基于树莓派的水滴摄影控制器
【什么是水滴摄影】水滴摄影是一种细分的小众门类，就是用电子+摄影拍摄水滴的碰撞、溅落等过程。又分为透明（一般逆光拍摄）以及不透明拍摄（比如牛奶皇冠）等。捕捉水滴稍纵即逝的美好瞬间。魅力来自于从不同平常的视角观察水滴的晶莹，凝固瞬间，即便是同样的参数，由于受到很多因素的影响，也不会呈现一模一样的照片。这种不确定性本身就是一种魅力，更是在用另外的角度诠释“无常”。http://player.youku.com/player.php/sid/XNDE2NDQ5MTQ0MA==/v.swf拍摄背景：近似全黑的房间。透明拍摄：闪光灯+柔光板正对相机镜头，水滴在两者之间，水滴在溅落、碰撞的过程中，闪光灯适时引闪，通过柔光板之后的光线将晶莹的水滴曝光在相机的CCD上。不透明拍摄：闪光灯与相机在一个方向，其余同上，这样在拍摄过程中，就可以得到类似牛奶皇冠这样的画面。
问题是：怎么就正好在水滴溅落、碰撞中，闪光灯适时引闪，相机快门正好打开呢？你可以选择手动方式去控制闪灯和快门，可以想象，成功率极低、对快门损耗极大。这条路，脑补一下就可以了，不必尝试。方法二就是高速摄影，把整个过程拍摄下来，然后选择需要的画面，这个问题不在本文讨论中。
我们的目的，就是做一个自动控制器，把水滴的溅落（碰撞）以及拍摄过程全程控制起来。
【控制器的主要功能和基本原理】主要功能：（1）控制闪光灯引闪；（2）控制相机快门；（3）控制水滴滴落（碰撞）；上述三个环节的全过程用一个流程控制。基本原理： 通过单片机或者树莓派，控制电磁阀的开断（实现水滴溅落、碰撞），控制闪光灯引闪，控制快门触发。所有的人机对话、参数设置以及逻辑控制在单片机或者树莓派上完成。驱动gpio完成上述控制行为。
【第一版、第二版回顾】我从2012年开始学习arduino，第一个项目就是用arduino uno制作了一个水滴控制器，用了三个电位器做参数输入，用一片1602液晶作为显示器，使用UNO作为主控。实现单电磁阀、单闪光灯的控制，拍摄出来了第一张水滴碰撞的片子。这个项目虽然简单，但是串联起来了输入、输出、显示、控制等所有环节，是一个非常适合初学者学习的小项目。虽然很简陋，但还是非常有效实用。
2014年开始构思第二个版本，就是树莓派版，当时树莓派刚刚推出，我觉得非常适合用于水滴控制，于是在2016年前后，就有了第二版，树莓派1A作为主控，控制两个电磁阀和一组闪灯，当时由于我对闪灯的控制设计不够合理，试图用四个IO口控制四个闪灯，实现引闪，结果造成了闪灯之间的引闪不同步，最后投入实用的只有一组闪灯。这个控制器也给我带来了很多学习的快乐。学习了python，以及python的GUI编程以及gpio控制。这个控制器是用洞洞板+CMOS模块来合成的，大量飞线，也造成了运行中的稳定性不足。尤其是只能控制一盏闪灯成为了硬伤。于是从2017年开始构思第三版。
第三版的目的：（1）控制资源扩大：控制四个闪灯、八个电磁阀以及一个快门和一个“预对焦”（唤醒相机）（2）多线程控制，将闪灯、电磁阀、对焦唤醒以及快门控制，分别建立线程，使用多线程控制，这个提升是单片机很难做到的。优点就是逻辑非常清晰，每个控制逻辑一条线程。相对关系一目了然，不用相互折算。（3）设计了水冲洗逻辑，在拍摄前后，对电磁阀和管路进行冲洗，利于设备保养。（4）树莓派3（最终作品由大赛提供开发板），平板电脑远程桌面方式访问树莓派，所有的控制界面在平板上实现，玩家关注参数设置以及拍摄过程，对于控制过程完全不必关注。
【控制器硬件准备】
内容数量
1树莓派31
2控制器PCB（自制）1
3ULN28032
4TLN-521-42
5三极管S80502
6电阻（1K,110OM）3/6只
（PCB板）
使用sprint lyout 6.0绘制pcb，输出光绘图后，交TB打板。黑色一共打了10片。
【软件准备】
内容备注
1树莓派官方系统2018-06-27-raspbian-stretch
2Tkiner库
3Wxpython
4RPi.GPIO库
【代码及注释】代码一：drip代码# -*- coding=utf-8 -*-
__author__ = 'sebnil'
#coding utf-8
'''
项目名称：树莓派3B（摄影水滴控制器的第二版（多线程控制四只电磁阀，带相机唤醒）
基本情况：GUI界面，设置五只电磁阀释放水滴以及间隔时间，控制闪光灯（四只）以及相机快门
软件工具：wxFormBuilder/wing 101/wxpython/gpio的python RPI.GPIO官方库0.6.2
使用wx.MilliSleep()，尝试毫秒级延时
threading--多线程控制，从第一版的单线程扩展，每个电磁阀以及闪灯、快门，一共8个线程，并行调度控制，同一个时间轴
硬件：RASPBERRY PI 3B//电磁阀五只，闪光灯四只，ULN2803 TLN-521-4
V0.23: 实现8个线程、同一时间轴控制四只电磁阀以及闪灯、快门，并且唤醒相机,五只电磁阀，实现两喷+三滴
date:2018-10-13
变量：
**** Hidden Message *****
dcf1 = 18#对应电磁阀1--GPIO18
dcf2 = 23#对应电磁阀2--GPIO23
dcf3 = 24#对应电磁阀3--GPIO24
dcf4 = 25#对应电磁阀4--GPIO25
dcf5 = 12 #对应电磁阀5--GPIO12
flash1= 17 #闪光灯1，2，3,4---GPIO17
door= 5 #快门---GPIO5
call=13 #唤醒---GPIO13
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
#设置OUTPUT状态
GPIO.setup(dcf1, GPIO.OUT)
GPIO.setup(dcf2, GPIO.OUT)
GPIO.setup(dcf3, GPIO.OUT)
GPIO.setup(dcf4, GPIO.OUT)
GPIO.setup(dcf5, GPIO.OUT)
GPIO.setup(flash1, GPIO.OUT)
GPIO.setup(door, GPIO.OUT)
GPIO.setup(call, GPIO.OUT)
'''
import wx
import mthreadgui #mthreadgui.py就是使用wxFormBuilder写的界面描述
import time
import RPi.GPIO as GPIO #树莓派GPIO库
import threading #多线程库
from time import ctime
from datetime import datetime
class MyWin(mthreadgui.MyWin):
def __init__(self, parent, title):
mthreadgui.MyWin.__init__(self, parent)
def on_button_click_event( self, event ):#OK按钮
global flash1,door,call
#初始化GPIO口
dcf1 = 18#对应电磁阀1--GPIO18
dcf2 = 23#对应电磁阀2--GPIO23
dcf3 = 24#对应电磁阀3--GPIO24
dcf4 = 25#对应电磁阀4--GPIO25
dcf5 = 12#对应电磁阀5--GPIO12
flash1= 17 #闪光灯1，2，3, 4---GPIO17
door= 5 #快门---GPIO5
call=13 #唤醒--GPIO13
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
#设置OUTPUT状态
GPIO.setup(dcf1, GPIO.OUT)
GPIO.setup(dcf2, GPIO.OUT)
GPIO.setup(dcf3, GPIO.OUT)
GPIO.setup(dcf4, GPIO.OUT)
GPIO.setup(dcf5, GPIO.OUT)
GPIO.setup(flash1, GPIO.OUT)
GPIO.setup(door, GPIO.OUT)
GPIO.setup(call, GPIO.OUT)
#设置多线程，电磁阀1~5，闪灯、快门
threads = []
t1 = threading.Thread(target=fun_drip,args=(self.drip11.GetValue(),self.drip12.GetValue(),self.drip13.GetValue(),self.drip14.GetValue(),dcf1)) #电磁阀1线程
threads.append(t1)
t2 = threading.Thread(target=fun_drip,args=(self.drip21.GetValue(),self.drip22.GetValue(),self.drip23.GetValue(),self.drip24.GetValue(),dcf2)) #电磁阀2线程
threads.append(t2)
t3 = threading.Thread(target=fun_drip,args=(self.drip31.GetValue(),self.drip32.GetValue(),self.drip33.GetValue(),self.drip34.GetValue(),dcf3)) #电磁阀3线程
threads.append(t3)
t4 = threading.Thread(target=fun_drip,args=(self.drip41.GetValue(),self.drip42.GetValue(),self.drip43.GetValue(),self.drip44.GetValue(),dcf4)) #电磁阀4线程
threads.append(t4)
t5 = threading.Thread(target=fun_drip,args=(self.drip51.GetValue(),self.drip52.GetValue(),self.drip53.GetValue(),self.drip54.GetValue(),dcf5)) #电磁阀5线程
threads.append(t5)
t6 = threading.Thread(target=fun_flash,args=(self.t_flash.GetValue(),)) #闪灯线程
threads.append(t6)
t7 = threading.Thread(target=fun_shutter,args=(self.t_shutter.GetValue(),)) #快门线程
threads.append(t7)
t8 = threading.Thread(target=fun_call,args=(self.t_call.GetValue(),)) #唤醒线程
threads.append(t8)
#组装并且激活各线程
for t in threads:
t.setDaemon(True)
t.start()
for t in threads:
t.join()
print "all over %s" %ctime()
GPIO.cleanup()#GPIO设置清除释放，这一条很重要
def fun_drip(delta1,delta2,delta3,delta4,dcf):
start = datetime.now()
#延时delta1
wx.MilliSleep(delta1)
#第一滴水，尺寸delta2
GPIO.output(dcf, GPIO.HIGH)
wx.MilliSleep(delta2)
GPIO.output(dcf, GPIO.LOW)
#延时delta3
wx.MilliSleep(delta3)
#第二滴水，尺寸delta4
GPIO.output(dcf, GPIO.HIGH)
wx.MilliSleep(delta4)
GPIO.output(dcf, GPIO.LOW)
end = datetime.now()
delta = end-start
print "set"
print delta1+delta2+delta3+delta4
print "value"
print delta.microseconds/1000
def fun_flash(delta5):#闪灯引闪函数
#延时delta5毫秒
wx.MilliSleep(delta5)
#闪灯打开
GPIO.output(flash1, GPIO.HIGH)
#GPIO.output(flash2, GPIO.HIGH)
#GPIO.output(flash3, GPIO.HIGH)
#GPIO.output(flash4, GPIO.HIGH)
wx.MilliSleep(100)#保持固定脉冲100ms
GPIO.output(flash1, GPIO.LOW)
#GPIO.output(flash2, GPIO.LOW)
#GPIO.output(flash3, GPIO.LOW)
#GPIO.output(flash4, GPIO.LOW)
print "flash %s" %ctime()
def fun_shutter(delta6):#快门函数
#延时delta6毫秒
wx.MilliSleep(delta6)
#打开快门，我们设置快门时间0.4S，足够完成这一动作
GPIO.output(door, GPIO.HIGH)
wx.MilliSleep(100)#固定延时100ms给快门
GPIO.output(door, GPIO.LOW)
print "shutter %s" %ctime()
def fun_call(delta7):#唤醒函数
#延时delta7毫秒
wx.MilliSleep(delta7)
GPIO.output(call, GPIO.HIGH)
wx.MilliSleep(100)#固定延时100ms给唤醒
GPIO.output(call, GPIO.LOW)
print "call %s" %ctime()
# Create wxpython app
class MyApp(wx.App):
def OnInit(self):
self.frame = MyWin(None, " RPI-3B-Drop Control V0.23")
self.SetTopWindow(self.frame)
self.frame.Show(True)
print("wxApp created.")
return True
if __name__ == "__main__":
app = MyApp(redirect=False) # do not redirect stdout to the gui
app.MainLoop() # render gui continuously
【装配过程】1、焊接：PCB打板回来后，将元器件一一焊接，因为都是直插件，所以没有焊接难度。2、连接电磁阀、快门以及闪光灯（永诺560/四只）。3、装配整个拍摄体系。其中支架部分的设计，来自于高速水滴摄影群的林师兄。
【拍摄过程】Step1: 设置参数，本控制器目前可以控制每个电磁阀的两次开闭，这样就是可以出两个水滴。设置电磁阀开关时间就是设置水滴大小。设置闪灯触发时间，就是设置感光的时间，这个参数不同会影响到水滴在不同阶段曝光。Step2器材摆放及对焦。屋子在全黑条件下，配置好闪灯位置以及水滴装置、相机位置。可以用一个棒状物在水滴滴落下来的路线上进行对焦。一个一个电磁阀进行调试，不要急于碰撞，先把每一个电磁阀的滴落以及曝光调出来。注意：即便是一模一样的参数，在室温、水的粘稠度、拍摄时间等因素不同的情况下，效果完全不一样，同样的参数，在拍摄时很难简单套用，这一点很麻烦，也是魅力所在。Step3:拍摄，这个环节漫长和充满期待甚至挫折。我一般都会拍摄2~3小时，甚至曾经拍摄过一个通宵。每次拍摄后，都建议看一下片子，找出存在的问题，及时调整。所以我觉得很有必要在下一个版本中，对拍摄出来的结果立即在PC中显示，避免出现错误不能发现，浪费了时间和器材。
【注意事项】1、关于距离设置：在四只闪光灯灯情况下，闪灯与柔光板之间距离约为60cm，柔光板至水滴之间约为65cm。要想让画面柔和，光线摄入也应该尽可能小。这就是为什么要用多灯+柔光板（保持足够距离）+小光圈，如果光线强烈，就会造成画面锐利和玻璃感。2、关于光圈设置：小光圈（小于F22）。3、关于快门速度：使用熟练后，完全可以缩短，比如我现在一般就用1.0S左右，刚开始使用的B门（黑暗常开）。4、关于水滴增稠剂：一是瓜儿豆胶比较常用，二是TB有一种食物增稠剂，价廉物美，配出的水清澈透明无杂质，根本也不用过滤，粘度也比较好，长时间保存不变质，碰撞后也不易出现微小的空气泡，个人觉得比瓜胶好用。用量也不多，3-4g/1000ml左右。唯一不方便的是，不是十分溶于水，搅拌时间较长，一旦完全溶解，十分清澈，感觉就像甘油兑的一样。搅拌建议用食物料理机来搅拌，人工搅拌工作量很大而且效果达不到要求。
【小结】这个控制器是我从2012年接触arduino时的第一个作品，也是一个实用器，伴随我一路而行。有了第二版、第三版。在制作控制器的过程中，学习了arduino的编程，学习了树莓派、debian基础知识以及python的gui和gpio控制编程。如果说这些知识点都是宝贵的珍珠，那么这个小小的控制器就是串起珍珠的一根银线。
注：控制器本身并不复杂，但是高速水滴摄影是一个比较复杂的体系，建议作为进阶爱好来尝试。如果有兴趣的玩家可以去高速水滴拍摄群进行交流。
【鸣谢】
[*]首先致谢、致敬的是林师兄（cadboy），他是一位软硬件技术非常全面的香港的工程师，从3D建模、摄影到单片机控制，无所不精。但又是一名非常有爱心、无私宽容、甘于奉献和分享的师兄。和林师兄学习的过程，本身也是一个向他学习做人、被他人格魅力感染、洗涤的过程。在此对师兄表达深深敬意，毫不夸张地说，没有林师兄的指导，不会有今天的第三版树莓派控制器和大家分享。
[*]其次致谢高速摄影群的各位师兄，不胜枚举、一并鞠躬致谢。
[*]感谢Arduino.cn提供平台，感谢孝肃师兄一直鼓励我整理这个项目，和更多同好分享。
水滴摄影让我感受瞬间凝固的魅力，让我感受因缘无常的变幻。也让我思考和明了：唯一不变的就是变化本身。我的拍摄对象，她们的状态往往只能存在千分之一秒，每一幅美丽的水滴背后，又是多少因缘和合而成？相对于岁月长河，你可以领悟她们和钻石并无分别。 通过水滴摄影，你可以观察到一颗水滴的兴起、碰撞、绚烂和湮灭。实际在这样的一个瞬间，你有幸观察到了一个水滴的一生。
珍惜当下每一个时刻，不惊不畏。沧海抱拳。
分享源代码，如果引用请注明出处。
项目请尽快更新哈~ syl312 发表于 2019-4-7 23:46
项目请尽快更新哈~
4月25日已更新。剩余部分将按期完成。:P 手动点赞 增加了PCB光绘图纸以及亚克力顶盖图纸分享。
漂亮漂亮，厉害厉害。顶！ 感谢楼主的分享。这是我看到的最牛的水滴拍摄装住贴了。:lol 本帖最后由 njdj 于 2019-7-8 18:22 编辑
老师您好！看了您的帖子后我也想弄一个您那样的水滴拍摄装置，只是我对树莓派的编程一窍不通，只有电子制作的能力，也能看懂电子电路图，电脑的操作也可以。您可以给我一些帮助指导吗？ njdj 发表于 2019-7-8 18:20
老师您好！看了您的帖子后我也想弄一个您那样的水滴拍摄装置，只是我对树莓派的编程一窍不通，只有电子制作 ...
看得出您有一定的电子基础，当然愿意共同和您研究。
由于参赛和篇幅所限，这次写的重点是控制器。实际上如果希望能够拍摄出漂亮的碰撞照片，还需要有摄影以及一点点机械知识（需要装配一个拍摄框架以及电磁阀等）。这个项目的难度属于进阶难度。树莓派做控制器，主要是利用其gui界面开发的便捷性以及直接驱动gpio的能力，不需要配置很高的树莓派，你可以入手。
只要有热情，就没有什么挡得住的。另外，还有就是时间。你需要准备好这两样。 沧海笑1122 发表于 2019-7-13 10:20
看得出您有一定的电子基础，当然愿意共同和您研究。
由于参赛和篇幅所限，这次写的重点是控制器。实际上 ...
感谢老师的回复！我就是不懂您的这个树莓派是靠什么与平板连通上并控制的。还有平板上的控制软件是什么？树莓派我现手头上还没有（想了解以后就请教老师买一个）。我下载了您帖子里提供的压缩文件，以及您所编的代码。但是不知道它们在您设计的这个拍摄系统中是起什么作用的？