ESP32-CAM開發板（二）：esp32-camera程式庫與縮時攝影程式

本文將運用ESP32-CAM開發板製作一個縮時攝影裝置，每隔一段時間拍攝一張照片存入microSD記憶卡。

ESP32-CAM開發板搭載的OV2640攝像頭（攝影機模組）的驅動程式，採用樂鑫公司維護的esp32-camera程式庫。目前這個程式庫支援使用下列ESP32晶片的開發板：

• ESP32
• ESP32-S2
• ESP32-S3

esp32-camera程式庫支援多種攝像頭型號，當中的四款及其最高解析度如下：

• OV2640：1600 x 1200
• OV3660：2048 x 1536
• OV5640：2592 x 1944
• OV7670：640 x 480

除了解析度352 x 288像素的 CIF（Common Intermediate Format，通用影像傳輸格式）和低解析度的JPEG影像，拍攝照片和串流影像，ESP32模組或開發板都需要配備PSRAM記憶體。

你可以採用任何ESP32開發板，自己連接攝像頭和PSRAM，或選用事先整合這些模組的開發板，例如：ESP32-CAM, M5Stack和ESP-EYE，ESP32-CAM是當前比較經濟實惠的選擇。

定義OV2640攝像頭模組的接腳

esp32-camera程式庫支援多款ESP32晶片和攝像頭模組，在初始化程式階段，我們必須定義ESP32-CAM連接OV2640攝像頭的腳位。

OV2640攝像頭模組具有下列接腳：

• SDA、SCL：I2C匯流排接線，用於傳遞設置參數給攝像頭。
• XCLK（或XVCLK）：從微控器傳給攝像頭的外部時脈訊號。
• VSYNC、HREF與PCLK：垂直和水平同步時脈，以及從攝像頭傳給微控器的像素時脈訊號。
• D0~D7：從攝像頭傳送像素資料給微控器。
• RESET、PWDN：重置和斷電，用於重置攝像頭模組。

ESP32-CAM開發板的OV2640攝像頭，連接ESP32晶片的腳位定義如下：

OV2640接腳	接腳中文名稱	ESP32-CAM接腳
RESET	重置	無
POWER DOWN	斷電	GPIO32
SDA	I2C序列資料	GPIO26
SCL	I2C序列時脈	GPIO27
HREF/ HSYNC	水平同步訊號	GPIO23
VSYNC	垂直（影格）同步訊號	GPIO25
PLCK	像素時脈	GPIO22
XCLK/XVCLK	外部時脈	GPIO0
D0	資料0	GPIO5
D1	資料1	GPIO18
D2	資料2	GPIO19
D3	資料3	GPIO21
D4	資料4	GPIO36
D5	資料5	GPIO39
D6	資料6	GPIO34
D7	資料7	GPIO35

OV2640的RESET（重置）腳不用指定對應的ESP32腳，因為從ESP32-CAM的電路圖可以看出，重置腳固定接在3.3V。

esp32-camera程式庫的esp_camera.h標頭檔，定義了一個camera_config_t結構（struct）來記錄攝像頭模組的腳位。我們要把ESP32-CAM的腳位填入這個結構：

static camera_config_t camera_config = {
   .pin_pwdn       = 32,  // 斷電腳 
   .pin_reset      = -1,  // 重置腳，此處用-1代表「無」。 
   .pin_xclk       = 0,   // 外部時脈腳 
   .pin_sscb_sda   = 26,  // I2C資料腳 
   .pin_sscb_scl   = 27,  // I2C時脈腳 
   .pin_d7         = 35,  // 資料腳 
   .pin_d6         = 34,
   .pin_d5         = 39,
   .pin_d4         = 36,
   .pin_d3         = 21,
   .pin_d2         = 19,
   .pin_d1         = 18,
   .pin_d0         = 5,
   .pin_vsync      = 25,   // 垂直同步腳 
   .pin_href       = 23,   // 水平同步腳 
   .pin_pclk       = 22,   // 像素時脈腳 
   .xclk_freq_hz   = 20000000,       // 設定外部時脈：20MHz
   .ledc_timer     =  LEDC_TIMER_0,   // 指定產生XCLK時脈的計時器 
   .ledc_channel   = LEDC_CHANNEL_0,  // 指定產生XCLM時脈的通道 
   .pixel_format   = PIXFORMAT_JPEG,  // 設定影像格式：JPEG
   .frame_size     = FRAMESIZE_SVGA,  // 設定影像大小：SVGA
   .jpeg_quality   = 10,  // 設定JPEG影像畫質，有效值介於0-63，數字越低畫質越高。 
   .fb_count       = 1    // 影像緩衝記憶區數量 
};

根據OV2640攝像頭技術文件（PDF格式）第12頁的表8「時脈特性（Timing Characteristics）」指出，XCLK（外部時脈）頻率最低為6Mhz，典型值為24Mhz。esp32-camera程式庫提供的範例都是採用20MHz。

esp_camera程式庫透過PWM輸出時脈訊號給OV2640攝像頭，所以要指定LEDC計時器和通道（channel）。關於ESP32 PWM輸出的解析度、頻率和通道說明，請參閱《超圖解ESP32深度實作》第二章的「PWM輸出」單元。

設定影像格式和大小

OV2640攝像頭可輸出YUV, RGB和Raw RGB等色彩空間的像素資料，esp32-camera程式庫可將它們彙整並轉換成JPEG影像。

上文的camera_config_t結構的pixel_format（像素格式），接受下列影像格式常數值：

• PIXFORMAT_JPEG：JPEG影像
• PIXFORMAT_GRAYSCALE：灰階影像
• PIXFORMAT_YUV422：YUV影像
• PIXFORMAT_RGB565：RGB影像

frame_size（影格大小）接受下列影像尺寸常數值：

• FRAMESIZE_CIF：352 x 288
• FRAMESIZE_QVGA：320 × 240
• FRAMESIZE_VGA：640 × 480
• FRAMESIZE_SVGA：800 × 600
• FRAMESIZE_XGA：1024 × 768
• FRAMESIZE_SXGA：1280 × 1024
• FRAMESIZE_UXGA：1600 × 1200

使用SD_MMC.h程式庫讀寫microSD記憶卡

《超圖解ESP32深度實作》示範採用microSD記憶卡模組，或者SD轉接卡連接ESP32開發板。市面上販售的microSD記憶卡模組，大多都是像下圖這款，採用SPI介面連接微電腦控制板。

使用SPI介面連接microSD記憶卡模組，要採用SD.h程式庫讀寫記憶卡。ESP32晶片內建SD和eMMC記憶體晶片控制器，所以ESP32具備另一種讀寫SD記憶卡的方式（詳閱樂鑫官方的SDMMC Host Driver文件），它的控制電路不是透過SPI介面，而是像底下這樣；

使用ESP32內建的SD/MMC控制器連接記憶卡，程式庫要改用SD_MMC.h，它同樣內建在ESP32 Arduino開發環境，無須額外安裝。SD_MMC和SD程式庫的各種函式，名稱都一樣，所以從SD程式庫改成SD_MMC，只需要修改函式庫名稱。ESP32-CAM採用SD/MMC控制器連接記憶卡，所以程式庫使用SD_MMC

ESP32-CAM縮時攝影機的程式運作流程

縮時攝影的程式流程以及對應的函式如下。操控攝像頭相關的函式和資料型態，例如：esp_camera_init(), esp_camera_fb_get(), esp_camera_fb_return()和camera_fb_t，都由esp_camera程式庫提供。

ESP32-CAM縮時攝影機的程式原始碼

根據上文說明編寫成的縮時攝影原始碼如下，上傳程式之前，請先取出microSD記憶卡。上傳程式到ESP32-CAM開發板之後，它將每隔30秒拍攝一張照片，以photo1.jpg, photo2.jpg, photo3.jpg ,…等檔名存入microSD記憶卡。

#include <esp_camera.h>
#include <SD_MMC.h>
#define SECONDS 30  // 縮時間隔秒數

int photoNum = 0;   // 縮時影像檔的編號

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("準備拍攝縮時影像！");

  // 設定攝像頭的接腳和影像格式與尺寸
  static camera_config_t camera_config = {
    .pin_pwdn       = 32,  // 斷電腳
    .pin_reset      = -1,  // 重置腳
    .pin_xclk       = 0,   // 外部時脈腳
    .pin_sscb_sda   = 26,  // I2C資料腳
    .pin_sscb_scl   = 27,  // I2C時脈腳
    .pin_d7         = 35,  // 資料腳
    .pin_d6         = 34,
    .pin_d5         = 39,
    .pin_d4         = 36,
    .pin_d3         = 21,
    .pin_d2         = 19,
    .pin_d1         = 18,
    .pin_d0         = 5,
    .pin_vsync      = 25,   // 垂直同步腳
    .pin_href       = 23,   // 水平同步腳
    .pin_pclk       = 22,   // 像素時脈腳
    .xclk_freq_hz   = 20000000,       // 設定外部時脈：20MHz
    .ledc_timer     = LEDC_TIMER_0,   // 指定產生XCLK時脈的計時器
    .ledc_channel   = LEDC_CHANNEL_0, // 指定產生XCLM時脈的通道
    .pixel_format   = PIXFORMAT_JPEG, // 設定影像格式：JPEG
    .frame_size     = FRAMESIZE_SVGA, // 設定影像大小：SVGA
    .jpeg_quality   = 10,  // 設定JPEG影像畫質，有效值介於0-63，數字越低畫質越高。
    .fb_count       = 1    // 影像緩衝記憶區數量
  };

  // 初始化攝像頭
  esp_err_t err = esp_camera_init(&camera_config);
  if (err != ESP_OK) {
    Serial.printf("攝像頭出錯了，錯誤碼：0x%x", err);
    return;
  }

  if (!SD_MMC.begin()) {
    Serial.println("無法掛載SD記憶卡…");
    return;
  }
  uint8_t cardType = SD_MMC.cardType();
  if (cardType == CARD_NONE) {
    Serial.println("沒有插入SD記憶卡…");
    return;
  }
}

void loop() {
  camera_fb_t *fb = NULL;      // 宣告儲存影像結構資料的變數
  fb = esp_camera_fb_get();    // 拍照
  if (!fb) {
    Serial.println("無法取得影像資料…");
    return;
  }

  // 定義影像檔名和路徑
  String path = "/photo" + String(++photoNum) + ".jpg";

  // 以"寫入"模式開啟新檔
  File file = SD_MMC.open(path.c_str(), "w");

  if (!file) {
    Serial.println("無法寫入檔案");
  } else {
    file.write(fb->buf, fb->len); // 寫入影像資料
    Serial.printf("影像檔名：%s\t寬：%d\t高：%d\n", path.c_str(), fb->width, fb->height);
  }

  file.close();
  esp_camera_fb_return(fb);

  delay(1 * SECONDS * 1000UL);
}

最後，安信可科技的ESP32-CAM官方技術文件提到：

• 請確保模組輸入電源至少5V 2A，否則圖片有可能出現水波紋雜訊。
• ESP32 GPIO32腳控制攝像頭電源，當攝像頭工作時，請把GPIO32拉低（即：輸出低電位）；esp_camera程式庫會幫我們處理。
• 由於GPIO0連接攝像頭XCLK，使用時請把GPIO0懸空，請勿接高低電位。