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Do, 21. Juli 2011, 15:00

Webcambilder einlesen und bearbeiten mit Python und OpenCV

Mit Python Webcambilder einlesen und bearbeiten, das ist einfacher als man denkt. Wer die Python-Kurse in den vergangenen Ausgaben von freiesMagazin verfolgt hat, dem wird es leicht fallen, die nachfolgend gezeigten Beispiele nachzuvollziehen und für die eigenen Bedürfnisse anzupassen und zu verbessern. Zunächst soll gezeigt werden, wie man ein Livebild am Bildschirm ausgibt. Anschließend folgt dann ein kleines Programm für die Videoüberwachung, das immer dann den Videostream abspeichert, wenn im Bild eine Bewegung festgestellt wird. Genutzt wird bei beiden Beispielen eine Programmbibliothek, mit der man viel mehr tun kann, als nur Webcambilder aufzeichnen: OpenCV.

Einleitung

OpenCV (Open Source Computer Vision) ist eine von Intel ins Leben gerufene Programmbibliothek, die Funktionen zum Einlesen von Kamerabildern für die Livebild-Manipulation, sowie für Objekterkennung und Objektverfolgung enthält. Über 2000 verschiedene, optimierte Algorithmen sind inzwischen verfügbar. Geschrieben wurde OpenCV in C und C++, aber es gibt auch eine Schnittstelle zu Python, welche die Programmierung besonders einfach und übersichtlich macht. Ein Abstecher auf die OpenCV-Projektseite lohnt sich auf jeden Fall. Auch auf YouTube findet man Beispielvideos, welche die Möglichkeiten von OpenCV eindrucksvoll demonstrieren.

Vorbereitung

Zunächst muss man das Paket python-opencv über die Paketverwaltung installieren. Eigene Versuche haben gezeigt, dass es bei Version 2.0 des OpenCV-Moduls, das noch in den Paketquellen von Ubuntu 10.04 LTS enthalten ist, zu einem Fehler beim Import des cv-Moduls kommt (»ImportError: No module named cv«). Eine Lösung des Problems ist in der OpenCV-Installationsanleitung beschrieben. Ab Ubuntu 10.10 gibt es keine Probleme mehr.

Livebild am Bildschirm anzeigen

Das folgende kleine Programm öffnet ein Fenster am Bildschirm und gibt das aktuelle Livebild aus. Durch Drücken der Taste »Q« wird das Programm wieder beendet.

#! /usr/bin/python
# -*- coding: utf-8 -*-
# Livebild ausgeben
# Autor: Wolfgang Wagner
# Datum: 18.05.2011

import cv

KAMERA_NR = 0

cam = cv.CaptureFromCAM(KAMERA_NR)
taste = 0
while taste <> ord("q"):
    bild = cv.QueryFrame(cam)
    cv.ShowImage("Livebild", bild)
    taste = cv.WaitKey(2)

Listing: webcam.py

Das Programm beginnt mit dem Import des OpenCV-Moduls in der Zeile import cv. Danach erfolgt die Initialisierung der Webcam mit cam = cv.CaptureFromCAM(KAMERA_NR). Als nächstes kommt eine Schleife, die solange durchlaufen wird, bis die Variable taste den Code des Zeichens q enthält. Mit bild = cv.QueryFrame(cam) holt man den aktuellen Frame (das aktuelle Bild) aus dem Videostream und mit cv.ShowImage("Livebild", bild) gibt man dieses Bild in einem eigenen Fenster aus. Mit taste = cv.WaitKey(2) % 256 wird zwei Millisekunden gewartet und dann das untere Byte des zurückgegebenen Codes an die Variable taste übergeben. Die zwei Millisekunden Wartezeit sind notwendig, um eine Aktualisierung der Bildschirmausgabe zu ermöglichen.

Videoüberwachung

Das erste Programmbeispiel soll nun zu einer einfachen Videoüberwachung ausgebaut werden. Dazu wandert die Hauptroutine des Programms in eine eigene Funktion. Hinzu kommen noch eine Funktion für die Generierung eines Dateinamens (um das aufgenommene Video abspeichern zu können) und eine Funktion für die Auswertung von Parametern, die dem Programm beim Start eventuell mitgegeben worden sind.

Imports

Am Programmanfang werden zusätzlich zum Modul cv noch die Funktion localtime für die Abfrage von Datum und Uhrzeit und die Funktion argv für das Auslesen der Programmparameter importiert:

import cv
from time import localtime
from sys import argv

Funktion Dateiname

Durch den Aufruf der Funktion localtime erhält man die aktuelle Uhrzeit. Aus den ersten sechs Elementen des zurückgegebenen Tupels wird dann der Ausgabestring zusammengesetzt:

  • Jahr [4-stellig]
  • Monat [1..12]
  • Tag [1..31]
  • Stunde [0..31]
  • Minute [0..59]
  • Sekunde [0..61]
  • Wochentag [0..6, 0=Montag]
  • Tag des Jahres [1..366]
  • Status der Sommerzeit [0,1,-1]

def Dateiname():
    '''Erstellt einen Dateinamen aus Datum und Uhrzeit'''
    zeit = localtime()
    s = "%04i-%02i-%02i-%02i-%02i-%02i.avi" % \
    (zeit[0],zeit[1],zeit[2],zeit[3],zeit[4],zeit[5])
    return s

Listing: dateiname.py

Funktion ParameterLesen

Die Funktion ParameterLesen wertet die beim Programmstart mitgegebenen Parameter aus. Als Ergebnis gibt sie ein Dictionary zurück, das die einzelnen Programmparameter enthält. Wurden keine Parameter angegeben, enthält das Dictionary die voreingestellten Werte. Bei einer Falscheingabe wird ein Infotext ausgegeben und die Funktion liefert 0 zurück. Eine Prüfung der eingegebenen Werte findet nicht statt. Man könnte beispielsweise einen ungültigen Pfad eingeben oder auch einen Text, wenn eine Zahl erwartet wird und würde damit das Programm zu Absturz bringen. Hier wäre also noch Platz für Verbesserungen. Zum Testen des Programms dürfte diese einfache Routine aber ausreichend sein.

def ParameterLesen():
    '''Wertet die eingegebenen Parameter aus'''
    INFOTEXT = """Falsche Parametereingabe

Aufruf: Videoueberwachung.py [OPTION] <WERT> [OPTION] <WERT>...

Moegliche Optionen:"
-p      Ausgabepfad (Vorgabe: ./)
-knr    Nummer der Kamera, die erste gefundene Kamera hat die Nummer 0
        (Vorgabe: 0)
-ts     Schwellwert der Threshold-Funktion (gueltig: 0 bis 255, Vorgabe: 50)
-tm     Maximalwert der Threshold-Funktion (gueltig: 0 bis 255, Vorgabe: 255)
-start  Durchschnittlicher Pixelwert, bei dem die Aufnahme startet
        (gueltig: 0.0 bis 255.0, Vorgabe: 0.1
-stop   Durchschnittlicher Pixelwert, bei dem die Aufnahme gestoppt wird
        (gueltig: 0.0 bis 255.0, Vorgabe: 0.01
-bbs    Bilder bis Stop: Wird bbs Bilder lang keine Bewegung mehr fest-
        gestellt, stoppt die Aufnahme (gueltig: 1 bis n, Vorgabe: 40)
"""

    VORGABE = {'-p' : "./", '-knr' : "0",'-ts' : "50", \
    '-tm' : "255",'-start' : "0.1", '-stop' : "0.01", \
    '-bbs' : "40"}
    Parameter = VORGABE.copy()
    if len(argv) < 2:
        for i in xrange(1,len(argv)-1,2):
            if Parameter.has_key(argv[i]):
                Parameter[argv[i]] = argv[i+1]
            else:
                print INFOTEXT
                return 0
        return Parameter
    else:
        return VORGABE

Zu erwähnen wäre hier der Aufruf Parameter = VORGABE.copy(), mit dem vom Vorgabe-Dictionary eine Kopie erstellt wird. Die einfache Zuweisung Parameter = VORGABE ist hier nicht möglich, denn sie erzeugt nur eine Kopie des Zeigers auf die Daten und nicht eine Kopie der Daten selbst. Änderungen an der Kopie hätten auch eine Änderung am Original zur Folge.

Ausgewertet wird die Variable argv, in der nach dem Programmstart alle Eingabeparameter aufgelistet sind. Als erstes Element ist immer der Programmname abgelegt, deshalb beginnt die Auswertung erst beim zweiten Element.

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