So funktioniert eine Fotowebcam - Wieso ist sie anderen Webcams so überlegen?



Was ist eine Fotowebcam?

Die ersten Webcams kamen schon recht früh auf den Markt. Sie wurden ursprünglich entwickelt um Gebäude oder Grundstücke zu überwachen. Dabei war es mehr oder weniger egal, ob jetzt das Bild schön aussieht oder nicht. Nach wie vor würden wir jedem, der etwas überwachen möchte so eine herkömmliche IP-Kamera empfehlen. Das "unschöne" beginnt für uns genau dort, wo Netzwerkkameras für touristische Zwecke und ähnlichen Dingen eingesetzt werden. Den Bildern fehlt der Detailreichtum und der Dynamikumfang um beim Betrachter Emotionen hinterlassen zu können. Genau in diese Lücke springt die Fotowebcam mit Spiegelreflexkamera-Technik. Eine Spiegelreflexkamera ist zwar nicht dafür gebaut als Webcam eingesetzt zu werden, mit den nötigen Kenntnissen aber lässt sie sich in der Funktionsweise zur Netzwerkkamera umbauen. Mit dem Ergebnis faszinierender Aufnahmen, sowohl am Tage als auch während der Nacht. Was alles möglich ist, ist auf dieser Seite archiviert: Beste Bilder
In der Hardware und in der Software stecken viele Jahre an harter Entwicklukngszeit mit Höhen und Tiefen. Mittlerweile ist auch dank einer eigens für diesen Einsatzzweck entwickelten Platine ein sehr hohes Level in Bezug auf Robustheit und Ausfallsicherheit der gesamten Technik erreicht worden.



Kann man die Technik kaufen?

Ab sofort ja! Auf dieser Seite haben wir alle wichtigen Informationen zusammengestellt: Webcam kaufen

Die wesentliche Hardware der Foto-Webcam

Um eine große Robustheit zu erreichen, und um viele Kameras betreiben zu können ist die Technik in der letzten Zeit weit fortgeschritten. Ein guter Programmierer bekommt es relativ schnell hin eine Spiegelreflexkamera zu steuern. Ein Portal mit vielen Kameras über lange Zeit zu betreiben benötigt aber einiges an Expertenwissen in den Gebieten Netzwerkadministration, Elektrotechnik, Shell, Datenbanken, Frontendprogrammierung und zu guter Letzt auch Fotografie sowie gute Handwerkliche Fähigkeiten

Spiegelreflexkamera
Die Spiegelreflexkamera ist natürlich das wichtigste. Hier ist bei weitem nicht eine jede dazu geeignet. Als Webcam im Einsatz waren/sind bisher z.b. Canon EOS 450D,550D, 1100D, 1200D, 1300D, 5D Mark III. Wichtig bei der Kamera ist das Verhalten wenn sie aus- und wieder angeschalten wird (Reset). Die Objektivstellung beispielsweise darf sich nicht ändern. Ein weiterer sehr wichtiger Punkt ist ein abschaltbarer Standby. Damit meinen wir zu 100% abschaltbar. Nie darf sich die Kamera von selbst ausschalten. Die für uns besten und stabilsten Lösungen sind: Canon EOS 1100D (im Handel nicht mehr erhältlich), Canon EOS 1200D (im Handel nicht mehr erhältlich), Canon EOS 1300D. Die drei Modelle unterscheiden sich in Bezug auf Bildqualität beim Betrieb als Fotowebam unserer Meinung nach nicht. Die 1100D hat eine etwas niedrigere Auflösung, die 1300D ist eine Kopie der 1200D mit für uns nutzlosen WLAN :-)

Steuerrechner
Hierbei handelt es sich um einen Mini-Rechner der die Grundfläche einer Kreditkarte hat, und am besten platzsparend im Außengehäuse untergebracht wird. Der Steuerrechner ist mit der Kamera per USB verbunden. Er ist die Schnittstelle zwischen Kamera und Webserver. In den meisten Fällen verwenden wir einen Raspberry Pi 2 (B) oder 3 mit Linux-Distribution auf MicroSD-Karte. Die zweite Version und dritte Version des Mini-Rechners hat uns im Vergleich zur ersten Version (SD-Karte) absolut überzeugt. Die erste Version ist unserer Meinung nach zum 24/7 Betrieb bei großen Temperaturunterschieden völlig ungeeignet. Mehrmals haben sich die großen SD-Karten verbogen und der Kontakt ging verloren. Seit der Umstellung auf MircoSD trat nie wieder irgendein Problem auf. Auch im sehr langen Zeitraum über mehrere Jahre im Dauerbetrieb hat sich der Raspberry Pi absolut bewährt. Seit 2016 ist der Raspberry Pi3 erhältlich, und bei den neueren Kameras von uns auch im Einsatz. Gegenüber seinem Vorgänger hat er eine höhere Prozessorleistung und bereits WLAN an Board. Der Betrieb der Fotowebcam per direktem WLAN ist möglich aber nicht empfehlenswert, eine Verkabelung ist vorzuziehen. Das praktischste am Raspberry PI ist "GPIO" (siehe GPIO-Platine)

GPIO-Platine für Raspberry Pi
Anfang 2017 haben wir eine Platine entwickelt, welche am GPIO des Rasperry Pi aufgesteckt wird. War ein jedes System bisher kompliziert den Umgebungsbedingungen am Standort angepasst, verwenden ab sofort alle Systeme eine vereinheitlichte und tauschbare Technik. Der Platine werden immer 12V zugeführt (PoE oder Batterie), alle notwendigen Spannungen werden auf der Platine erzeugt, auch der Raspberry PI selbst wird durch die Platine mit 5V versorgt. Ein Temperatursensor ist daran angeschlossen, sowie die Heizung, Lüftung und die Kamera selbst. Alle Komponenten können so im Fehlerfall per Fernsteuerung aus- bzw. angeschalten werden. Ganz besonders wichtig ist dies bei der Kamera. In sehr seltenen Fällen kommt es zum Absturz der Kamera-Firmware. Die Kamera kommt so in einen unsteuerbaren Zustand. In der Vergangenheit musste in diesem Fall die Stromversorgung der Kamera vor Ort manuell unterbrochen werden. Die Platine ermöglicht auch eine sehr rasche Verkabelung bei der Montage vor Ort. 12V ins Gehäuse führen, per WAGO-Klemme anstecken, fertig. Nie wieder lästiges und fehlerbehaftetes Verbinden von feinen Leitungen vor Ort, zudem handelt es sich in der Gesamtheit um einen viel "schlankeren" Aufbau. Im Gehäuse ist ohnehin oft zu wenig Platz. Die neue Platine dient uns künftig auch als Basis für Modelle mit Solarstromversorgung.

Wasserdichtes und belüftetes Außengehäuse
Hier ist alles geeignet was funktioniert. Für Kamera und Elektronik muß genügend Platz sein. Meistens verwenden wir ein Gehäuse von Rittal aus Kunststoff, dieses ist unschlagbar preisgünstig und haltbar, jedoch sind die Aussparungen für die Scheibe, die Kabeldurchführungen und die Halterung aufwändig. Wichtig ist eine Belüftung durch Lüfter, sowie ein Luftaustausch. Die Kamera selbst, sowie die nötige Elektronik ist unglaublich robust, eine Heizung ist nicht unbedingt notwendig. Auch nicht im Winter. Eine Heizung kann aber bei Standorten welche dem Wetter ausgesetzt sind hilfreich sein im Bezug auf Kondenswasser an der Scheibe. Hier ist eine Heizfolie oder eine Transistor-Heizung ideal. Das bisher verwendete Gehäuse ist zwar nicht das schönste, aber es ist unglaublich in Preis-Leistung. Für Leute denen das Aussehen nicht egal ist, besteht die Möglichkeit ein Edelstahlgehäuse zu verwenden.

Stromversorgung
Für den Betrieb der Foto-Webcam benötigt man im schlimmsten Falle drei unterschiedliche Spannungen. Der Steuerrechner ist mit 5 Volt zu versorgen. Die Kamera benötigt eine etwas eigenwillige Spannung von 7,4 Volt. Lüfter und Heizung laufen je nach Bauart unter 5 Volt oder 12 Volt (z.b. Heizfolie). Damit die 12 Volt Spannung wegfällt empfiehlt es sich Heizung und Lüftung von vornherein auf 5V auszulegen. Befindet sich der Stromanschluss, von dem man zur Kamera geht im Inneren kann man natürlich eine Steckdosenleiste und verschiedenste Netzteile anschließen. Befindet sich der Stromanschluss im Außenbereich muss aber eine andere Lösung her. Für solche Fälle haben wir einen AC/DC Spannungswandler entwickelt. Dieser kann ohne Probleme im Außenbereich angebracht werden. Er befindet sich in einem kleinen wasserdichten Gehäuse. Mit etwas zusätzlicher Elektronik generiert er für uns zwei oder auch drei unterschiedliche Spannungen. Die Stromversorgung der Kamera hat eine Stolperfalle: Wir verwenden einen Kuppler, der im Akkufach der Kamera eingesteckt wird. Verbindet man diesen mit dem Spannungswandler wird man feststellen, dass sich die Kamera nicht einschalten läßt :-( Um die Stromversorgung trotzdem hinzubekommen muss man diesen Kuppler aufbrechen, und die Drähte direkt an den Kontaktpins anlöten. Die vorhandene Elektronik im Kuppler wird somit deaktiviert. Die Stromversorgung der gesamten Foto-Webcam ist nun sauber mit nur einem eingehenden Stromkabel gelöst. PoE ("Power over Ethernet"): Eine Alternative zum obigen Weg ist die Stromversorgung und Internetversorgung der Foto-Webcam mit nur einem LAN-Kabel. Da die Fotowebcam nicht "Plug & Play" ist wird ein PoE-Splitter benötigt. Der Trendnet TPE-114GS liefert 12V, 9V, 7,5V oder 5V. Praktischerweise werden exakt die 7,5 Volt für die Kamera benötigt. Sinnvoll ist es dann, die Heizung und Lüftung auf 5V auszulegen. Die 5V für den Steuerrechner, sowie für die Heizung / Belüftung generiert man relativ einfach mit einem Wandler-Modul wie diesem hier. Am ersten Pin lötet man die 7,5V vom PoE-Splitter an. Mit dem dritten Pin werden der Steuerrechner und die Heizung mit 5V versorgt. Am zweiten Pin liegt die gemeinsame Masse an. PoE ist in der Anschaffung zwar mit allen benötigten Teilen zwar teurer pro Anschaffung, aber eine sehr saubere und schnelle Lösung da nur ein LAN-Kabel ins Außengehäuse geführt werden muss. HINWEIS: Seit 2017 verwenden wir eine eigene Platine (siehe oben), um die Fotowebcam mit Anbauteilen mit Strom zu versorgen.

Internetverbindung - WLAN Richtunk
Relativ häufig steht am Kamerastandort kein Internetzugang zur Verfügung. Für viele klingt der Begriff "Richtfunk" vielleicht abschreckend. Aber: Da es sich um eine einmalige Hardwareanschaffung handelt, ist es die günstigste Möglichkeit um an Internet zu kommen. Voraussetzung ist nur eine freie Sichtverbindung zwischen dem Kamerastandort und dem Internetanschluss. Wir haben bereits erfolgreich mehrere sehr stabile Richtfunkstrecken errichtet. Meist greifen wir auf die sehr ausgereiften Produkte des Herstellers MikroTik zurück (siehe Bild unten).

Internetverbindung - Mobilfunknetz
Bislang waren wir der Meinung, die Internetverbindung über das Mobilfunketz herzustellen sei keine Alternative. Bei einer unserer letzten Fotowebcam-Systeme haben wir das erstmals versucht. Entgegen unserer Vermutungen sind wir sehr positiv überrascht von der Stabilität und Zuverlässigkeit des LTE-Netzes. Solange das Highspeed-Datenvolumen nicht aufgebraucht ist, funktioniert alles hervorragend. Sogar eine öffentliche IP-Adresse wird zugewiesen, das bedeutet über Portforwarding können wir komfortabel auf den Steuerrechner bei der Kamera von der Ferne aus zugreifen. Einziger Nachteil gegenüber der WLAN-Richtfunkstrecke: Es entstehen zusätzliche monatliche Kosten. Aber was ist wenn kein LTE verfügbar ist? Das kommt im ländlichen Raum relativ häufig vor. Aktuell betreiben wir ein Testsystem im D2-Netz ohne öffentliche IP-Adresse (NAT). So wie es aussieht lässt sich eine Fotowebcam auch im gewöhnlichen Handynetz ohne LTE betreiben. Das System ist durch einen Reverse-Tunnel vom Server aus ansprechbar, was auch die volle Fernsteuerung zulässt. Sobald es so weit ist, werden wir unsere "Forschungsergebnisse" hier etwas näher beschreiben.

Solarbetrieb
Um an exponierten Standorten ohne Infrastruktur eine Foto-Webcam zu betreiben kommt man nicht ohne autarke Stromversorgung aus. Die Anlage kann mit der Kombination Solarstrom / Richtfunk betrieben werden. Bei geeignetem Empfang ist auch ein Betrieb im Mobilfunknetz nicht mehr auszuschließen. In Kürze mehr dazu.

Die Software

Server
Um eine oder mehrere Fotowebcams in der Form wie hier zu betreiben benötigt man einen oder mehrere leistungsstarke Server mit viel Speicherkapazität. Ein gewöhnliches Webhosting reicht nicht aus. Da die Bilder vom Server angefordert werden, ist immer voller Root-Zugriff von notwendig. Die Server müssen regelmäßig überprüft und gewartet werden. Um alles zu verarbeiten können betreiben wir mittlerweile zwei Server von hetzner (EX40 & SX61).

Am besten läßt sich die Funktionsweise der Webcam-Software anhand eines Bilddurchlaufes darstellen:
1. Schritt: Auslösung durch Cronjob am Webcamserver
Die "Auslösungskette" beginnt am Webserver (Terra-HD Server) per Cronjob. Ein Shell-Script, welches sich auf dem Webserver befindet wird ausgeführt. In diesem Script wird beispielsweise der nächste Bildname festgelegt, wenn notwendig wird ein neues Verzeichnis erstellt (pro Tag ein Verzeichnis).

2. Schritt: SSH-Tunnel wird aufgebaut
Zum Steuerrechner bei der Webcam wird nun ein SSH-Tunnel aufgebaut. Am anderen Ende des Tunnels (Steuerrechner bei der Kamera) wird nun auf dem Steuerrechner welcher per USB mit der Kamera verbunden ist ein weiteres Shell-Script ausgeführt. Dieses Script ist nur ein kleines aber ein sehr wichtiges. Es kommuniziert direkt mit der Kamera und löst per gphoto2 ein Bild aus. Ist das Bild fertig wandert es direkt per STDOUT zurück durch den Tunnel an den Webserver. Da ja dort noch der Bildname bekannt war, wird das zurückgeschickte Datenpaket unter dem Namen im richtigen Verzeichnis gespeichert. Erläterungen zum SSH-Tunnel: Voraussetzung für einen solchen Tunnel ist eine Portweiterleitung (SSH-Port) im lokalen Netzwerk der Webcam angewendet auf den Steuerrechner. Ein Problem hierbei ist, dass Internetanbieter die einem zugeordnete öffentliche IP-Adresse zum Teil täglich ändern. Zu Anfangs habe ich auf "Dyn-DNS" Dienste zurückgegriffen. Mit dem Ergebnis, bzw. mit dem Aufwand war ich nicht zufrieden da die meisten Router nur bestimmte Dienste akzeptieren. Die Aktualisierung des Dienstes hat auch nicht bei jedem Router immer problemlos funktioniert. Insbesondere Telekom-Router restriktieren hier gnadenlos. Kostenlose Dyn-DNS Dienste werden zudem immer seltener. Nun gehe ich einen viel einfacheren Weg: Die öffentliche IP-Adresse am Steuerrechner wird einfach entsprechend dem Bildintervall vom Steuerrechner selbst in eine Datenbank geschrieben / überschrieben. Der Eintrag wird vom Webserver vor jedem Bild ausgelesen. So wird der SSH-Tunnel immer zum richtigen Adressat aufgebaut. Betreibt man eine Fotowebcam im Mobilfunknetz scheitert es an der allgemeinen Erreichbarkeit des Steuerrechners. Viele Handynutzer sitzen hinter einem Proxy, eine Portweiterleitung im Router ist nutzlos. Für den Einsatz im Mobilfunknetz eigent sich ein Reverse-Portforwarding. Der Rechner im Mobilfunknetz baut einen permanenten Tunnel zum Webcamserver und leitet sich selbst an einen beliebigen Port weiter. Vom Server aus wiederum kann man an diesem Port nun auf den Rechner im Mobilfunknetz zugreifen.

3. Schritt: Bildbearbeitung und Belichtungskorrektur bei Dunkelheit
Der Ablauf ist noch nicht beendet, es handelt sich bisher nur um einen Teilabschnitt im Hauptscript. Ist das Bild erfolgreich abgelegt wird ein php-Script auf dem Webserver ausgeführt. Dieses schneidet das Bild in verschiedene Größen, und legt diese in verschiedene Verzeichnisse ab. Hier könnte man das Bild theoretisch auch noch weiter nachbearbeiten. Eigentlich sind die Bilder aber schön genug... Bei Dunkelheit kommt noch ein weiterer Abschnitt im php-Script zum Einsatz. Die Belichtungskorrektur. Hat das php-Script erkannt daß es nachts ist (Uhrzeit) wird die Bildhelligkeit ausgerechnet. Fällt die Helligkeit unter eigens bestimmte Schwellenwerte wird nochmals ein Tunnel zur Webcam aufgebaut. Mitgegeben werden berechnete Sollwerte für Belichtungskorrektur und ISO. Das angesprochene Script gibt nun den Befehl direkt zur Kamera weiter, die Einstellungen werden geändert. Das gleiche funktioniert natürlich auch andersherum: Ist ein Bild zu hell gehen ebenfalls entsprechende Befehle zur Kamera. Sollte bei der Abarbeitung der Anweisungen irgendwo ein Fehler auftreten, kann man die diese in eine log-Datei umleiten, sich eine E-Mail schicken, theoretisch eine SMS senden, etc...

Andere Aufnahmemodi der Kamera
In der Vergangenheit war die Automatik der Kamera der Stand der Dinge (Canon: "P"). Für Zeitrafferfilme ist dieser Aufnahmemodus in Verbindung mit der Belichtungskorrektur nicht unbedingt gut geeignet, da die Bildhelligkeit relativ sprunghaft ist. Für die volle Kontrolle haben wir Scripte für den "M-Modus", "TV-Modus" und den "AV-Modus" mit automatischer und beliebig einstellbarer Korrektur entwickelt.

Software zur Darstellung im Internet
Um die angelieferten Bilder auch ansehlich im Internet darzustellen benötigt es ein geeignetes Layout, sowie eine ausgeklügelte Programmierung um die Inhalte dynamisch gestalten zu können. Die Frontendsoftware wurde durch viele entwickelte Funktionen nicht minder komplex als die Software zur Steuerung der Kameras. Wir setzen auf ein 100% eigenes Template. Den Schwerpunkt haben wir auf "Einfachheit" im Layout gelegt. Sowohl mit Smartphones, als auch mit großem Bildschirm kann man die Seite recht gut betrachten und steuern. Richtig spannend wird es aber erst mit richtig großen Bildschirmen. Das Webcambild wird dabei bis auf eine maximale Breite von 1920 Pixel aufgeblasen.

Bei jeglichen offenen Fragen helfen wir gerne weiter: info@webcam-hd.de