Dank der RasPi-Cam-Module konstruieren Sie schon mit einem kleinen Budget ein drahtloses Multikameranetzwerk für Serienbilder, Infrarot-Fotografie und 3D-Aufnahmen.
Die Pressemitteilungen aus der Kameraindustrie klingen derzeit wenig optimistisch. Große Kamerahersteller berichten über Umsatzeinbrüche und sehen die Ursache in der Entwicklung der Smartphone-Kameras. Auch die Leser dieses Magazins dürften in der Regel ein modernes Smartphone besitzen und sind damit für einen schnellen Schnappschuss – und mehr – bestens ausgerüstet. Wer aber tiefer in die Bildverarbeitung einsteigen möchte, der kann mit den Raspberry-Pi-Kameramodulen kostengünstig neue und vielleicht bisher unbekannte Wege beschreiten.
Im Bereich der hochauflösenden Standbilder zählen dazu unter anderem die Infrarot-Fotografie, das Anfertigen von Raumbildern, Serienaufnahmen oder auch Kameranetzwerke. Der vorliegende Beitrag beleuchtet Facetten dieser anderen Fotografie und zeigt die Nutzung diverser Bibliotheken und Werkzeuge, wie zum Beispiel der Computer-Vision-Bibliothek OpenCV [1]. Die hier vorgestellten Software-Komponenten bieten einen strukturierten Baukasten für die Modifikation und Entwicklung eigener Anwendungen.
Raspberry-Pi-Kameramodule
Die derzeit offiziell von der Raspberry Pi Foundation unterstützten Kameramodule sind der Sony-IMX219-Sensor mit 8 Megapixeln und die HQ Cam mit gut 12 Megapixeln. Der Sony-Sensor ist mit einer 3-Millimeter-Optik ausgestattet und kommt auf ein horizontales Sichtfeld (im Jargon oft auch Field of View oder kurz FOV) von 62 Grad. Entfernt man dessen Linse und montiert ein M12-Mount, dann lassen sich eine Vielzahl von Fremdobjektiven mit einem S-Mount – vom Makrobereich über Weitwinkel, Tele oder Fischaugen für die 360-Grad-Fotografie – verwenden.
Die maximale Bildauflösung des Sony-Sensors liegt bei 3592 x 2544 Pixeln. In der Version NoIR entfällt der Infrarot-Sperrfilter. Interessant ist auch noch der Vorgänger des Sony-Sensors, der OmniVision V1 mit 5 Megapixeln. Für Experimente eignet er sich allemal und schont zudem das Budget erheblich.
Im Mai 2020 brachte die Raspberry Pi Foundation die HQ Cam mit einer Auflösung von 12 Megapixeln (4060 x 3040) für C- und CS-Mount-Objektive auf den Markt. Ein geeigneter und kostengünstiger Objektivtyp für diese Kamera ist ein Exemplar mit 6 Millimeter Brennweite mit Blendenfunktion. Dazu bieten diverse Hersteller eine breite Palette von Objektiven an.
Abbildung 1 zeigt die HQ Cam im Laboraufbau für den Betrieb als einzelne Kamera. Der HDMI-Touchscreen macht sich recht gut, benötigt aber einiges an Energie. Ein über VNC verbundenes Smartphone oder Tablet empfiehlt sich hier als Alternative. Das System im Bild basiert auf einem Raspberry Pi B3+. Das spezielle Akkupack signalisiert seinen Ladezustand, ist mit einem Schalter ausgestattet und lässt sich während des Betriebs laden. Die USB-Schnittstellen erlauben den Anschluss einer Funktastatur oder von externen Massenspeichern. Insgesamt handelt es sich hier also um ein aus Standardkomponenten zusammengestelltes autarkes System, das mit der weiter unten besprochenen Software betrieben wird.
Abbildung 1: Das ist die Neue: Die HQ Cam der Raspberry Pi Foundation für C- und CS-Mount-Objektive.
Die Installation der Kamera mit einem Flachbandkabel über die CSI-Schnittstelle gestaltet sich denkbar einfach. Im Set-up des RasPi gilt es, die Kamera zu aktivieren; danach lassen sich über die Konsole mit dem Befehl raspistill sofort die ersten Bilder aufnehmen. Eine Bildvorschau gelingt allerdings nur über einen direkt angeschlossenen HDMI-Monitor.
Dabei gilt es zu beachten: Die RasPi-Kamera ist kein Ersatz für eine Point-and-Shoot-Kamera. Sie soll in ungewöhnlichen Situationen vor Ort besonderen Aufgaben dienen. Das Augenmerk gilt in diesem Artikel fotografischen Experimenten, Infrarot- und 3D-Fotografie, programmgesteuerten Serienaufnahmen und der Kommunikation im Netzwerk.
Welche Version des Raspberry Pi braucht man dazu? Einen großzügig ausgestatteten RasPi 4, ein Compute-Modul oder den bei vielen Nutzern bereits vorhandenen RasPi 3B? Nein: Ein leichtgewichtiger Pi Zero W genügt zum Knipsen völlig. Für komplexe Nachbearbeitungen wechselt man dann auf einen Desktop.
Kameragehäuse im Selbstbau
Ein Raspberry-Pi-Kameramodul wird als kleine Platine von 25 x 25 mm mit Flachbandkabel geliefert. Man bekommt im Handel auch passende Halterungen, die jedoch für einen robusten Einsatz nicht ausreichen. Die CAD-Community bietet da schon wesentlich mehr, und dem 3D-Drucker sind keine Grenzen gesetzt. Neben Objektiven, Kameramodul und Rechner (Pi Zero W) müssen Sie noch Raum für den Akku vorsehen. Den Vorschlag für das Gehäuse gibt es hier in einer Light-Version und einer etwas komfortableren Variante mit Batterieaufnahme.
Die Light-Version (Abbildung 2) besteht aus einer Bastelplatte, die man in eine Handyhalterung einschiebt. Mit dabei ist eine 1/4-Zoll-Stativschraube für das flexible Handystativ – schnell montiert und im Teststadium zweckdienlich. Ursprünglich war diese Halterung zum Testen einer Pi-Zero-Kamera vorgesehen. Es waren jedoch keine besonders guten Ergebnisse zu erzielen, daher sieht man in Abbildung 2 die V1-Version mit 5 Megapixeln (im Handel etwa ab 9 Euro zu bekommen) verbaut.
Abbildung 2: Die Light-Version eines Kameratandems auf einer Blitzschiene.
Zwar noch nicht wetterfest, aber doch schon mit mehr Komfort gestaltet sich das in Abbildung 3 gezeigte Stecksystem aus dem 3D-Drucker mit Objektivplatte für M12-Halterung (oben) und 28-mm-Filtergewinde (unten). Als Stromversorgung hat sich die bereits erwähnte Erweiterungsplatine mit Lithium-Akkupack bewährt. Die GoPro-Halterung gehört mit in die Bodenplatte.
Abbildung 3: DIY-Kameras für ein Multikameranetzwerk mit M12-Mounts und 28-mm-Filtergewinde, RGB- und NoIR-Sensoren.
Zwei Kameras können zum Beispiel auf einer Blitzschiene als Tandem (Kamera Rig) montiert sein. Die feste Anordnung ist aber nicht zwingend vorgesehen. Mechanische Armaturen zum Auslösen der Kameras gibt es nicht, die Steuerung erfolgt über ein Mobilgerät (Smartphone, Tablet, Laptop). Zum Transport wird die Kamera in einer leichten Blechdose mit einer Stativschraube fixiert. Es wäre auch noch zu erwähnen, dass für die Kamera-Leichtgewichte keine schweren Stative notwendig sind. Mit diversen Kameraklemmen findet man an allen Orten flexible Gelegenheiten zur Positionierung und Ausrichtung.
Auf ein Display, etwa auf einen 3,5- oder 5-Zoll-HDMI-Monitor, verzichtet das Hardware-Konzept. Solche Bildschirme eignen sich für Außenaufnahmen ohnehin nicht besonders und verbrauchen zudem viel Energie. Das Netzwerk lässt sich leicht mittels eines lokalen Routers aufbauen. Kompakte Modelle messen nicht mehr als 5 x 5 cm und finden noch im Gehäuse Platz. Wer Zeitstempel in den Dateireferenzen benötigt, fügt noch einen RTC-Chip hinzu oder hängt ein GPS-Modul an.
Einrichten der Software-Umgebung
Mit einer Python-Programmierumgebung ist man gut ausgestattet. Ressourcen aus dem Internet zeigen auch dem Nichtprofi Problemlösungen auf. Zu den zusätzlich benötigten Bibliotheken zählen vorrangig PiCamera [2], das Interface zum Pi-Kameramodul, sowie die Computer-Vision-Bibliothek OpenCV. Die später zum Einsatz kommende GUI soll möglichst ohne Tastatureingaben auskommen, daher wäre noch Tkinter [3] zu installieren, die Sprachanbindung für das GUI-Toolkit.
