raspberry Pi 造成壓力，特別是舊型號。
如果您遇到延遲或性能不佳的情況，請嘗試降低相機的解析度或幀率。這通常可以通過您用來訪問相機的軟件來完成。例如，在 fswebcam 中，您可以使用 -r 選項指定解析度，例如 fswebcam -r 640x480 image.jpg。
另一個因素是連接到 Raspberry Pi 的其他 USB 設備的數量。每個 USB 設備都會消耗帶寬，連接多個設備可能會降低相機的性能。如果可能，使用相機時請限制其他 USB 設備的數量，特別是如果它們是像外部硬碟這樣的高帶寬設備。
過熱和環境因素
樹莓派在運行過程中可能會產生熱量，特別是在執行資源密集型任務時，例如處理來自 USB 攝像頭的視頻。過熱可能會導致樹莓派降低性能，甚至關閉以保護自己。為了防止這種情況，確保樹莓派得到適當的冷卻。這可以通過使用散熱器、風扇或將樹莓派放置在通風良好的區域來實現。
相機使用的環境也會影響其性能。USB 相機對光線敏感，因此請確保相機放置的區域有足夠的照明以滿足您的需求。極端的溫度、濕度或灰塵也可能損壞相機或影響其功能，因此請盡量將相機放在合適的環境中。
故障排除常見問題
即使在適當的設置下，使用 USB 攝像頭與 Raspberry Pi 時，您可能會遇到問題。以下是一些常見問題及其解決方案：
• 相機未被識別：檢查 USB 連接，嘗試不同的端口，確保相機兼容，並確保電源供應充足（如有需要，使用帶電源的集線器）。
• 影像或視頻質量差：調整燈光、清潔相機鏡頭、降低解析度或幀率，或檢查可能影響質量的軟件設置。
• 間歇性連接：確保 USB 線纜穩固，檢查是否有鬆動的連接，或嘗試使用不同的線纜。
• 軟件崩潰或錯誤：更新 Raspberry Pi 操作系統和您正在使用的軟件，檢查驅動程序更新，或嘗試不同的軟件工具。
透過考慮這些因素，您可以在使用 USB 攝像頭與 Raspberry Pi 時最大化其性能和可靠性。無論您是在構建家庭安全系統、機器人項目，還是僅僅在實驗計算機視覺，正確設置的 USB 攝像頭都可以為您的 Raspberry Pi 項目增添全新的功能層次。
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