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So funktioniert eine Fotowebcam - Und wieso ist die Bildqualität herkömmlichen Webcams so überlegen?

Was ist eine Fotowebcam?

Die ersten Webcams kamen schon recht früh auf dem Markt. Sie wurden ursprünglich entwickelt um Gebäude oder Grundstücke zu überwachen. Dabei war es mehr oder weniger egal, ob das Bild schön aussieht oder nicht. Es ging, oder geht mehr oder weniger immer noch um den Zweck. Soviel sei gleich vorab gesagt: Zur Überwachung oder dergleichen ist eine Fotowebcam überhaupt nicht geeignet. Nach wie vor würden wir jedem der dergleichen plant eine gewöhnliche Netzwerkkamera empfehlen. Andersherum aber beginnt unserer Meinung nach das Problem: Viele setzen eine Überwachungskamera unsachgemäß für touristische Zwecke ein. Den Bildern fehlt der Detailreichtum und der Dynamikumfang um beim Betrachter Emotionen zu wecken. Genau in diese Lücke hüpft die Fotowebcam mit Spiegelreflex-Technik. Eine Spiegelreflexkamer ist zwar nicht dafür gebaut als Webcam eingesetzt zu werden, mit den nötigen Kenntnissen aber lässt sie sich von der Funktioniolät her in eine Netzwerkkamera umbauen. Das Ergebnis sind faszinierende Aufnahmen, sowohl am Tage als auch während der Nacht. Was diese Technik alles ermöglicht, läßt sich auf dieser Seite ohne große Worte sofort erkennnen: Beste Bilder
In der Hardware und in der Software stecken viele Jahre harte Entwicklungszeit mit Höhen und Tiefen. Mittlerweile ist auch dank der eigens für diesen Einsatzzweck entwicklenten Platine ein sehr hohes Level in Bezug auf Robustheit und Ausfallsicherheit der gesamten Technik erreicht worden und gipfelt nun im autarken 24/7-Betrieb per Sonnenenergie. Dies ermöglicht den Betrieb an theoretisch jedem Ort, ohne ans Stromnetz gebunden zu sein.

Kann man die Technik kaufen?

Natürlich! Auf dieser Seite haben wir für alle Informationen für Interessierte zusammengetragen: Webcam kaufen

Die wesentliche Hardware der Fotowebcam

Folgende Punkte sollen nur als stichpunktartige Stoffsammlung dienen. Für ein "robustes" System mit vielen Kameras so wie hier ist natürlich einiges mehr notwendig. Ein guter Programmierer bekommt es relativ schnell hin eine Spiegelreflexkamera zu steuern. Ein Portal mit vielen Kameras über lange Zeit zu betreiben bedingt aber einiges an Expertenwissen in Serveradministration, Netzwerkadministration, Elektrotechnik, Shell, Datenbanken, Frontendprogrammierung und zu guter Letzt auch erweitertes Wissen in der Fotografie sowie handwerkliches Geschick. Nun zur Hardware:

Spiegelreflexkamera
Die Spiegelreflexkamera ist natürlich das wichtigste und das Herzstück der Fotowebcam. 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 eingeschaltet wird. Die Objektivstellung beispielsweise darf sich nicht ändern. Die Kamera muss ohne Verzögerung im betriebsbereiten Zustand sein. Ein weiterer sehr wichtiger Punkt ist ein zu 100% abschaltbarer Standby-Modus. Nie darf sich die Kamera von selbst ausschalten. Die für uns besten und stabilsten Modelle sind bisher: Canon EOS 1100D (im Handeln icht 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 Fotowebcam unserer Meinung nach überhaupt nicht. Die 1100D hat eine etwas niedrigere Auflösung, die 1300D ist eine Kopie der 1200D mit für uns nutzlosen WLAN on board :-) Es hat sich im Praxisbetrieb gezeigt, dass die Kamera gelegentlich in einen unsteuerbaren Zustand gelangen kann. Dies kann entweder durch Absturz der Kamerafirmware passieren, oder durch eine Spannungsschwankung (vornehmlich hervorgerufen durch den PoE-Splitter beim PoE-Betrieb, siehe unten). Dies kommt von Kamera zu Kamera mal häufiger, oder auch nie vor. Da bei wachsender Anzahl der Kamerasysteme natürlich auch die Probleme zunehmen war es notwendig ein System zu entwickeln das es ermöglicht die Kamera von der Ferne aus auszuschalten (siehe GPIO-Platine).

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 Pi3 oder 2 (ältere Systeme, aber immer noch im Einsatz) mit Linux-Distribution auf MicroSD-Karte. Die zweite Version und dritte Version des Mini-Rechners hat uns im Vergleich zur ersten Version (SD-Karte) 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. Der Betrieb der Fotowebcam per direktem WLAN am Steuerrechner ist möglich aber nicht empfehlenswert, eine LAN-Verkabelung ist immer vorzuziehen. Das praktischste am Raspberry PI aber ist "GPIO" (siehe GPIO-Platine).

GPIO-Platine am Raspberry Pi
Die letzten Jahre über haben wir eine Platine entwickelt, welche am GPIO des Raspberry Pi aufgesteckt wird. War ein jedes System bisher kompliziert den Umgebungsbedingungen am Standort angepasst, wird nun an allen Systemen einheitliche und schnell austauschbare Technik verwendet. Der Platine werden immer 12V zugeführt (PoE, Netzteil oder Solarladeregler bei Photovoltaik-Betrieb). 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, optional Richtfunk und die Kamera selbst. Alle Komponenten können über die Platine im Fehlerfall von der Ferne aus aus-bzw. eingeschaltet werden. Ganz besonders wichtig ist dies bei der Kamera. Wie bereits weiter oben erwähnt, kommt es in seltenen Fällen zum Absturz der Kamera-Firmware und die Kamera ist in einen unsteuerbaren Zustand. Ohne jegliche Steuerungsmöglichkeit muss in diesem Fall die Stromversorgung der Kamera vor Ort manuell unterbrochen werden. Bei schwer zugänglichen oder örtlich weit entfernten Systemen kann dies sehr ärgerlich sein. Mit der GPIO-Platine kann man diese Fehler bequem und schnell von der Ferne aus beheben. Ein weiterer Vorteil ist die rasche und einheitliche Verkabelung bei der Montage vor Ort. Die Platine wird auch bei den Systemen mit Solarenergie verwendet.

Wasserdichtes und belüftetes Außengehäuse


Standardmäßig wird ein Polycarbonatgehäuse verwendet. Dieses ist unschlagbar preisgünstig und haltbar, jedoch sind die Aussparungen für die Scheibe, die Kabeldurchführungen und die Halterungen aufwändig. Seit kurzem ist auch ein Edelstahlgehäuse verfügbar. Das praktische daran ist, dass keine großen Bohr- und Klebearbeiten vorgenommen werden müssen. Obendrein sieht das Gehäuse sehr "technisch" und hochwertig aus. Einziger Nachteil ist das hohe Gewicht bei Montage des Systems. Wichtig bei beiden Gehäusen ist eine Belüftung mittels Lüfter, sowie eine Heizung. Die Kamera selbst, sowie die nötige Elektronik ist unglaublich robust. Die Heizung wird nicht benötigt um die Elektronik vor Frost zu schützen, sondern damit der Druck im Gehäuse immer etwas höher ist als der Außendruck. Ist dies nicht der Fall strömt bei Abkühlung der Außenluft im schlimmsten Fall feucht-gesättigte Luft ins Gehäuse. Eine beschlagene Scheibe ist das Ergebnis. Diesen Zustand kann eine kleine Heizung (beispielsweise Heizfolie) zumeist zuverläßig verhindern. In allen Sparten der Elektronik (auch bei uns) wird das Thema Kondenswasser aber trotzdem immer ein großes Thema bleiben. Bei Standorten mit autarker Energieversorgung (Solarenergie) gehen wir einen anderen Ansatz (siehe Solarbetrieb)

Internetverbindung - WLAN Richtfunk
Relativ häufig steht am Kamerastandort kein Internetzugang zur Verfügung. 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 stabile Richtfunkstrecken errichtet. Meist greifen wir auf die sehr ausgereiften Produkte der Hersteller MikroTik oder Ubiquiti zurück.

Internetverbindung - LTE
Mehrere unserer Kamerasysteme (vorzugsweise Baustellenprojekte) sind mit dem LTE-Netz verbunden. LTE ist rasend schnell und erstaunlich stabil. Auch die Bandbreite ist ideal, um eine Fotowebcam zu betreiben. In der Regel ist so ein System so aufgebaut: Neben dem Gehäuse für die Kamera existiert noch ein weiteres Zusatzgehäuse. In diesem befindet sich ein LTE-Router inklusive LTE-Modem (Stick). Vom Router wird per LAN zur Kamera verkabelt. Dieses Komplettsystem kann über ein einziges 12V-Netzteil betrieben werden. Grundsätzlich ist sogar der Betrieb per Solarenergie denkbar. Dieser Aufbau ist ideal für wechselnde Standorte, z.b. für Baustellendokumentationen, etc.. Kamerasystem montieren, Netzteil einstecken und alles ist betriebsbereit. Dieses System ist bereits mehrfach in dieser Form in Betrieb und bei Baufirmen sehr beliebt.

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 geeigneter Netzabdeckung ist auch ein Betrieb im Mobilfunknetz nicht auszuschließen. Treffen Sonnenstrahlen auf das Photovoltaik-Modul wird die Batterie über den Laderegler geladen. Damit die Kameras auch Nachts und in Schlechtwetterperioden Bilder liefern haben wir über mehrere Jahre einen ausgeklügelten Sleep-Mechanismus auf Microcontrollerbasis entwickelt. Alle notwendigen Geräte (Kamera, Steuerrechner, Richtfunk, Heizung) werden im Gegensatz zur Standard-Fotowebcam zwischen den Bildern in einen Tiefschlaf versetzt. Um Schäden am Steuerrechner und Richtfunk zu vermeiden, werden diese Geräte vorher rechtzeitig runtergefahren. Mit dieser Maßnahme wird der durchschnittliche Gesamtverbrauch (inkl. Richtfunk!) auf etwa 1 Watt gedrückt. Sollte die Kapazität der Batterie einmal zur Neige gehen kann Energie eingespart werden, in dem das Bildintervall verlängert wird. Dies alles von der Ferne zu steuern, war die Schlüsselstelle in der Entwicklung dieses Systems. Da der Steuerrechner in der Regel nur sehr kurz im durch Richtfunk angebundenen Netzwerk hängt, haben wir im Normalfall keine Möglichkeit auf diesen von der Ferne zuzugreifen. Wird jedoch aufgrund Scheibenbeschlag oder für eine Fehlersuche ein Fernwartungstunnel (SSH) benötigt, haben wir die Möglichkeit über eine Schnittstelle am Webcamserver ein begrenztes Wartungsfenster zu öffnen. Dieses wird benötigt, um beispielsweise die Heizung einzuschalten, oder im Fehlerfall auf Fehlersuche zu gehen. Ein großes Thema beim Solarbetrieb ist Kondenswasser. In der Regel steht nicht genügend Energie zur Verfügung um das Gehäuse zu beheizen. Bei Verwendung des Polycarbonatgehäuses für die Kamera haben sich in den letzten Jahren einige wichtige Dinge herauskristallisiert. Stichpunkte: Das Gehäuse muss von der Oberseite, sowie von allen Seitenwänden extrem gut abdichten. Es darf kein Regenwasser ins Innere gelangen. Ist dies nämlich der Fall, kondensiert die Feuchtigkeit sofort bei sinkender Temperatur. Ist dies einmal passiert, ist die Feuchtigkeit kaum mehr herauszubekommen. Nur ein beheizen bei steigender Temperatur würde wieder einen Luftaustausch von drinnen nach draußen in Gange bringen und das Gehäuse trocknen. An der vor Regen sicheren Unterseite jedoch ist es zwingend erforderlich einen Druckausgleich zu ermöglichen. Wir haben schon mehrere Varianten ausgiebig gestestet, von speziellen Belüftungsstutzen über GORE-TEX-Membrane bis offene Kabelverschraubungen. Die besten Ergebnisse haben mehrere kleine Löcher an der Unterseite gebracht. Die Löcher sollten 1-2 mm Durchmesser haben, um Ungeziefer auszusperren. Diese kleinen Löcher sind enorm wichtig für den Druckausgleich zwischen Außen- und Innenluft. Um das ganze anschaulicher zu erklären: Kann sich die Temperatur im Gehäuse nicht schnell genug der Außentemperatur anpassen, ergibt sich ein Druckunterschied zwischen Innen und Außen. Dieser Druckunterschied setzt eine Luftbewegung nach vom Gehäuse nach außen, oder von außen ins Gehäuse in Gange. Natürlich ist die Anfälligkeit für Kondenswasser auch stark vom Standort selbst abhängig. In Tallagen mit Tendenz zu ausgeprägten "Kaltluftseen" sind die Schwierigkeiten unseren Erkenntnissen nach am Größten.

Die Software

Server-Cluster / Server-Verbindungen
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 verarbeiten zu können betreiben wir mittlerweile ein Server-Cluster. Alle Steuerrechner bei den Kameras (mit Ausnahme Solarbetriebene) unterhalten eine permanente SSH-Verbindung zu allen Servern. In Vergangenheit haben wir auf "Port-Forwarding" gesetzt, für eine überschaubare Anzahl von Kameras ist dies auch immer noch der beste und schnellste Zugriffspunkt. Bei Montage eines Kamerasystems hat uns dies aber oft vor Probleme gestellt, da die richtigen Ansprechpartner nicht vor Ort waren, ein Port-Forwarding nicht erlaubt wurde, etc.. Aus diesem Grunde haben wir eine eigene Lösung erabeitet welche ganz ohne Port-Forwarding auskommt. Es ist ein sogenanntes "Reverse-Port-Forwarding". Sobald der Steuerrechner eine Netzwerkanbindung bekommt, baut er automatisch eine Verbindung zu unserem Server-Cluster auf. Ganz ohne Konfiguration im lokalen Netzwerk, erlaubt uns dies ein Zugriff auf den Steuerrechner vom Server-Cluster aus. Sollte einmal ein Server ausfallen, kann problemlos ein anderer die Arbeit übernehmen. Die Bildarchivierung, sowie die Darstellung beim Nutzer übernimmt ein anderer Server mit viel Speicherkapazität. Dieses Server-Cluster kostet zwar viel Geld, ist aber für mehrere Kamerasysteme zwingend erforderlich.

Kamera auslösen und hochladen
Die oben erwähnten Steuerrechner (in unserem Falle ein Raspberry Pi) sind per USB mit der Kamera verbunden. Vom Server aus geschieht der Zugriff auf den Steuerrechner per Cronjob. Stichpunktartig:
->Server greift auf Verbindung vom Steuerrechner zu
->Kamera wird per USB angesprochen. Ein Bild wird gemacht
->Das Bild wandert per STDOUT zum Server
->Das Bild wird am Server bearbeitet und am richtigen Platz abgespeichert
->Zur Nachtzeit wird am Server die Bildhelligkeit berechnet
->Wenn notwendig geht ein Befehl zurück zum Steuerrechner (Belichtungskorrektur, ISO)

Die obigen Beschreibungen dienen rein als lückenahfte Übersicht für den Interessierten Nutzer. Die Software werden wir im Detail nicht veröffentlichen. Sollte jedoch jemand Lust haben, zum Hobbyzweck eine Fotowebcam aufzubauen helfen wir aber gerne weiter: info@webcam-hd.de