MASARYKOVA UNIVERZITA
FAKULTA INFORMATIKY
Návrh riadiaceho systému
časozberného zariadenia pre
digitálne fotografické prístroje
BAKALÁRSKA PRÁCA
Martin Bokša
Brno, jar 2016
Prehlásenie
Prehlasujem, že táto bakalárska práca je mojím pôvodným autorským
dielom, ktoré som vypracoval samostatne. Všetky zdroje, pramene
a literatúru, ktoré som pri vypracovaní používal alebo z nich čerpal,
v práci riadne citujem s uvedením úplného odkazu na príslušný zdroj.
Martin Bokša
Vedúci práce: prof. Ing. Václav Přenosil, CSc.
i
Poďakovanie
Moje poďakovanie patrí prof. Ing. Václavovi Přenosilovi, CSc. za vedenie
mojej bakalárskej práce, čas a ochotný prístup, ktorý mi venoval.
Tiež RNDr. Zdeňkovi Matějovi, Ph.D. za prínosné konzultácie. Vďaka
aj mojej rodine za podporu.
iii
Zhrnutie
Táto práca sa zaoberá implementáciou softvéru na mobilné telefóny
Android s verziou 4.3+ a softvérom na intervalometer založený na
riadiacej jednotke Atmega328P-AU. Obsahom je aj analýza existujúcich
riešení dostupných na trhu.
iv
Kľúčové slová
intervalometer, Android, mobilná aplikácia, Atmega328P-AU, Java
v
Obsah
1 Úvod 1
2 Analýza existujúcich riešení 3
2.1 Timelapse+ 3
2.2 Michron 3
2.3 Riadian 2 4
2.4 Pulse 4
3 Technické vybavenie použité k realizácii 7
3.1 Android 7
3.2 Java 7
3.3 Bluetooth Low Energy 8
3.4 Arduino 8
3.5 Serial Peripheral Interface (SPI) 9
3.6 EAGLE 10
4 Realizácia 11
4.1 Hardvér 11
4.2 Softvér mobilnej aplikácii 12
4.2.1 Grafické používateľské rozhranie 13
4.2.2 Štruktúra aplikácie 13
4.2.3 Zvolenie zariadenia 14
4.2.4 Pripojenie do zariadenia 15
4.2.5 Nastavenia časozberu 17
4.2.6 Príkazy 18
4.2.7 Komunikačná trieda Bluetooth 19
4.3 Softvér v riadiacej jednotke ATmega328P-AU 19
4.4 Komunikácia Bluetooth 20
5 Testovanie funkčnosti 23
6 Problémy a návrhy na zlepšenie 25
7 Záver 27
Literatúra 29
vii
A Prílohy 31
viii
Zoznam tabuliek
4.1 Príkazy, ktoré odosiela aplikácia do intervalometra 17
4.2 Bluetooth príkazy na ktoré reaguje intervalometer 21
4.3 Vracajúce hodnoty pri zadaní príkazu INPUT 22
4.4 Vracajúce hodnoty pri zadaní príkazu STATE 22
ix
Zoznam obrázkov
3.1 Zbernica SPI: Jedno zariadenie Master (vľavo) a jedno
zariadenie Sláve (vpravo) 9
4.1 Koncept navrhovaného zariadenia 11
4.2 Schéma zapojenia navrhovaného zariadenia 12
4.3 2.5mm stereo konektor, ktorý sa pripája na strane
zariadenia 12
4.4 Pripojenie sa do intervalometra 14
4.5 Zvolenie si intervalometra 15
4.6 Rozhranie mobilnej aplikácie, ktorým sa ovláda
intervalometer 16
4.8 Nastaviteľné polia s tlačidlom odoslať nastavenia 18
4.7 Ukážka odosielania nastavení 18
4.9 Príkazové tlačidlá 19
4.10 Vzorec na vyrátanie dĺžky zaostrenia na fotoaparáte 20
5.1 Testovanie intervalometru v Brne, 18.5.2016 23
5.2 Fotografia intervalometra zo spodnej strany 24
5.3 Fotografia intervalometra s pohľadom na zapojenie 24
6.1 Timelapsové pole s predpokladaným časom
dokončenia 25
xi
1 Úvod
Inteligentné telefony sa stali bežnou súčasťou ľudských životov. Nazývajú
sa inteligentné, pre ich funkčnosť, ktorú obsahujú. Zvládajú
mnoho operácií zároveň, ktoré doteraz ľudia robili manuálne. Nahradzujú
ich aplikácie, ktoré tieto činnosti automatizujú. Sú často krát
kombináciou softvéru a hardvéru, kde softvérové aplikácie sa starajú
o riadenie hardvérových komponentov alebo zariadení. Inteligentné
telefóny natívne obsahujú operačný systém, ktorý je prostriedkom k
ďalšiemu vývoju na zariadeniach. Zaužívané systémy na telefónoch
sú Android, iOS a Windows Mobile.
V práci bol môj cieľ sa pokúsiť vytvoriť riadiaci systém intervalometra
(časozberné zariadenie) a riadiacu aplikáciu pre inteligentné
telefóny. Casozber (angl. Timelapse) je technika, ktorá umožňuje zachytiť
udalosť tak, že snímková frekvencia záznamu je omnoho rýchlejšia
ako snímková frekvencia pri prehrávaní. Pri prehrávaní záznamu sa
teda zdá, že sa hýbe omnoho rýchlejšie. Pre príklad, obraz scény môže
byť zachytávaný raz za sekundu, ale neskôr pustený ako 30 snímkov
za sekundu, tzn. výsledok sa zdá byť 30x rýchlejší. Časozberné zariadenia
je externý spúšťač, ktorý pomocou externej spúšte na DSLR1
fotoaparáte vytvára casozber za pomoci vyslania 2 signálov (pomocou
elektronických optočlenov viď. 4.1 kapitola), ktoré zachytia snímok.
Mobilná riadiaca aplikácia bola implementovaná na telefóny s operačným
systémom Android a verziou aspoň 4.3 - API 18. Aplikácia
slúži ako intuitívna obsluha zariadenia, najmä pre začínajúcich fotografov
časozberu. Riadiace systémy sú navrhnuté tak, aby vedeli medzi
sebou navzájom komunikovať pomocou technológie BLE (Bluetooth
low energy).
Problémami časozberných zariadení sú vysoké ceny za kvalitné
zariadenie, komplikované ovládanie pre začínajúcich fotografov, základná
funkcionalita. Pri používaní displejov je to nízka výdrž batérie.
Väčšina intervalometrov, po zaslaní príkazov do časozberu sa odpojí a
tak prestane sledovať aktuálny stav zariadenia, potom pri prípadnom
zlyhaní alebo ohlásení chyby ovládajúca komponenta nevie reagovať.
Ďalšou chybou je nadbytočná kabeláž nutná k nastaveniu zariadenia.
1. Digital single-lens reflex - digitálny fotoaparát kombinujúci optiku a mechaniky
zrkadlovky s jednou šošovkou
1
i . ÚVOD
Niektoré produkty používajú okrem štandardného kábla do externej
spúšte, kábel na prepojenie zariadenia a ovládajúcej komponenty.
Kompatibilita so zariadeniami (fotoaparátu, alebo zariadení ovládajúcich
intervalometer). Medzi hlavný problém patrí tiež rozmer zariadenia.
Veľa produktov nemá vhodný rozmer a potom pri zachytávaní
snímkov ich nie je možné uložiť do vhodného priestoru. Namiesto
toho ich fotografi alternatívnymi spôsobmi upevňujú.
V práci som sa snažil vytvoriť začínajúcim fotografom jednoduché
prostredie v ktorom môžu zdokonaliť svoje zručnosti v časozbernom
fotografovaní. Vytvoriť obsluhu, ktorá bude riešiť získavanie aktuálneho
stavu v ktorom sa zariadenie nachádza a zobrazenie predpokladaného
času dokončenia časozberu.
Postupne sa venujem analýze existujúcich riešení dostupných na
trhu a ich rozdielom a problémom. N a základe ktorých vysvetlím
ako som sa rozhodoval. Ďalej popisujem samotný vývoj, prostriedky
použité pri implementácii softvéru, hardvérové možnosti a obmedzenia.
V realizácii zobrazujem samotné aplikačné prvky a ovládanie
zariadenia. Na konci sa venujem samotnému testovaniu zariadenia
a problémom, ktoré sa počas vývoja vyskytli. Sú tam popisované
problémy spojenia BLE a telefóna, limity komunikačného protokolu
a synchronizáciu časov medzi aplikáciou a zariadením. V závere je
zhodnocovanie dosiahnutého výsledku.
V svojej práci neriešim problémy týkajúce sa vonkajších vnemov,
ktoré ovplyvňujú chod zariadenia, ale pre celkové pochopenie je dôležité
ich spomenúť. Zahŕňa to fotenie v extrémnych teplotách. A k
sa fotí v extrémnej zime alebo teple, obe negatívne vplývajú na zábery.
Extrémne teplo môže spôsobiť prehriatie senzoru, ktorý zvyšuje
digitálny šum. Naopak v extrémnom chlade môže baterka zlyhať a
nebude môcť dokončiť celý časozber. Najbežnejší problém počas fotenia
je blikanie obrazu. Mierne odchýlky vo svetle alebo expozícii
môžu viesť k blikaniu. Tento problém sa väčšinou rieši dodatočným
programom, ktorý odstráni túto chybu z videa, alebo je nutné použiť
pomalšiu rýchlosť uzávierky fotoaparátu a vyhnúť sa scénam s príliš
silným svetlom. Pre väčšinu začínajúcich fotografov platí, že sa u nich
vyskytnú problémy s expozíciou. Najmä preto, že sa spoliehajú na automatické
nastavenia, ktoré viditeľne znižujú kvalitu ich časozberu. K
najlepším výsledkom je treba použiť manuálnu expozíciu. Detailnejšie
popísané problémy sa dajú nájsť v knihe Time-lapse Photography [1].
2
2 Analýza existujúcich riešení
Kapitola obsahuje analýzu niektorých externých intervalometrov pre
fotoaparáty dostupných na trhu. Ukazuje na základnú charakteristiku,
cenu, výdrž batérie, ovládanie časozberu a funkcie. Hľadá rozdiely
medzi nimi a nedostatky. V kapitole sú uvedené 4 produkty, ktoré
považujem za moderné a obsahujú minimálne základnú funkcionalitu,
nutnú k vytvoreniu časozberu. Na trhu je možné nájsť rôzne varianty
intervalometrov. Vynechané boli tie, ktoré sa pohybujú v rádoch 10
000 czk a väčšinou sú kombináciou viacerých produktov.
2.1 Timelapse+
Timelapse+ je pokročilé časozberné zariadenie, ktoré bolo uvedené
na trh 2012 [2]. Je to jedno zo starších zariadení, ktorému sa podarilo
presadiť na trh pomocou získaných peňazí z Kickstarteru (internetová
platforma pre financovanie). Je to malé zariadenie, ktoré je možné
nasadiť do priestoru pre externý blesk. Nemusí sa pripájať s telefónom,
lebo obsahuje jednoduchý L C D displej a 6 tlačidiel. Hlavným
problémom Timelapse+ je výdrž batérie, ktorú výrobca udáva na 2h
30min, čo nestačí na zachytenie kratšieho časozberu. Intervalometer
obsahuje mnoho pokročilých funkcií, ale pre začínajúceho fotografa je
komplikované sa v nich zorientovať. Zobrazovanie na displeji nie je
jednoznačné a chýbajú častokrát popisy, ktoré opisujú zobrazované
čísla. Zariadenie sa pohybuje okolo ceny 220$, čo je približne 5178
českých korún.
2.2 Michron
Michron vyšiel na trh 2014 v U S A a je to ďalší produkt, ktorému sa
podarilo vyzbierať peniaze na Kickstarteri (vyzbieral sumu 234 316$
približne 5 515 00 459 českých korún). Michron je možné pripojiť do
DSLR fotoaparátov pomocou kábla. Je kompatibilný s 13 značkami fotoaparátov.
Ma malé rozmery a je ho možné pripevniť do priestoru pre
externý blesk. Výrobca uvádza výdrž batérie 2000+ hodín. Hlavným
problémom je nastavenie zariadenia a aktuálny stav časozberu. Zaria-
3
2. ANALÝZA EXISTUJÚCICH RIEŠENÍ
denie sa nastavuje pomocou mobilnej aplikácie, ktorú treba pripojiť
pomocou ďalšieho kábla do zariadenia. Pomocou Michron mobilnej
aplikácie je potom možné nastaviť spustenie časozberu. Po spustení časozberu,
telefón stratí prehľad o aktuálnom stave zariadenia. Prípadné
zlyhanie, chybu nie je možné zistiť. Michron aplikácia je intuitívna a
má moderný dizajn. Obsahuje možnosť zvoliť si rôzne situácie, podľa
ktorých sa zariadenie automaticky nastaví. Je teda vhodné aj pre začínajúcich
fotografov. Zariadenie obsahuje zopár pokročilých funkcií
a jeho aktuálna cena sa pohybuje okolo 50$ približne 1 176 českých
korún. Okrem toho je nutné si dokúpiť kábel na prepojenie medzi
fotoaparátom a Michron, ktorý sa pohybuje okolo 15$ približne 353
czk.
2.3 Riadian2
Radián vyšiel v Decembri 2015 v U S A a je jedno z najmodernejších
časozberných zariadení dostupných na trhu [3]. Okrem štandardného
časozberu, obsahuje kruhovú otáčaciu podložku, ktorú je možné otáčať
v 360° (v 20000+ polohách). Rozširuje to možnosti zachytávania
záberov a pridáva ďalší efekt pri vytváraní videa. Ovládanie Radiánu
je pomocou mobilnej aplikácie, ktorá sa spáruje a pripojí cez Bluetooth
Low Enegergy do zariadenia. Mobilná aplikácia Radiánu je veľmi
moderná a má prívetivý dizajn. Má mnoho pokročilých funkcií, čo
môže byť problém pre začínajúceho fotografa. Pri aktívnom časozbere
je možnosť si záber pozrieť v náhľade v aplikácii. Baterka je nabíjateľná
pomocou USB rozhrania a vydrží 100+ hodín. Hlavným problémom
je kompatibilita s fotoaparátmi, momentálne len s 2 značkami Nikon
a Canon. Chýba tiež nejaký indikátor, ktorý by hlásil stav zariadenia,
prípadne chybovosť. Problémy sa objavujú pri párovaní pomocou BLE
s Radián. Cena Riadan 2 je 280$ približne 6 590czk, ale pre väčšiu
stabilitu fotoaparátu a pri použití statívu je nutné si dokúpiť držiak v
hodnote 30$ približne 706czk.
2.4 Pulse
Pulse patrí medzi najnovšie časozberné zariadenia [4]. Aktuálne ešte
nie je dostupný na trhu, ale je možné si ho pred-objednať za 89$ pri-
4
2. ANALÝZA EXISTUJÚCICH RIEŠENÍ
blizne 2 092czk. Produkt vyzbieral peniaze na Kickstareri (sumu 1
110 820$ približne 26 1178905czk). Je ovládaný mobilnou aplikáciou
bezdrôtovo pomocou BLE. Okolo tela má LED indikátor, ktorý hlási aktuálny
stav zariadenia. Mobilná aplikácia má veľmi používateľsky prívetivé
rozhranie a obsahuje základné funkcie. Produkt je vhodný pre
začínajúcich fotografov. Počas vytvárania záberov je si možné pozrieť
náhľady v aplikácii. Pre spojenie s fotoaparátom používa namiesto
externej spúšte USB port, ktorý rozširuje možnosti práce. Hlavný
problém je, že je kompatibilný len s niektorými značkami DLSR a
podporuje len 3 modeli fotoaparátov.
5
3 Technické vybavenie použité k realizácii
Aby sa predišlo možným komplikáciám, boli použité štandardné jazyky
a známe programovacie prostredia. Kapitola popisuje aké spôsoby
implementácie a typy technológii boli použité pri riešení práce.
V podkapitolách je vysvetlené prečo sú využívané práve dané typy.
3.1 Android
Android je otvorený operačný systém pre mobilné telefóny založený
na jadre Linuxu. Telefóny s Android systémom sú označované za
smartphony (inteligentné telefóny). Sú vyvíjané v programovacích jazykoch
C (jadro), C++ a Java (user interface - používateľské rozhranie)
[5]. Vyvíja ho Google a konzorciom Open Handset Alliance, ktoré je
zoskupenie výrobcov mobilných telefónov, telekomunikačných operátorov
a technologický firiem. Cieľom vývoja je tiež vyvíjanie platformy,
pri ktorej počítajú s nižšou výdržou batérie, menšou kapacitou pamäte,
bez ohľadu na čipovú sadu a veľkosť obrazovky. To dovoľuje
vytvoriť z Androidu platformu, ktorú nájdeme aj inde ako na mobilných
telefónoch. Pri prieskume IDC1
o podielu trhu používateľnosti
mobilných operačných systémoch v druhom kvartáli 2015 Android
obdržal podiel až 82,8%. Systém je voľne dostupný a je možné doňho
vyvíjať aplikácie, alebo ovplyvňovať jeho chod. Aplikácie sú väčšinou
vyvíjané v programátorskom prostredí Android Studio, ktoré je založené
na IntelliJ IDEA. Prostredie je dostupné pre operačné systémy
Windows, Mac OS X a Linux [6]. Obsahuje mnoho funkcií na vývoj
vrátane mobilných emulátorov, ktoré vám povoľujú otestovať si nastavenia,
prostredie alebo hardvérové kapacity bez vlastnenia mobilného
zariadenia. Sú to dôvody, ktoré ovplyvnili prečo v tomto riešení bola
mobilná aplikácia vyvíjaná na Android.
3.2 Java
Java je objektový orientovaný programovací (oop) jazyk. Vyvíja ho
spoločnosť Oracle a vychádza z programovacích jazykov C a C++.
1. http://www.idc.com/prodserv/smartphone-os-market-share.jsp
7
3- TECHNICKÉ VYBAVENIE POUŽITÉ K REALIZÁCII
Zdrojové programy nie sú kompilované do strojového kódu ale do bytecode.
To znamená, že Java nie je závislá od platformy. V tomto riešení
bola použitá Java ako programovací jazyk pre mobilnú aplikáciu.
3.3 Bluetooth Low Energy
Bluetooth Low Energy (alebo Bluetooth LE, BLE, Bluetooth Smart)
je bezdrôtová komunikačná technológia, ktorá slúži na komunikáciu
aspoň medzi 2 zariadeniami. Oproti bežnému Bluetoothu má
nižšiu spotrebu pri zachovaní podobného komunikačného rozsahu.
Vyvíjané hlavne pre zariadenia IoT (Internet of Things)2
. Hlavným
problémom Bluetooth Low Energy je, že nie je spätne kompatibilný
s "klasickým"Bluetoothom. Používajú rovnakú rádiovú frekvenciu
2.4GHz, ktorá povoľuje zdieľanie jednej rádiovej antény. Telefóny s
Androidom natívne implementujú knižnicu na spravovaniu BLE od
verzie 4.3 (API Level 18). K ovládaniu BLE v Androide je nutné používateľa
oboznámiť o práci s metódami Bluetooth a vyžiadať si povolenia,
ktoré sprístupnia knižnice. Ďalším problémom je neustále sa vyvíjaný
Android, ktorý vo verzii 6 (API Level 23), dodal ďalšiu povinnosť o
oboznámení používateľa pri priamom využívaní rozhrania [7].
3.4 Arduino
Arduino je open source platforma založená na mikrokontroléry (jednočipový
mikropočítač) ATmega od firmy Atmel [8]. V bakalárskej práci
bol používaný ako programátor pre mikrokontrolér ATmega328P-AU.
Pomocou neho bol zavádzaný nový softvér do zariadenia. Vývojové
prostredie Arduino IDE [9] je viac platformová aplikácia naprogramovaná
v Jave. Je veľmi jednoduchý a intuitívny so základnými funkciami
ako vyznačiť syntax, označenie zátvoriek alebo nahranie programu
do Arduina na jedno tlačidlo. Programy sa píšu v programovacích
jazykoch C alebo C++. Výhodou je, že IDE obsahuje knižnice funkcií,
ktoré uľahčujú prácu s hardvérom. Užívateľ musí zadefinovať len 2
funkcie aby vytvoril spustitelný program.
setupO - funkcia, ktorá sa spustí len raz na začiatku. Slúži
2. https://www.bluetooth.com/what-is-bluetooth-technology/bluetoothtechnology-basics
/low-energy
8
3- TECHNICKÉ VYBAVENIE POUŽITÉ K REALIZÁCII
k i n i c i a l i z á c i i parametrov a nastaveni.
loopO - je opakujúca sa slučka, ktorá sa periodicky spúšta.
Mikrokontroléry majú časť softvéru uloženú, ktorá umožňuje inštaláciu
nového firmware pomocou externého programátora. Táto čast sa
nazýva bootloader. V práci bol používaný práve Arduino bootloader.
3.5 Seriál Peripheral Interface (SPI)
SPI je sériové periférne rozhranie. Používa sa na komunikáciu medzi
mikrokontrolérmi s jedným alebo viacerými periférnymi zariadeniami
pomocou master a sláve (v slovenčine riadiaci a podriadený, ale skôr
je zaužívaný v angličtine) [10]. Master riadi komunikáciu pomocou hodinového
signálu a určuje s ktorým sláve zariadením bude na zbernici
komunikovať. Ilustrácia spojenia je na obrázku 3.1.
SPI M A S T E R
SCLK
MOSI
MIŠO
SS
SPI S L A V E
CLK
IOSI
ISO
SS
Obr. 3.1: Zbernica SPI: Jedno zariadenie Master (vľavo) a jedno zariadenie
Sláve (vpravo)
9
3- TECHNICKÉ VYBAVENIE POUŽITÉ K REALIZÁCII
Vysvetlenie pojmov:
SCLK (Seriál Clock) - Hodinové pulzy, ktoré synchronizujú prenos
dát generované Mastrom.
MOSI (Master Out Sláve Out) - Master linka, ktorá posiela dáta do
periférií.
MISO (Master In Sláve Out) - Sláve linka, ktorá posiela dáta do Mastra.
SS (Sláve Select) - Pin, ktorý môže Master použiť na povolenie alebo
zakázanie periféria.
Rozhranie SPI bolo použité na nahrávanie programu do mikrokontroléru
ATmega328P-AU.
3.6 EAGLE
Eagle (Easily Applicable Graphical Layout Editor) je výkonný nástroj
k navrhovaniu dosiek plošných spojov. Skladá sa z 3 základných
modulov: editor spojov, editor schém a autorouter [11]. Doska bola
navrhnutá práve v tomto programe. Schéma je ilustrovaná na 4.2.
10
4 Realizácia
Kapitola popisuje realizáciu softvéru a vysvetľuje časť zapojenia hardvéru.
Ďalej samostatnú komunikáciu medzi navrhovaným zariadením
a ovládajúcou aplikáciou. V obrázku 4.1 je možné vidieť navrhovaný
koncept zariadenia.
Android zariadenie
s Bluetooth
Bluetooth
Modul
^ n n n n n n r n
O' o
ATmega328P-AU
O o
U U U U U J Ľ U
Obr. 4.1: Koncept navrhovaného zariadenia
4.1 Hardvér
Atmega328P-AU je 8-bitový AVR RISC mikrokontrólér kombinovaný
s 32KB flash pamäťou. Je hlavnou riadiacou jednotkou v zariadení, pomocou
ktorého sú ovládané zvyšné komponenty zariadenia. Atmega328PA
U môže byť napájaná z 1.8 až 5.5V a maximálnu operačnú frekvenciu
znesie 20MHz [12]. V návrhu (4.2) je pripojený 8MHz kryštál'aby bolo
možné znížiť napájacie napätie a predĺžiť tak výdrž batérie. Bluetooth
modul je HM-11 BLE Module pracujúci na napätí 3.3V a frekvencii
2.4GHz [13]. Ovládanie a konfigurácia BLE prebieha pomocou AT
príkazov. V stand-by režime je spotreba prúdu okolo 400 }iA - 800 }iA.
Zariadenie pracuje v teplotách od -40°C až 65°C podľa parametrov
udávaných vo výrobnom katalógu. Zachytávanie snímkov samotného
časozberu prebieha pomocou 2 optočlenov a 2.5mm stereo konektora.
Optočleny sú prepojené s konektorom a keď sa zopnú nechávajú prechádzať
prúd cez konektor do fotoaparátu. Stredná časť konektoru
11
4- REALIZÁCIA
VCC_2
VCC
•wcc
PBO-8
^DO(RX)-
."
MH1-U PD2PB2-10
PD3PB3(M05I)-11
PD4PB4(MISO)-12
PD5PB5(5CK)-13
PD6PB6(XTAL1)
"
PB7(XTAL2;
3ND_2
3ND_;
ATMEGA32SP-AL
Obr. 4.2: Schéma zapojenia navrhovaného zariadenia
vyšle príkaz zaostrenia a pravá simuluje stlačenie spúšte. Ilustrácia
štruktúry konektoru je na obrázku 4.3.
Ground Zaostrenie Spúšť
Obr. 4.3: 2.5mm stereo konektor, ktorý sa pripája na strane zariadenia
4.2 Softvér mobilnej aplikácii
Podkapitola popisuje mobilnú aplikáciu vyvinutú na Android. Jej
štruktúru a chovanie sa na udalosti. Hlavnými úlohami aplikácie sú
12
4- REALIZÁCIA
poskytnúť grafické používateľské rozhranie pre fotografa, Bluetooth
komunikáciu s intervalometrom, zistenie aktuálneho stavu v akom
sa zariadenie nachádza a odoslanie parametrov do zariadenia. Texty
mobilnej aplikácie sú napísané v angličtine.
4.2.1 Grafické používateľské rozhranie
Grafické používateľské rozhranie (anglicky Graphical User Interface a
skratka GUI) je rozhranie, ktoré dovoľuje používateľovi komunikovať
s elektronickým zariadením pomocou grafických ikoniek a vizuálnych
indikátorov. V Android Studio je navrhovanie GUI veľmi jednoduché
a používa sa na to grafický editor, ktorý pomocou funkcie ťahaj a pusti
(známej ako drag and drop) povoľuje pomerne jednoduchý návrh
dizajnu [14]. Celý dizajn sa vytvára na pozadí pomocou značkovacieho
jazyka xml. Pri použití komplexnejších vizuálnych prvkov sa mnoho
krát nedá použiť grafické rozhranie a je nutné zasiahnuť k zmene v xml.
Celý návrh mobilnej aplikácie bol navrhnutý práve v tomto editore.
Ide o jednoduchý dizajn rozložený do obdĺžnikov, ktoré sú uložené
pod sebou. Celá aplikácia ma zachované podobné rozloženie aby to
bolo čo najintuitívnejšie pre používateľa. Takýto jednoduchý dizajn sa
vie prispôsobiť rôznym mobilným rozlíšeniam a je ho možné použiť
na rôznych Android telefónoch s rôznymi veľkosťami obrazoviek.
4.2.2 Štruktúra aplikácie
Po zapnutí aplikácie sa zobrazí hlavné menu (obrázok 4.4), ktoré je
rozdelené do 3 častí (obdĺžnikov). Vrchná časť obsahuje názov aplikácie
a počas celého chodu sa nemení. Spodná časť zobrazuje možnosť
nájdenia a zvolenia si intervalometra. Stredná časť ponúka možnosť
sa pripojiť k zvolenému zariadeniu. Zároveň uvádza počet pokusov
o pripojenie. V prvom použití aplikácie je nutné si najprv zvoliť zariadenie
k u ktorému sa chceme pripojiť. V inom prípade aplikácia
pripojenie nepovolí. Hlavné menu je volené ako domovská obrazovka
a pri objavení chyby sa aplikácia snaží naspäť otvoriť toto okno.
13
4- REALIZÁCIA
Timelapse
ILast Device
HMSoft
166 connections
Settings
Obr. 4.4: Pripojenie sa do intervalometra
4.2.3 Zvolenie zariadenia
Po otvorení položky Select Device (slovensky zvoliť zaradenie) sa
zobrazia dostupné Bluetooth Low Energy zariadenia v okolí (obrázok
4.5). V prípade, že telefón nemá zapnutý Bluetooth vyskočí dialógové
okno, ktoré upozorní používateľa a ponúkne mu možnosť zapnúť ho.
V prípade odmietnutia sa kontextové okno zatvorí a zobrazí sa hlavné
menu. Ak je Bluetooth zapnutý aplikácia zobrazí upozornenia o začatí
skenovania zariadení v okolí. A k sú dostupné tak sa zobrazujú vo
forme zoznamu pod sebou. Pre jednoznačne rozlíšenie zariadení je
okrem mena uvádzaná aj jeho natívna Bluetooth adresa. Po kliknutí na
zariadenie si ho aplikácia nastaví ako aktuálne, uloží si ho do pamäte
a zastaví vyhľadávanie. V prípade, že si používateľ nezvolí žiadne
zariadenie, tak vyhľadávanie sa zastaví po 11 sekundách a upozorní
ho na to.
14
4- REALIZÁCIA
HMSoft
78:A5:04:85:B3:F2
Obr. 4.5: Zvolenie si intervalometra
4.2.4 Pripojenie do zariadenia
Po kliknutí na Connect sa aplikácia pokúsi pripojiť k intervalometru.
Otvorí sa nové okno s 8 poliami z toho 1 skrytým (obrázok 4.6). A k
je Bluetooth vypnutý, tak sa aplikácia chová rovnako ako pri zvolení
zariadenia (4.2.3). A k je Bluetooth zapnutý tak sa aplikácia zobrazuje
nasledovne.
• Vrchná časť je oranžové tlačidlo, ktoré po kliknutí sa od zariadenia
odpojí alebo pripojí. Záleží na aktuálnom stave pripojenia.
Tlačidlo má vždy opačný popis ako stav pripojenia.
• Pod ním je biele pole, ktoré hovorí o aktuálnom zariadení. Je
rozdelené do 4 častí v ktorých je uvedené nadpis poľa, meno
zariadenia, adresa zariadenia a stav pripojenia.
• Ďalšia časť zobrazuje aktuálny stav časozberu. Zobrazuje základné
štatistiky o časozbere a jednotlivé časy dokončenia alebo
spustenia. Pole je označené ako Timelapse.
• Nasledujúca časť sú nastavenia časozberu (4.2.5). Je možné v
ňom nastaviť si hodnoty a odoslať ich.
15
4- REALIZÁCIA
Name: HMSoft
Address: 78:A5:04:85:B3:F2
State: Connected
Timelapse
Photos: 4
Start in: Os
Remaining: 1984s
Finish at: 21:22:58 (0h:33m:4s)
^^^r^sl
O Interval:
O Shots:
O Delay:
4h O I 4.4.
4 sec O
0 SJ9
(a) Horná polovica aplikácie
Timelapse
State
Photos taken: 4
Interval: 4000ms
Focus: 1000
Shutter: 200
Remaining delay: 0s
Mode:
Battery: 1/10
Interval: 4s
Shots: 500
Delay: 0s
Focus: 1000
shutter ?nn
(b) Spodná polovica aplikácie
Obr. 4.6: Rozhranie mobilnej aplikácie, ktorým sa ovláda intervalome-
ter
• V posledných 2 poliach sa nachádzajú údaje načítané z intervalometru.
Vrchná časť ukazuje aktuálny stav v akom sa zariadenie
nachádza. Spodná časť obsahuje vložené nastavenia v zariadení.
Zobrazuje aké nastavenia sme odoslali, alebo aké boli v intervalometri
uložené.
V prípade, že aplikácia už bola v minulosti pripojená k nejakému
zariadeniu, tak sa je k nemu možné pripojiť aj v prípade, že zariadenie
nie je dostupné alebo nemá napájači zdroj. Aplikácia sa síce reálne
nepřipojí, ale je možné si nastaviť nastavenia intervalometru vopred a
po spustení zariadenia sa doňho pripojiť a odoslať ich. A k aplikácia
nie je reálne pripojená, akciu tlačidiel blokuje upozornením "Connect
to device"(slovensky pripojiť k zariadeniu) s výnimkou tlačidla na
zobrazenie poľa s príkazmi.
16
4- REALIZÁCIA
4.2.5 Nastavenia časozberu
Nastavenia časozberu sa skladajú z 5 nastaviteľných polí, tlačidla a
nadpisu (obrázok 4.8). Prvé pole interval hovorí o časovom odstupe
medzi zachytenými snímkami. Druhé pole shots uvádza počet záberov
koľko sa má zachytiť. V prípade, že počet záberov je 0, fotoaparát
bude zachytávať až kým nepríde k prerušeniu. Pole delay (slovensky
oneskorenie) je časový úsek na začiatku, ktorý spustí časozber až po
uplynutí nastaveného času v sekundách. Pole focus (slovensky zaostrenie)
fotoaparátu sa uvádza v ms. Poslednou možnosťou je nastavenie
dĺžky shutter (slovensky uzávierka), ktoré sa píše tiež v ms. V prípade,
že shutter a focus nie sú nastavené intervalometer si ich nastaví sám.
Vzorec dorátavania focusu je zobrazený na obrázku 4.10 a shutter nastaví
východziu hodnotu na 200 ms. Pod nastaveniami je tlačidlo send
settings (slovensky poslať nastavenia), ktoré po stlačení nastavené hodnoty
odošle do intervalometra. Hodnoty nastavení odosiela postupne
po jednej s časovým rozostupom 2,3 sekundy. Akcia je zobrazená na
4.7. Posiela 5 rôznych údajov vo formáte P:TYP:HODNOTA. Formáty
jednotlivých nastavení v komunikácii sú v tabuľke 4.1.
Názov Príkaz
Interval P:I:Hodnota
Shots P:N:Hodnota
Delay P:D:Hodnota
Shutter P:S:Hodnota
Focus P:F:Hodnota
Tabuľka 4.1: Príkazy, ktoré odosiela aplikácia do intervalometra
A k je náhodou nejaký parameter zle nastavený, intervalometer
pošle späť chybovú hlášku, ktorú následne aplikácia zobrazí.
17
4- REALIZÁCIA
Settings
O Interval: 4
sec O
O Shots: 500 O
O Delay: 0 s e c
O
O Shutter: 200 O
O Focus: 0
Send settings
Obr. 4.8: Nastavitelné polia s tlačidlom odoslať nastavenia
Timelapse
Sending your settings to device...
Finish at:
Obr. 4.7: Ukážka odosielania nastavení
4.2.6 Príkazy
Príkazy, ktoré ovládajú časozber je možné zobraziť alebo skryť kliknutím
na tlačidlo v spodnom pravom rohu označené ako show alebo
hide. Zobrazí alebo skryje sa biele pole s príkazmi časozberu (obrázok
4.9). Pole obsahuje 5 príkazových tlačidiel a nadpis. Vysvetlenie
príkazov:
• Reset príkaz požiada zariadenie o nastavenie vychádzajúcich
hodnôt.
• Príkaz pause pozastaví aktuálnu činnosť časozberu. V prípade,
že časozber neprebieha, nič sa nestane.
• Príkaz stop zastaví časozber. A k časozber neprebieha, tak sa
znova nestane nič.
• Príkaz load data načíta aktuálne hodnoty zo zariadenia a zobrazí
ich v posledných 2 poliach, kde sa nachádzajú práve informácie
18
4- REALIZÁCIA
Commands
Obr. 4.9: Príkazové tlačidlá
o zariadení. A k časozber aktuálne prebieha, tak aplikácia si
načíta aktuálne hodnoty a podľa nich nastaví aj príslušné pole
Timelapse, ktoré zobrazuje informácie o časozbere.
Posledný príkaz start vyžiada spustenie časozberu. Zariadenie
skontroluje jeho aktuálne nastavenia a ak sú v poriadku spustí
časozber. A k objaví chybu, pošle chybovú hlášku o chybe.
4.2.7 Komunikačná trieda Bluetooth
BluetoothLeService je moja trieda v Androide, ktorá má na starosti
komunikačný kanál Bluetooth na pozadí. Je to služba a reaguje na
zmeny v Bluetooth stave. Ak sa zariadenie pripojí, odpojí alebo nastane
prerušenie, služba na to reaguje a odosiela lokálny broadcast1
. Platí
to o prijatých a odoslaných dátach. Iné aktivity zachytia broadcast a
pomocou neho sa snažia predísť chybám v aplikácii. Základné príkazy,
ktoré služba posiela sú uložené v triede Preferences.
4.3 Softvér v riadiacej jednotke ATmega328P-AU
Softvér bol písaný v programovacom jazyku C. Základnou knižnicou
je Arduino.h, ktorá obsahuje väčšinu použitých funkcií. Softvér je
rozdelený do 3 modov.
• Základný mód je MODE_READY, ktorý udržiava zariadenie
v stave čakania. Zariadenie vtedy nevysiela žiadne signály do
fotoaparátu. Po zapnutí sa zariadenie nastaví do tohto módu.
Indikuje to modrá dióda, ktorá 2-krát po sebe bliká v intervaloch:
1. Trieda v Androide, ktorá vysiela oznámenia
19
4- REALIZÁCIA
413 v o i d automatic_focusO
414 {
i f (FOCUS <= 0 || FOCUS > (INTERVAL-SHUTTER))
FOCUS = (INTE RVAL-SHUTTE R) < 2000? CINTERVAL-SHUTTER)/2 : 1000;
417 }
418
Obr. 4.10: Vzorec na vyrátanie dĺžky zaostrenia na fotoaparáte
300 ms zapnutá, 300 ms vypnutá, 300 ms zapnutá, 1000 ms
vypnutá.
• MODE_DELAY je mód, ktorý odpočítava čas do spustenia časozberu.
Po uplynutí doby sa automaticky spustí. Zariadenie vtedy
nijako nesvieti ani nebliká a vyzerá ako vypnuté. Rozpoznanie
delay módu od vypnutého zariadenia je len pomocou načítania
aktuálneho stavu zariadenia (tlačidlo load data v aplikácii).
• MODE_TIMELAPSE je mód v ktorom zariadenie vysiela signály
do fotoaparátu a vytvára časozber. Na zariadení bliká modrá led
dióda v intervaloch. DÍžka svietenia záleží na dĺžke zaostrenia
a intervalu. Rozsvieti sa po uplynutí doby zaostrenia a zhasne
pri ukončení jedného intervalu.
Do základných funkcií patrí časť kódu, ktorá neustále kontroluje dáta,
ktoré prichádzajú cez Bluetooth. V prípade, že sú dostupné dáta, metóda
readCommand() ich spracuje a vyhodnotí. Táto metóda riadi
módy zariadenia, metódy a spúšťa časozber. Číselné parametre pre
nastavenia sú v zariadení ukladané v type long bez znamienka a majú
rozsah 0 až 2 3 2
— 1.
4.4 Komunikácia Bluetooth
Zariadenie je možné ovládať nie len navrhnutou mobilnou aplikáciou
ale aj vlastným riešením. Príkazy na ktoré zariadenie reaguje pomocou
Bluetooth Low Energy sú zobrazené v tabuľke 4.2. Príkazy a hodnoty,
ktoré vracia zariadenie sú vždy ukončené znakom prázdneho riadka
\n. Intervalometer po zadaní príkazov INPUT a STATE posiela príkazy
v rôznych formátoch. Príkaz INPUT postupne vracia maximálne
20
4- REALIZÁCIA
Príkaz
TLSTART
TLPAUSE
TLEND
INPUT
STATE
RESET
TLQUICK
P:TYP:HODNOTA
Popis
zapne časozber
pozastaví časozber
ukončí časozber
vráti aktuálne nastavenia zariadenia
vráti aktuálny stav zariadenia
nastaví zariadenie do východzieho stavu
nastaví zariadenie do východzieho stavu a
spustí časozber
nastaví parameter (parametre sú popísané v
Nastaveniach časozberu)
Tabuľka 4.2: Bluetooth príkazy na ktoré reaguje intervalometer
2 nastavené hodnoty časozberu. K úplnému získaniu hodnôt je nutné
zavolať príkaz 3-krát. Hodnoty z príkazu sú zobrazené v tabuľke 4.3.
V príkaze STATE zariadenie postupne vracia maximálne 2 hodnoty.
K úplnému výpisu je nutné ho zavolať 4-krát. Vracajúce hodnoty sú
zobrazené v tabuľke 4.4. Niektoré hodnoty v STATE a INPUT sa opakujú.
Pretože ak niektoré hodnoty neboli zadané, softvér sa ich snaží
dorátať. Môže teda vzniknúť rozdiel medzi hodnotami zadanými na
zariadení a reálnymi s ktorými sa zariadenie spustilo. Dôvod, prečo
hodnoty sa posielajú postupne a nie na jeden príkaz, je limit komunikačného
protokolu BLE, ktorý je obmedzený na veľkosť 20 bytov.
Softvér si pamätá posledné hodnoty, ktoré odoslal a na základe nich
posiela ďalšie. Zobrazenie hodnôt STATE a INPUT je možné si pozrieť
v obrázku 4.6b.
21
4- REALIZÁCIA
Hodnota Popis
P M
I: H O D N O T A vráti interval v ms
N : H O D N O T A počet snímkov
P M
D:HODNOTA oneskorenie, kým začne časozber
P M
F: H O D N O T A hodnota zaostrenia
S:HODNOTA hodnota uzávierky
Tabuľka 4.3: Vracajúce hodnoty pri zadaní príkazu INPUT
Hodnota Popis
ST
S:HODNOTA počet zachytených snímkov v aktuálnom časoz-
bere
L H O D N O T A dĺžka intervalu v ms
ST
F: H O D N O T A hodnota zaostrenia
T: H O D N O T A hodnota uzávierky
ST
D:HODNOTA zostávajúci čas do spustenia časozberu
M : H O D N O T A v akom móde sa zariadenie nachádza
ST
B:HODNOTA hodnota batérie v rozmedzí 0-10.
Tabuľka 4.4: Vracajúce hodnoty pri zadaní príkazu STATE
22
5 Testovanie funkčnosti
Intervalometer bol testovaný na fotoaparáte Sony A7s. Ako zdroj napájania
pre intervalometer boli používané 2 x A A A batérie zapojené
sériovo a napájanie 3.3 V z Arduina (bol testovaný viac krát). Mobilná
aplikácia bola používaná na telefóne Samsung Galaxy S7 edge. Testovanie
bolo úspešné a aplikácií sa plne podarilo ovládať zariadenie.
Boli použité predvolené hodnoty intervalometru. Mobilná aplikácia
vyslala príkaz štart, ktorý spustil fotenie časozberu. Spoločne sa zachytilo
20 snímkov s intervalom 5 sekúnd, ktoré boli prerušené príkazom
stop. V testovaní chýbal kryt do ktorého by bolo možné umiestniť
intervalometer a pripevniť do externej spúšte. Presnejší test s popisom
a nastaveniami z Donovalov je popísaný v zázname z overenia
funkčnosti zariadenia, priložený v prílohe.
Obr. 5.1: Testovanie intervalometru v Brne, 18.5.2016
23
5- TESTOVANIE FUNKČNOSTI
6 Problémy a návrhy na zlepšenie
Kapitola popisuje aktuálne problémy softvéru a navrhuje možné rie­
šenia.
1. Navrhnutý softvér má odchýlku pri vypočítavaní dokončenia
časozberu v rozmedzí 8 až 16 sekúnd. Príčina je dlhé načítavanie
aktuálneho stavu zariadenia cez Bluetooth. Postupné prijímanie
údajov je dlhé (16 sekúnd) a softvér čaká na získanie potrebných
údajov k dorátaniu hodnôt. Riešením by mohlo byť preprogramovanie
BLE komunikačného protokolu, ktorý momentálne
obmedzuje veľkosť správy na 20 bytov. Mohlo by to vyriešiť aj
automatické načítanie stavu pri pripojení, ktoré momentálne je
nutné si vyžiadať manuálne pomocou tlačidla.
Timelapse
Photos: 4
Start in: Os
Remaining: 1984s
Finish at: 21:22:58 (0h:33m:4s)
Obr. 6.1: Timelapsové pole s predpokladaným časom dokončenia
2. Problém je pri volení si intervalometru (4.5). Aplikácia nerozlišuje
medzi BLE zariadeniami a je možné sa pripojiť aj k inému.
Čiastočným riešením by mohlo byť regulárnym výrazom obmedziť
názvy zariadení, ktoré sa zobrazujú.
3. Ukladanie načítaných údajov prebieha na úrovni premenných
a pri minimalizácii aplikácie sa údaje vymažú. To znamená pri
opätovnom zapnutí je nutné sa znova pripojiť a dáta si načítať.
Riešením by mohlo byť ukladanie dočasného stavu do pevného
disku.
25
7 Záver
Predkladaná bakalárska práca sa venovala realizácii softvéru pre mobilné
zariadenia Android a softvéru pre intervalometer. V úvode boli
zdôraznené softvérové a hardvérové problémy zariadení. Zároveň v
prvej kapitole práca ponúka prehľad existujúcich riešení. Na základe
týchto kapitol bol realizovaný riadiaci softvér pre zariadenie. K dosiahnutiu
vytvorenia realizovaného softvéru bolo nutné si prehĺbiť
znalosti z programovacích jazykov Java, C, pochopenie princípov komunikácie
BLE a samotného fungovania hardvéru. Práca sa venuje
softvérovej časti a nebolo jej cieľom riešiť problémy vonkajších vnemov
a hardvéru.
Bakalárska práca cieľ splnila. Intervalometer s mobilnou aplikáciou
boli úspešne otestované a sú plne funkčné k použitiu. Nakoľko táto
téma stále nebola riešená konštrukčne, je možné ju rozvinúť a dokončiť
do finálnej podoby aj v takomto smere. Mobilná aplikácia tvorí
jednoduché prostredie, ktoré zvládnu aj začínajúci fotografi a ponúka
tlačidlo načítania aktuálneho stavu. Bolo by, ale vhodné ju stále vylepšiť,
aby ponúkala rozširujúce možnosti nastavení, prípadne nové
tlačidlá obsluhy. Zariadenie má implementovaný softvér, ktorý indikuje
svoje stavy s modrou led diódou. Vhodnejšou alternatívou by
bolo pridanie rozsvietenia ďalšej diódy, ktoré by urýchlilo a ujasnilo
aktuálny stav intervalometru.
Práca ponúka celkový prehľad o riešení a je jednoduché ho znova podľa
nej zopakovať. Pri tejto práci som získal veľa hodnotných skúseností.
Verím, že celková práca dostatočne splnila očakávané požiadavky.
27
Literatúra
[1] Ryan A Chylinski. Time-lapse Photography: A Complete Introduction
to Shooting, Processing and Rendering Time-lapse Movies with
a DSLR Camera. Cedar Wings Creative, 2012.
[2] Elijah Parker. The Timelapse+ Intervalometer. 2015. URL: http: //
www.timelapseplus. com/ (Citovane 04/05/2016).
[3] Antony Leather. Alpine Labs Michron And Radian Review: SmartphoneControlled
DSLR Time Lapses. 2015. URL: http : / /www . f orbes .
com/sites/antonyleather/2015/02/26/alpine-labs-michronand
- radian - review - smartphone - controlled - d s l r - time lapses/
(Citovane 03/11/2016).
[4] Alpine Labs L L C . PULSE \ Your camera, upgraded. 2016. URL:
https : //alpinelaboratories . com/pages/pulse (Citovane
04/01/2016).
[5] Ed Burnette. Hello, Android: Introducing Google's Mobile Development
Platform. Vol. 4. Pragmatic Bookshelf, 2015.
[6] Inc. Google. Meet Android Studio. 2016. URL: https: //developer.
android, com/studio/intro/index.html (Citovane03/25/2016).
[7] Robin Heydon. Bluetooth Low Energy: The Developer's Handbook.
Prentice Hall, 2012.
[8] Arduino. What is Arduino? 2016. URL: https : / /www . arduino .
cc/en/guide/introduction (Citovane 04/01/2016).
[9] Arduino. Arduino Software (IDE). 2016. URL: https: //www. arduino.
cc/en/Guide/Environment (Citovane 04/01/2016).
[10] P G . Davis, Q.B. Huynh, and J.C. Peck. Serial peripheral interface.
US Patent 8,589,717. Nov. 2013. URL: https : //www. google. com/
patents/US8589717.
[11] E L C A D v.o.s. Informace o programu EAGLE. 2014. URL: http: //
eagle, cz/inf o.htm (Citovane 03/29/2016).
[12] Atmel. ATmega48A/PA/88A/PA/168A/PA/328/P. 2015. URL: http:
//www.atmel.com/Images/Atmel-8271-8-bit-AVR-Microcontroller-
ATmega48A-48PA-88A-88PA-168A-168PA-328-328P_datasheet_
Summary.pdf (Citovane 04/15/2016).
[13] JNHuaMao Technology Company. Bluetooth 4.0 BLE module. 2014.
URL: https : / / www . seeedstudio . com / wiki / images / c / cd /
Bluetooth4_en.pdf (Citovane 03/10/2016).
29
LITERATÚRA
[14] Inc. Google. User Interface. 2016. URL: https : //developer. android.
com/guide/topics/ui/index.html (Citované 05/15/2016).
30
A Prílohy
Táto bakalárska práca obsahuje nasledujúce prílohy.
protokol. pdf - Záznam z overenia funkčnosti zariadenia.
Timelapse-Intervalometer. zip - obsahuje zdrojový kód aplikácie
pre zariadenie.
Timelapse-Android-App. zip - obsahuje zdrojový kód aplikácie pre
Android telefón.
31