ArduinoとOpenCVで作るリアルタイム顔追跡システム

必要な部品と材料

部品	数量	備考
Arduino UNO	1	他ボードでも可
Webカメラ	1	ミニサイズ推奨
マイクロサーボ	2	標準サーボでも可
パンチルトキット	1	自作・3Dプリントも可
ブレッドボード	1

使用アプリ・オンラインサービス

• Python 2.7
• OpenCV（pip install opencv-python）
• pyserial（pip install pyserial）
• numpy（pip install numpy）
• Haarcascade分類器（haarcascade_frontalface_default.xml）

プロジェクト概要

前回のチュートリアル（Arduino-Pythonシリアル通信、OpenCV色追跡）に続き、今回は顔検出・追跡を行い、カメラを顔に追従させます。ArduinoとPythonの基礎知識があれば誰でも作れます。

ステップ1：必要なもの

ハードウェア・ソフトウェア要件は上記の通り。全ファイルを同一フォルダに配置してください。

ステップ2：Python環境構築

1. Python 2.7.14をインストール（環境変数PATH設定必須）
2. コマンドプロンプトで以下実行：

> pip install serial
> pip install opencv-python
> pip install numpy

ステップ3：Pythonスクリプト（face.py）

Haarcascade XMLファイルを同フォルダに置き、以下のスクリプトをface.pyとして保存。

import numpy as np
import serial, time, sys, cv2

# Arduino接続ポートを指定（環境に合わせて変更）
arduino = serial.Serial('COM5', 9600)
time.sleep(2)
print("Connected to arduino...")

# 顔検出分類器読み込み
face_cascade = cv2.CascadeClassifier('haarcascade_frontalface_default.xml')

# Webカメラキャプチャ開始
cap = cv2.VideoCapture(0)

while True:
    ret, img = cap.read()
    cv2.resizeWindow('img', 500, 500)
    # 画面中心線と中心点描画
    cv2.line(img, (500, 250), (0, 250), (0, 255, 0), 1)
    cv2.line(img, (250, 0), (250, 500), (0, 255, 0), 1)
    cv2.circle(img, (250, 250), 5, (255, 255, 255), -1)

    gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
    faces = face_cascade.detectMultiScale(gray, 1.3)

    for (x, y, w, h) in faces:
        cv2.rectangle(img, (x, y), (x+w, y+h), (0, 255, 0), 5)
        # 矩形中心座標計算
        xx = int(x + (x + w)) / 2
        yy = int(y + (y + h)) / 2
        center = (xx, yy)
        print("Center of Rectangle is:", center)

        # Arduinoへ送信: "X{center_x}Y{center_y}Z"
        data = "X{0:d}Y{1:d}Z".format(xx, yy)
        print("output = '" + data + "'")
        arduino.write(data.encode())

    cv2.imshow('img', img)
    # ESCキーで終了
    if cv2.waitKey(30) & 0xff == 27:
        break

cap.release()
cv2.destroyAllWindows()

ステップ4：Arduinoスケッチ（servo.ino）

#include <Servo.h>
Servo servoVer;  // 垂直サーボ
Servo servoHor;  // 水平サーボ
int x, y, prevX, prevY;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  servoVer.attach(5);  // 垂直：ピン5
  servoHor.attach(6);  // 水平：ピン6
  servoVer.write(90);
  servoHor.write(90);
}

void updatePosition() {
  if (prevX != x || prevY != y) {
    // カメラ座標(600×450)をサーボ角度にマッピング
    int servoX = map(x, 600, 0, 70, 179);
    int servoY = map(y, 450, 0, 179, 95);
    servoX = constrain(servoX, 70, 179);
    servoY = constrain(servoY, 95, 179);
    servoHor.write(servoX);
    servoVer.write(servoY);
    prevX = x; prevY = y;
  }
}

void loop() {
  if (Serial.available() > 0) {
    if (Serial.read() == 'X') {
      x = Serial.parseInt();
      if (Serial.read() == 'Y') {
        y = Serial.parseInt();
        updatePosition();
      }
    }
    while (Serial.available() > 0) Serial.read(); // バッファクリア
  }
}

ステップ5：パンチルト機構

市販キットを使用（安価で組立簡単）。自作も可能（木材/プラスチック/3Dプリント）。

ステップ6：配線

• 垂直サーボ → ピン5
• 水平サーボ → ピン6
• 電源 → 5V / GND

ステップ7：テスト

1. サーボ配線確認後、Arduinoスケッチ書き込み
2. Arduino IDEを閉じてポート解放
3. Python IDLEでface.pyを開きF5実行
4. カメラウィンドウが開き、顔検出・サーボ追従開始
5. カメラをサーボに固定すれば、カメラ自体が顔を追跡

ダウンロードファイル

• haarcascade_frontalface_default.xml
• face.py
• servo.ino