Kigunduzi cha Hummingbird / Mpiga Picha: Hatua 12 (na Picha)

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:54

Tuna chakula cha hummingbird kwenye staha yetu ya nyuma na kwa miaka kadhaa iliyopita nimekuwa nikipiga picha zao. Hummingbirds ni viumbe wadogo wa kushangaza, wa kitaifa sana na mapigano yao yanaweza kuwa ya kuchekesha na ya kushangaza. Lakini nilikuwa nikichoka kusimama kama sanamu dhidi ya nyuma ya nyumba yangu ili kuwapiga picha. Nilihitaji njia ya kunasa picha bila kusimama nyuma ya nyumba kwa muda mrefu nikisubiri. Ninajua kuwa ningeweza kutumia shutter iliyodhibitiwa kijijini lakini nilitaka picha zipigwe kiatomati bila mimi kuwa huko. Kwa hivyo niliamua kutengeneza kifaa cha kugundua ndege wa hummingbird na kuchukua picha moja kwa moja.

Siku zote nilikusudia kutumia mdhibiti mdogo kufanya hivi. Mdhibiti mdogo ataweza kuendesha shutter ya kamera chini ya udhibiti wa programu. Lakini sensa ya kugundua hummingbird mdogo ilikuwa jambo lingine. Ningetumia sensa ya mwendo lakini nilitaka kujaribu kitu cha kipekee. Niliamua kutumia sauti kama kichocheo.

Hatua ya 1: Kuchagua Mdhibiti Mdogo

Mdhibiti mdogo niliyemchagua alikuwa kijana wa PJRC. Kijana hutumia mdhibiti mdogo wa ARM, haswa, ARM Cortex M4. Cortex M4 ina vifaa vya kufanya FFT (Fast Fourier Transform) ambayo ingeweza kugundua. PJRC pia inauza bodi ya sauti ambayo hukuruhusu kutumia Vijana kucheza muziki na pia kurekodi sauti na uingizaji wa nje, au, kipaza sauti kidogo unaweza kuongeza kwenye bodi. Mpango wangu ulikuwa kumfanya Vijana afanye FFT kwenye sauti kutoka kwa kipaza sauti.

Hatua ya 2: FFT?

FFT ni fomula / hesabu ya hesabu ambayo hubadilisha ishara kutoka kwa uwanja wa wakati hadi uwanja wa masafa. Maana yake ni kwamba inachukua sauti ya sampuli kutoka kwa kipaza sauti na kuibadilisha kuwa ukubwa wa masafa ambayo yapo kwenye wimbi la asili. Unaona, wimbi lolote la kiholela, linaloendelea linaweza kujengwa kutoka kwa safu ya sine au mawimbi ya cosine ambayo ni nambari nyingi za mzunguko wa msingi. FFT hufanya kinyume chake: inachukua wimbi la kiholela na kuibadilisha kuwa ukubwa wa mawimbi ambayo, ikiwa yamefupishwa pamoja, kuunda wimbi la kiholela la asili. Njia rahisi zaidi ya kusema hii ni kwamba, nilipanga kutumia programu na vifaa vya FFT katika Vijana kuamua ikiwa "inasikia" mrengo wa bawaba wa hummingbird kwa masafa ambayo mabawa hufanyika. Ikiwa "husikia" hummingbird, nitatuma amri kwa kamera kuchukua picha.

Ilifanya kazi! Kwa hivyo, niliifanyaje, unawezaje kuifanya na unawezaje kuiboresha zaidi?

Hatua ya 3: Je! Hummingbird Inasikika Inasikikaje?

Kwanza kabisa, nilihitaji kujua ni mara ngapi nitasikia mabawa ya hummingbird. Kuamua hili, nilitumia iPhone yangu. Niliambatisha iPhone kwenye utatu na nikarekodi video ya mwendo wa polepole moja kwa moja mbele ya feeder ya hummingbird kwenye staha yetu. Baada ya muda niliondoa kamera na nikapakua video. Halafu nilitazama video hiyo nikitafuta hummingbird mbele ya feeder. Nilipopata mlolongo mzuri, nilihesabu idadi ya fremu za kibinafsi ambazo ilichukua kwa hummingbird kupiga mabawa yake kutoka nafasi moja kurudi kwenye nafasi ile ile. Mwendo wa polepole kwenye iPhone ni karibu muafaka 240 kwa sekunde. Niliona ndege anayekua akiinuka mbele ya mlishaji na nilihesabu fremu 5 ili ziweze kusogeza mabawa yake kutoka nafasi ya mbele kwenda nyuma na kisha kurudi kwenye nafasi ya mbele. Hii ni muafaka 5 kati ya 240. Kumbuka, tunasikia sauti kwenye kila kiharusi cha mabawa ya hummingbird (moja kwenye kiharusi cha mbele na moja kwenye kiharusi cha nyuma). Kwa fremu 5 za mzunguko au kipindi, tunaweza kuhesabu masafa kama moja yaliyogawanywa na kipindi yaani 1 / (5/240) au 48 Hz. Hii inamaanisha kuwa wakati hummingbird huyu anapoelea, sauti tunayosikia lazima iwe mara mbili hii au karibu 96 Hz. Mzunguko labda uko juu wakati wanaruka na hawaongoi. Inaweza pia kuathiriwa na umati wao lakini nadhani tunaweza kudhani kwamba ndege wengi wa spishi hiyo hiyo wana karibu molekuli sawa.

Hatua ya 4: Mfululizo wa Fourier na Vijana

Kijana (nilitumia Kijana 3.2) imetengenezwa na PJRC (www.pjrc.com). FFT itahesabiwa kwenye sampuli ya sauti. Ili kupata sauti, PJRC inauza bodi ya adapta ya sauti kwa Vijana (TEENSY3_AUDIO - $ 14.25). Pia wanauza kipaza sauti ndogo ambayo inaweza kuuzwa kwa bodi ya adapta ya sauti (MICROPHONE - $ 1.25). Bodi ya adapta ya sauti hutumia chip (SGTL5000) ambayo Vijana wanaweza kuzungumza juu ya basi ya serial (I2S). Kijana hutumia SGTL5000 kuchukua sampuli ya sauti kutoka kwa kipaza sauti na kuiweka kwenye dijiti, ambayo ni kwamba, tengeneza idadi ya idadi inayowakilisha sauti ambayo kipaza sauti inasikika.

FFT ni toleo la haraka la kile kinachoitwa Transform Fourier Transform (DFT). DFT inaweza kufanywa kwa idadi ya sampuli holela, FFT inahitaji kuwa na sampuli zilizohifadhiwa katika seti ambazo ni nyingi nyingi. Vifaa vya ujana vinaweza kufanya FFT kwa seti ya sampuli 1024 (1024 = 2 ^ 10) kwa hivyo ndivyo tutakavyotumia.

FFT kawaida hutoa, kama pato lake, ukubwa NA uhusiano wa awamu kati ya mawimbi anuwai yanayowakilishwa. Kwa programu hii hatujali na uhusiano wa awamu, lakini tunavutiwa na ukubwa na mzunguko wao.

Bodi ya sauti ya Vijana inasikiliza sauti kwa masafa ya 44, 100 Hz. Kwa hivyo, sampuli 1024 katika masafa haya inawakilisha kipindi cha muda cha 1024/44100 au karibu milisekunde 23.2. Katika kesi hii, FFT itazalisha kama pato, ukubwa ambao ni idadi nyingi ya kipindi cha sampuli ya 43 Hz (tena, 1 / 0.0232 ni sawa na 43 Hz). Tunataka kutafuta ukubwa ambao ni karibu mara mbili ya masafa haya: 86 Hz. Sio mzunguko wa mabawa yetu ya hummingbird iliyohesabiwa lakini, iko karibu sana kama tutakavyoona.

Hatua ya 5: Kutumia Takwimu za Fourier

Maktaba PJRC hutoa kwa Vijana watashughulikia sampuli na kurudisha safu ya maadili ya ukubwa. Tutarejelea kila ukubwa katika safu iliyorudishwa kama pipa. Bin ya kwanza (kwa kukabiliana na sifuri katika safu ya data tunayorudi) ni kukabiliana na DC kwa wimbi. Tunaweza kupuuza usalama huu kwa usalama. Bin ya pili (kwa malipo 1) itawakilisha ukubwa wa sehemu ya 43 Hz. Hiki ni kipindi chetu cha msingi. Bin inayofuata (kwa kukabiliana na 2) itawakilisha ukubwa wa sehemu ya 86 Hz, na kadhalika. Kila bin inayofuata ni nambari kamili ya kipindi cha msingi (43 Hz).

Sasa hapa ndipo inapopata kushangaza kidogo. Ikiwa tutatumia FFT kuchanganua sauti kamili ya 43 Hz basi FFT itarudisha pipa la kwanza kwa ukubwa mkubwa na mapipa mengine yote yatakuwa sawa na sifuri (tena, katika ulimwengu mkamilifu). Ikiwa sauti tuliyoinasa na kuchanganua ilikuwa 86 Hz basi pipa iliyokamilishwa moja itakuwa sifuri na pipa iliyowekwa kwa 2 (ya pili ya harmonic) itakuwa ukubwa mkubwa na mapipa mengine yangekuwa sifuri, na kadhalika. Lakini ikiwa tulinasa sauti ya hummingbird na ilikuwa 96 Hz (kama nilivyopima juu ya ndege yangu mmoja) basi offset 2 bin @ 86 Hz ingekuwa na ukubwa wa thamani ya chini kidogo (kuliko wimbi kamili la Hz 86 ingekuwa) mapipa yaliyoizunguka (moja chini na chache juu) kila moja ingekuwa na kupungua kwa thamani isiyo ya sifuri.

Ikiwa saizi ya sampuli ya FFT yetu ilikuwa kubwa kuliko 1024 au ikiwa mzunguko wa sampuli za sauti ulikuwa chini, tunaweza kufanya azimio la mapipa yetu kuwa bora (yaani ndogo). Lakini hata ikiwa tutabadilisha vitu hivi kufanya mapipa yetu ya FFT 1 Hz mara nyingi za kipindi cha msingi, bado tutalazimika kushughulika na 'kumwagika' kwa pipa hili. Hii ni kwa sababu hatuwezi kupata masafa ya bawa ambayo yalitua, kila wakati na haswa, kwenye pipa moja. Hii inamaanisha kuwa hatuwezi tu kuweka utambuzi wetu wa ndege wa hummingbird juu ya thamani iliyo kwenye pipa la 2 na kupuuza zingine. Tunahitaji njia ya kuchambua data kwenye mapipa machache ili kujaribu kuileta maana. Zaidi juu ya hii baadaye.

Hatua ya 6: Anza Ujenzi

Kwa mfano wa kichunguzi changu cha hummingbird nilitumia pini ndefu zaidi za kiume-kiume zilizouzwa kwa pini za Teensy. Nilifanya hivyo ili niweze kuziba Vijana kwenye ubao mdogo wa mkate. Nilifanya hivi kwa sababu nilidhani ningefanya mabadiliko mengi katika mfano na kwa ubao wa mkate, ningeweza kubadilisha hii na waya za kuruka tu popote nilipohitaji. Niliuza vipande vya kike kwenye upande wa chini wa bodi ya sauti ambayo inaruhusu kuunganishwa juu ya Vijana. Kipaza sauti inauzwa kwa upande wa juu wa bodi ya sauti (angalia picha). Maelezo zaidi juu ya mkusanyiko yanaweza kupatikana kwenye wavuti ya PJRC:

(https://www.pjrc.com/store/teensy3_audio.html).

Hatua ya 7: Vifaa vya kuteka Picha

Nina (vizuri, mke wangu ana) Canon Rebel Digital Camera. Kuna jack kwenye kamera ambayo hukuruhusu unganishe udhibiti wa shutter ya mbali ya mwongozo. Nilinunua kidhibiti cha mbali kutoka kwa Picha ya B&H. Cable ina jack sahihi kutoshea kamera upande mmoja na ina urefu wa futi 6. Nilikata kebo mwishoni karibu na sanduku la kudhibiti kitufe na nikachomoa waya na kuziunganisha kwa pini tatu za kichwa ambazo ningeweza kuziba kwenye ubao wa mkate. Kuna waya wazi ambayo ni ya ardhini na ishara zingine mbili: ncha ni kichocheo (nyekundu) na pete (nyeupe) ni mwelekeo (angalia picha). Kufupisha ncha na / au pete ardhini hufanya shutter na mwelekeo kwenye kamera.

Kutumia waya wa kuruka nilitumia uwanja wa kawaida kutoka kwa Vijana hadi eneo ambalo ningeweza kutumia kwenye ubao wa mkate. Niliunganisha pia anode ya LED kubandika 2 kwenye Teensy na cathode ya LED kwa kontena (100-220 ohms) chini. Niliunganisha pia siri ya 2 ya Teensy na kontena la 10K na upande mwingine wa kontena niliunganisha kwenye msingi wa transistor ya NPN (2N3904 inapatikana kila mahali). Niliunganisha mtoaji wa transistor chini na mtoza niliunganisha kwenye waya nyeupe na nyekundu kutoka kwa kebo inayokwenda kwa kamera. Waya wazi, tena, uliunganishwa na ardhi. Wakati wowote taa inawashwa na Vijana, transistor ya NPN pia itawasha na itasababisha kamera (na umakini). Angalia mpango.

Hatua ya 8: Ubunifu wa Mfumo

Kwa sababu masafa ya mabawa ya Hummingbird labda hayapita juu ya mia chache Hz, basi hatuhitaji kurekodi masafa ya sauti hapo juu, sema, Hz mia chache. Tunachohitaji ni njia ya kuchuja masafa tu tunayotaka. Kichungi cha kupitisha bandia au hata chini itakuwa nzuri. Kijadi tungetumia kichungi kwenye vifaa kutumia OpAmps au vichungi vya swichi-capacitor. Lakini kwa sababu ya usindikaji wa ishara ya dijiti na maktaba ya programu ya Teensy, tunaweza kutumia kichujio cha dijiti (hakuna utaftaji unahitajika… programu tu).

PJRC ina GUI nzuri inayokuwezesha kuburuta na kuacha mfumo wako wa sauti kwa bodi ya Vijana na sauti. Unaweza kuipata hapa:

www.pjrc.com/teensy/gui/

Niliamua kutumia moja ya vichungi vilivyowekwa na PJRC vilivyowekwa alama mbili ili kuzuia masafa ya sauti kutoka kwa kipaza sauti (kichujio). Nilibadilisha vichungi vitatu kama hivyo na kuviweka kwa operesheni ya kupitisha saa 100 Hz. Kichujio hiki kitaruhusu kwenye masafa ya mfumo hapo juu kidogo na chini kidogo ya masafa tunayovutiwa nayo.

Katika mchoro wa kizuizi (angalia picha) i2s1 ni pembejeo ya sauti kwenye ubao wa sauti. Niliunganisha chaneli zote mbili za sauti na mchanganyiko na kisha kwa vichungi (kipaza sauti ni kituo kimoja tu lakini, nilichanganya zote mbili kwa hivyo sikuwa na budi kujua ni kituo gani… niite wavivu). Ninaendesha pato la kichungi kwa pato la sauti (kwa hivyo naweza kusikia sauti ikiwa ninataka). Niliunganisha pia sauti kutoka kwa vichungi na kizuizi cha FFT. Katika mchoro wa kizuizi, kizuizi kilichoitwa sgtl5000_1 ni chip ya kidhibiti sauti. Haihitaji muunganisho wowote kwenye mchoro.

Baada ya kufanya ujenzi huu wa vitalu bonyeza Bonyeza. Hii inaleta sanduku la mazungumzo ambapo unaweza kunakili nambari ambayo ilitengenezwa kutoka kwa mchoro wa block na kuibandika kwenye programu yako ya Vijana. Ukiangalia nambari unaweza kuona ni uthibitisho wa kila udhibiti pamoja na 'unganisho' kati ya vifaa.

Hatua ya 9: Kanuni

Inachukua nafasi nyingi sana katika hii inayoweza kufundishwa kupitia programu kwa undani. Kile nitajaribu kufanya ni kuonyesha zingine muhimu za nambari. Lakini hii sio programu kubwa sana hata hivyo. PJRC ina mafunzo mazuri ya video ya kutumia Vijana na maktaba / zana za sauti (https://www.youtube.com/embed/wqt55OAabVs).

Nilianza na nambari ya mfano ya FFT kutoka PJRC. Niliweka kile nilichopata kutoka kwa zana ya muundo wa mfumo wa sauti juu ya nambari. Ukiangalia nambari baada ya hii utaona utangulizi na kisha mfumo unaanza kutumia dijiti kutoka kwa kipaza sauti. Programu huingia kwenye kitanzi cha 'milele' () na inasubiri data ya FFT ipatikane kwa kutumia simu kwenye kazi fft1024_1.available (). Wakati data ya FFT inapatikana, ninachukua nakala ya data na kuichakata. Kumbuka kuwa, ninachukua tu data ikiwa ukubwa wa pipa kubwa uko juu ya thamani iliyowekwa. Thamani hii ni jinsi ninavyoweka unyeti wa mfumo. Ikiwa mapipa YAPO juu ya thamani iliyowekwa basi nitarekebisha wimbi na kuhamisha kwa safu ya muda kwa usindikaji, vinginevyo, mimi hupuuza na kuendelea kungojea FFT nyingine. Ikumbukwe kwamba mimi pia hutumia kipaza sauti kupata kazi ya kudhibiti kurekebisha unyeti wa mzunguko (sgtl5000_1.micGain (50)).

Kurekebisha wimbi inamaanisha tu kwamba mimi hurekebisha mapipa yote kwa hivyo pipa iliyo na thamani kubwa imewekwa sawa na moja. Mapipa mengine yote yamepunguzwa kwa idadi sawa. Hii inafanya data iwe rahisi kuchambua.

Nilitumia algorithms kadhaa kuchambua data lakini, nilitulia kwa kutumia mbili tu. Algorithm moja huhesabu eneo chini ya curve iliyoundwa na mapipa. Huu ni hesabu rahisi ambayo inaongeza tu maadili ya mapipa katika eneo lote la riba. Ninalinganisha eneo hili kuamua ikiwa iko juu ya kizingiti.

Algorithm nyingine hutumia safu ya maadili inayowakilisha FFT ya kawaida. Takwimu hizi ni matokeo ya saini halisi ya hummingbird. Ninaita ua huu. Ninalinganisha data ya ua na data ya kawaida ya FFT kuona ikiwa mapipa yanayofanana yapo ndani ya 20% ya kila mmoja. Nilichagua 20% lakini, thamani hii inaweza kubadilishwa kwa urahisi.

Ninahesabu pia ni mara ngapi algorithms za kibinafsi zinadhani zina mechi, maana, fikiria wanasikia hummingbird. Ninatumia hesabu hii kama sehemu ya uamuzi wa hummingbird kwa sababu, uchochezi wa uwongo unaweza kutokea. Kwa mfano, wakati sauti yoyote ni kubwa au ina mzunguko wa mabawa ya ndege, kama kupiga makofi mikono, unaweza kupata kichocheo. Lakini ikiwa hesabu iko juu ya nambari fulani (nachagua nambari) nasema ni hummingbird. Wakati hii inatokea mimi huwasha taa ya LED kuonyesha kuwa tuna hit na mzunguko huo huo unasababisha kamera kupitia transistor ya NPN. Katika programu hiyo niliweka wakati wa kuchochea kamera kwa sekunde 2 (wakati LED na transistor ziko).

Hatua ya 10: Kuweka

Unaweza kuona kwenye picha jinsi mimi (bila uaminifu) nilipanda umeme. Nilikuwa na Teensy imeingizwa kwenye ubao wa mkate ambao ulikuwa umeshikamana na bodi ya wabebaji pamoja na nyingine (isiyotumika) ya Arduino inayoambatana (Zero ya Arduino nadhani). Niliifunga waya kwa nguzo ya chuma kwenye staha yangu (pia niliongeza unafuu kwa kebo inayokimbilia kamera). Pole ilikuwa karibu kabisa na mlaji wa hummingbird. Niliendesha umeme kwa kutumia tofali ndogo la umeme la LiPo ambalo unaweza kutumia kuchaji simu iliyokufa. Matofali ya umeme yalikuwa na kontakt USB juu yake ambayo nilikuwa nikitumia nguvu kwa Vijana. Niliendesha kebo ya kijijini kwa Kamera na kuiingiza. Nilikuwa tayari kwa hatua ya ndege!

Hatua ya 11: Matokeo

Niliweka kamera kwenye kitatu cha miguu karibu na feeder. Nilikuwa na kamera ikilenga pembeni kabisa ya feeder na niliiweka kwa Sport Mode ambayo inachukua picha kadhaa za haraka wakati shutter imebanwa. Kwa muda wa kuzima wa sekunde 2 nilinasa picha 5 kwa kila tukio la kuchochea.

Nilitumia masaa kadhaa nikicheza na programu hiyo mara ya kwanza nilijaribu hii. Ilinibidi kurekebisha unyeti na hesabu inayofuata ya hesabu. Mwishowe niliipata na nilikuwa tayari.

Picha ya kwanza iliyochukuliwa ilikuwa ya ndege ambaye aliruka kwenye fremu kana kwamba anachukua benki ya mwendo wa kasi akigeuka kama mpiganaji wa ndege (tazama hapo juu). Siwezi kukuambia jinsi nilivyofurahi. Nilikaa kimya upande wa pili wa staha kwa muda na nikaacha mfumo ufanye kazi. Niliweza kurekodi picha nyingi lakini, nilitupa chache. Inageuka, wakati mwingine unapata tu kichwa cha ndege au mkia. Pia, nilipata visababishi vya uwongo, ambavyo vinaweza kutokea. Kwa jumla nadhani niliweka picha 39. Ilichukua ndege safari kadhaa kwenda kwa feeder ili kuzoea sauti ya shutter kutoka kwa kamera lakini mwishowe walionekana kuipuuza.

Hatua ya 12: Mawazo ya Mwisho

Huu ulikuwa mradi wa kufurahisha na, inafanya kazi. Lakini, kama vitu vingi, kuna nafasi nyingi ya kuboresha. Kichujio hakika inaweza kuwa tofauti (kama kichujio cha pasi cha chini au mabadiliko kwenye mpangilio na / au vigezo) na labda hiyo inaweza kuifanya ifanye kazi vizuri. Nina hakika pia kuwa kuna algorithms bora kujaribu. Nitajaribu hii katika msimu wa joto.

Nimeambiwa kuna kanuni ya ujifunzaji wa mashine ya chanzo nje huko nje… labda mfumo unaweza 'kufundishwa' kutambua hummingbirds! Sina hakika nitajaribu hii lakini, labda.

Ni vitu gani vingine vinaweza kuongezwa kwenye mradi huu? Ikiwa kamera ilikuwa na stamper ya tarehe / saa unaweza kuongeza habari hiyo kwenye picha. Kitu kingine unachoweza kufanya ni kurekodi sauti na kuihifadhi kwenye kadi ya uSD (bodi ya sauti ya PJRC ina nafasi ya moja). Sauti iliyohifadhiwa inaweza kutumika kwa mafunzo ya algorithm ya kujifunza.

Labda mahali pengine shule ya Ornithology inaweza kutumia kifaa kama hiki? Wanaweza kukunja habari kama nyakati za kulisha, mzunguko wa kulisha na, pamoja na picha, unaweza kubaini ndege maalum ambao wanarudi kulisha.

Matumaini yangu ni kwamba mtu mwingine anaongeza mradi huu na kushiriki kile anachofanya na wengine. Watu wengine wameniambia kuwa kazi hii niliyoifanya inapaswa kubadilishwa kuwa bidhaa. Sina hakika lakini, ningependa kuiona ikitumika kama jukwaa la kujifunza na kwa sayansi.

Asante kwa kusoma!

Kutumia nambari niliyochapisha utahitaji Arduino IDE (https://www.arduino.cc/en/Main/Software). Utahitaji pia nambari ya Teensyduino kutoka PJRC (https://www.pjrc.com/teensy/td_download.html).