Was ist eine Fotowebcam?

Netzwerkkameras gibt es schon lange. Sie werden entwickelt um Eigentum zu überwachen. Dabei ist es mehr oder weniger egal, ob das Bild schön ist oder nicht. Eines gleich vorweg: Zur Überwachung ist eine Fotowebcam weniger geeignet. Nach wie vor würden wir einem jedem der etwas überwachen möchte eine gewöhnliche Netzwerkkamera empfehlen. Problematisch wird es allerdings, wenn man mit einer Überwachungskamera minderer Bildqualität seine Nutzer überzeugen möchte. Der heutige Internetnutzer ist sehr anspruchsvoll und den Bildern fehlt der Detailreichtum, der Dynamikumfang und auch die nötige Belichtungszeit um beim Betrachter Emotionen wecken zu können. Genau dieser Problematik haben wir uns gestellt. Wir haben uns zum Ziel gesetzt, die Qualität an vorhandenen Internetkameras im Netz erheblich zu verbessern. Eine digitale Spiegelreflexkamera ist mittlerweile für Jedermann erschwinglich und bringt Funktionen mit, die Überwachungskameras in den Schatten stellt. Als Funktion sei hier die Langzeitbelichtung genannt. Besonders bei Nachtbildern hebt sich die Spiegelreflex-Technik am größten von einer Netzwerkkamera ab. Mit technischen Features wie "Full-HD" oder "4K", etc. werden Webcams umworben. Jedoch haben diese Zahlen keine Aussagekraft über die wahre Bildqualität. Mögen die Bilder tagsüber noch brauchbar sein, spätestens bei Dämmerung ärgert man sich über das "Bildrauschen". Und das genau zur besten Tageszeit für harmonische Bilder...Und genau hier geht es bei der Fotowebcam. Eine Spiegelreflexkamera wurde zwar nicht zur IP-Cam geboren, bei unserem Projekt geht es im Kern aber genau darum: Eine Spiegelreflexkamera zur Netzwerkkamera umbzubauen! Das Ergebnis sind faszinierende Aufnahmen, sowohl am Tage aus auch während der Nacht (besonders bei Mond). Was diese Technik alles ermöglicht, läßt sich auf dieser Seite erahnen: Beste Bilder
In unserer Hard- & Software stecken viele Jahre harte Entwicklungszeit und die Technik befindet sich mittlerweile auf einem sehr hohen Level in Bezug auf Robustheit und Ausfallsicherheit. Im Jahr 2017 wurde die Fotowebcamtechnik so weit vorangetrieben, dass mittels Photovoltaik ein absolut autarker 24/7-Betrieb ohne Infrastruktur in Form von Strom und direkter Netzwerkverbindung möglich ist.



Kann man eine Fotowebcam kaufen?

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

Die Hardware der Fotowebcam

Folgende Punkte sollen nur als stichpunkthaltige 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, 2000D, 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 (Auslaufmodell), Canon EOS 1200D (Auslaufmodell), Canon EOS 1300D (Auslaufmodell) und Canon 2000D. Die vier Modelle unterscheiden sich in Bezug auf Bildqualität beim Betrieb als Fotowebcam unserer Meinung nach kaum. Die 1100D hat eine etwas niedrigere Auflösung, die 1300D und die 2000D sind Kopien der 1200D mit für uns nutzlosen Funktionen wie WLAN, GPS, etc... 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 PoE-Geräte, 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 und wieder anzuschalten (siehe GPIO-Platine).

Steuerrechner
Hierbei handelt es sich um einen kleinen Embedded-Linux-Rechner, der platzsparend im Außengehäuse untergebracht wird. Die Kamera ist per USB mit selbigem verbunden. Der Rechner stellt die Schnittstelle zur Außenwelt und somit zum Webcamserver dar. Wir verwenden einen Raspberry Pi (Version 2 oder 3) mit einem Linux-Betriebssystem auf MicroSD-Karte. Bei Beginn des Projektes haben wir uns für den Raspberry Pi entschieden, da er günstig ist, gut verfügbar ist und weil sich eine große Community rundherum gebildet hat. 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-General Purpose Input-Output" (siehe GPIO-Platine).

GPIO-Platine am Raspberry Pi
Über die letzten Jahre haben wir eine Platine für die Stromversorgung aller Anbauteile einer Fotowebcam 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 ebenfalls 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 einem 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 schnell 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. Eine um einen Sleep-Modus weiterentwickelte 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. Ebenso ist auch ein Edelstahlgehäuse verfügbar. Das praktische daran ist, dass keine großen Bohr- und Klebearbeiten anfallen. 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

Nicht immer steht am Kamerastandort Netzwerk per Ethernetkabel zur Verfügung. Da es sich um eine einmalige Hardwareanschaffung handelt, ist WLAN-Richtfunk die günstigste Möglichkeit um ins Netzwerk zu gelangen. Voraussetzung ist nur eine freie Sichtverbindung zwischen dem Kamerastandort und einem Internetanschluss. Wir haben bereits erfolgreich mehrere stabile Richtfunkstrecken errichtet. Meist greifen wir auf die sehr ausgereiften Produkte der Hersteller Mikrotik oder Ubiquiti zurück.



Internetverbindung / Mobilfunk 2G, 3G, 4G, 5G

2G / 3G: Nicht ausreichend für eine Fotowebcam.
4G (LTE): LTE eignet sich hervorragend zum Betrieb einer Fotowebcam.
5G: Noch nicht verfügbar, aber 5G bringt ungeahnte Möglichkeiten mit sich. Wir hoffen, dass der Netzausbau schnell voran geht.

Solarbetrieb (Photovoltaik)

Um an exponierten Standorten ohne Infrastruktur eine Foto-Webcam betreiben zu können kommt man an Photovoltaik nicht vorbei. Die Anlage kann mit der Kombination Solarstrom / Richtfunk betrieben werden. Bei geeigneter Netzabdeckung ist auch ein Betrieb im Mobilfunknetz nicht auszuschließen (Stichwort 4G,5G). 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 Gang. 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. Auf den Bergen dagegen gibt es kaum Probleme, da sich die "gefährliche" Kalt-feuchte Luft unten im Tal ansammelt.



Die Software

Server-Cluster / Server-Verbindungen
Um eine oder mehrere Fotowebcams in der Form wie hier zu betreiben benötigt man einen oder (bei mehreren Kamerasystemen) 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 nach außen 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 unbedingt erforderlich.

Kamera auslösen und hochladen Die Kamera ist per USB mit dem Steuerrechner verbunden. Der Steuerrechner unterhält eine permanente Tunnelverbindung zum Webcamserver.
->Server greift auf Steuerrechner zu
->Kamera wird per USB angesprochen. Ein Bild wird gemacht
->Das Bild wandert durch den Kommunikationstunnel zum Server
->Das Bild wird am Server bearbeitet und am richtigen Platz abgespeichert
->Zur Nachtzeit wird am Server nachträglich die Bildhelligkeit berechnet
->Wenn notwendig geht ein Befehl über den Steuerrechner zurück zur Kamera (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