Raspberry Pi 筆記(21)：安裝 OpenCV

[2020.02.26 Update]
過去兩年多來，將Raspberry Pi 束諸高閣，專心準備PMP考試，終於在2015/11/17通過了考試；可是一年多來，沒有繼續研究樹莓派的相關功能。直到最近看到幾篇OpenCV的文章，想來試試看如何在Raspberry Pi 上執行影像處理的功能，於是拿出塵封已久的 Pi 2 Model B，繼續研究，看看是否能做出影像辨識等功能。以下是安裝OpenCV的各階段步驟：

階段一：安裝套件
安裝好作業系統後，進行系統更新及升級，並重新開機：

$ sudo rpi-update
$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get upgrade

重新啟動Raspberry Pi。重新啟動系統後，安裝一些需要的編譯工具：

$ sudo apt-get install build-essential git cmake pkg-config

安裝影像 I/O 套件，包含JPEG, PNG, TIFF等所需套件，這個套件可以載入各種不同的影像檔案格式，如：JPEG, PNG, TIFF等。

$ sudo apt-get install libjpeg8-dev libtiff5-dev libjasper-dev libpng12-dev

註：安裝時出現以下錯誤：安裝 libtiff5-dev 前，需先安裝 libjpeg-dev

The following packages have unmet dependencies:
 libtiff5-dev : Depends: libjpeg-dev
E: Unable to correct problems, you have held broken packages.

[2020.2.26] 上述安裝改成下一行指令，安裝各圖檔Library

$ sudo apt install libjpeg-dev libtiff-dev libjasper-dev libpng-dev libwebp-dev libopenexr-dev

安裝 video I/O 所需套件，使用OpenCV載入video檔案：

$ sudo apt-get install libavcodec-dev libavformat-dev libswscale-dev libv4l-dev
$ sudo apt-get install libxvidcore-dev libx264-dev libdc1394-22-dev libgstreamer-plugins-base1.0-dev libgstreamer1.0-dev

安裝 GTK 開發 library，這個 library用在建立使用者介面 (Graphical User Interfaces, GUIs)，並可以編譯 OpenCV的  highgui 子模組，才能顯示影像在畫面上。

$ sudo apt-get install libgtk-3-dev libqtgui4 libqtwebkit4 libqt4-test python3-pyqt5

各種不同的OpenCV如矩陣運作等的最佳化相依：

$ sudo apt-get install libatlas-base-dev liblapacke-dev gfortran

安裝有關管理分層數據格式（HDF5）的套件：

$ sudo apt install libhdf5-dev libhdf5-103

開始安裝 Python 3 開發工具：

$ sudo apt-get install python3-dev python3-pip python3-numpy

階段二：下載 OpenCV
下載OpenCV 3,2,0版本，並解壓縮。

$ wget -O opencv.zip https://github.com/opencv/opencv/archive/4.2.0.zip
$ unzip opencv.zip
$ cd opencv

比較好的方式是用 git去下載 opencv 原始碼：

$ git clone https://github.com/opencv/opencv.git
$ git clone https://github.com/opencv/opencv_contrib.git

階段三：安裝設定 Python

[2020.2.26]改用 pi 4的版本，可以不需要安裝虛擬環境，numpy就在上一階段安裝。
安裝 pip :

$ wget https://bootstrap.pypa.io/get-pip.py
$ sudo python get-pip.py

pip是一個以Python電腦程式語言寫成的軟體包管理系統，他可以安裝和管理軟體包，另外不少的軟體包也可以在「Python軟體包索引」（英語：Python Package Index，簡稱PyPI）中找到。[維基百科]
安裝 virtualenv 及 virtualenvwrapper：

$ sudo pip install virtualenv virtualenvwrapper
$ sudo rm -rf ~/.cache/pip

更新個人的資料檔 ~/.profile，將以下三行加到.profile檔案最後面

# virtualenv and virtualenvwrapper
export WORKON_HOME=$HOME/.virtualenvs
source /usr/local/bin/virtualenvwrapper.sh

重新載入個人的 .profile

$ source ~/.profile

為 Python 建立一個名為 cv 的虛擬環境

$ mkvirtualenv cv

安裝NumPy

$ pip install numpy

NumPy是Python語言的一個擴充程式庫。支援高階大量的維度陣列與矩陣運算，此外也針對陣列運算提供大量的數學函式函式庫。NumPy的前身Numeric最早是由Jim Hugunin與其它協作者共同開發，2005年，Travis Oliphant在Numeric中結合了另一個同性質的程式庫Numarray的特色，並加入了其它擴充功能而開發了NumPy。NumPy為開放原始碼並且由許多協作者共同維護開發。[維基百科]
我們可以暫時增加交換空間的大小，以幫助在 Pi 編譯 OpenCV 時可以加快速度，當 Pi 的實體RAM用完時，操作系統將使用交換空間。儘管交換空間比 RAM 慢很多，但在某些情況下它仍然很有用。修改交換檔設定：

$ sudo nano /etc/dphys-swapfile

找到以下這行：
CONF_SWAPSIZE=100
將數值改成 2048：
CONF_SWAPSIZE=2048
更改後，按  Ctrl  +   X  ，  Y  然後按，保存文件  Enter  。

階段四：編譯並安裝 OpenCV
設定環境：如果有重新啟動系統、Logout或開啟新的終端機，就需要再執行以下指令，來啟動虛擬環境。

$ workon cv

建立編譯程式環境：

$ cd ~/opencv/
$ mkdir build
$ cd build
$ cmake -D CMAKE_BUILD_TYPE=RELEASE \
    -D CMAKE_INSTALL_PREFIX=/usr/local \
    -D OPENCV_EXTRA_MODULES_PATH=~/opencv_contrib/modules \
    -D ENABLE_NEON=ON \
    -D ENABLE_VFPV3=ON \
    -D BUILD_TESTS=OFF \
    -D INSTALL_PYTHON_EXAMPLES=OFF \
    -D OPENCV_ENABLE_NONFREE=ON \
    -D CMAKE_SHARED_LINKER_FLAGS=-latomic \
    -D BUILD_EXAMPLES=OFF ..

開始編譯 OpenCV：

$ make -j$(nproc)

參數 -j$(nproc) 表示在編譯OpenCV階段使用Raspberry Pi 2(或Pi 4)的最大核心處理器，以加快編譯速度。
註：筆者只要使用 -j$(nproc) 這個參數，系統就會重新啟動，懷疑是因為 overclock的關係，關掉overclock之後，結果還是一樣，一執行就會重開機。還是使用不加參數的指令完成整個編譯工作，這個步驟大約需要 3小時，請耐心等待。
註2：我新購的 Pi 4 在編譯過程大約需要一個小時才能完成。

$ sudo make install

階段五：結束安裝
如果編譯階段沒有錯誤，OpenCV會安裝在 /usr/local/lib/python2.7/site-packages 目錄內，產生一個 cv2.so 的檔案。最後要將這個檔案建立連結到 cv 的虛擬環境。

$ cd ~/.virtualenvs/cv/lib/python2.7/site-packages/
$ ln -s /usr/local/lib/python2.7/site-packages/cv2.so cv2.so

步驟六：確認是否已安裝完成
如果要確認 OpenCV安裝完成，可重新登入或開啟新的終端機，輸入以下指令：

$ workon cv
$ python
>>> import cv2
>>> cv2.__version__
'3.2.0'

如果正確出現OpenCV的版本，就表示安裝成功。

[參考資料]

• pyimagesearch：How to install OpenCV 3 on Raspbian Jessie
• pimylifeup：Installing OpenCV on the Raspberry Pi