Arduino & OpenCV로 실시간 안면 추적 시스템 구축하기

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• Python 2.7 (또는 3.x 권장)
• OpenCV (cv2)
• pyserial, numpy
• Haarcascade 전면 얼굴 분류기 XML

프로젝트 소개

이전 튜토리얼에서 Arduino-Python 시리얼 통신(LED 제어), OpenCV 색상 추적을 다뤘습니다. 이번에는 Haarcascade 분류기로 얼굴을 검출하고, 팬-틸트 서보로 카메라가 얼굴을 따라가게 만듭니다. 기본적인 Arduino와 Python 지식만 있으면 됩니다.

1단계: 준비물

하드웨어: 위 표 참조. 소프트웨어: Python 2.7/3.x, OpenCV, pyserial, numpy 설치 필요.

2단계: Python 환경 설정

Python 설치 확인

CMD에서 python 입력 시 인터프리터 실행되면 OK. 안 되면 환경 변수 PATH에 Python 경로 추가.

필수 패키지 설치

pip install pyserial
pip install opencv-python
pip install numpy

3단계: Python 스크립트 (face.py)

작업 폴더 생성 → haarcascade_frontalface_default.xml 다운로드하여 폴더에 저장 → 아래 코드를 face.py로 저장.

import numpy as np
import serial
import time
import cv2

# 아두이노 포트 설정 (COM5 → 본인 포트로 변경)
arduino = serial.Serial(port='COM5', baudrate=9600, timeout=.1)
time.sleep(2)
print("아두이노 연결됨")

# Haarcascade 로드
face_cascade = cv2.CascadeClassifier('haarcascade_frontalface_default.xml')

# 웹캠 캡처
cap = cv2.VideoCapture(0)

while True:
    ret, img = cap.read()
    if not ret: break
    
    cv2.resizeWindow('img', 500, 500)
    # 화면 중앙 기준선 그리기
    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, 5)
    
    for (x, y, w, h) in faces:
        cv2.rectangle(img, (x, y), (x+w, y+h), (0, 255, 0), 2)
        # 얼굴 중심 좌표 계산
        center_x = int(x + w/2)
        center_y = int(y + h/2)
        print(f"Center: ({center_x}, {center_y})")
        
        # 아두이노로 전송: "X{center_x}Y{center_y}Z"
        data = f"X{center_x}Y{center_y}Z"
        arduino.write(data.encode())
    
    cv2.imshow('img', img)
    k = cv2.waitKey(30) & 0xff
    if k == 27: break  # ESC로 종료

cap.release()
cv2.destroyAllWindows()

4단계: 아두이노 코드 (servo.ino)

#include 

Servo servoVer;  // 수직(틸트)
Servo servoHor;  // 수평(팬)

int x, y;
int prevX = -1, prevY = -1;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  servoVer.attach(5);  // 틸트 서보
  servoHor.attach(6);  // 팬 서보
  servoVer.write(90);  // 중앙 초기화
  servoHor.write(90);
}

void updateServos() {
  if (prevX != x || prevY != y) {
    // 화면 좌표(0~600, 0~450) → 서보 각도 매핑
    int servoX = map(x, 600, 0, 70, 179);   // 팬: 좌우 반전
    int servoY = map(y, 450, 0, 179, 95);   // 틸트: 상하 반전
    
    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();
        updateServos();
      }
    }
    // 버퍼 비우기
    while (Serial.available() > 0) Serial.read();
  }
}

5단계: 팬-틸트 메커니즘 조립

시판 키트 사용 권장 (저렴, 조립 용이). 직접 제작 시 목재/아크릴/3D 프린트 가능.

6단계: 배선

• 틸트 서보(수직) → 핀 5
• 팬 서보(수평) → 핀 6
• 서보 VCC → 5V (외부 전원 권장), GND → GND

7단계: 테스트

1. 아두이노 스케치 업로드 → IDE 종료 (포트 해제)
2. Python IDLE에서 face.py 실행 (F5)
3. 웹캠 창 열리고 얼굴 검출 시 서보가 얼굴을 추적
4. 카메라를 서보에 장착하면 카메라 자체가 얼굴을 따라감

문제 해결 팁

• 시리얼 포트 권한 문제: Linux/Mac에서 sudo chmod 666 /dev/ttyUSB0
• Haarcascade 파일 경로 확인 (같은 폴더 또는 절대 경로)
• 서보 떨림: map() 범위 조정, constrain()으로 제한
• 여러 얼굴 검출 시 가장 큰 얼굴만 추적하도록 로직 추가 가능
• Python 3.x 사용 시 print, arduino.write(bytes) 등 문법 수정 필요