Als Hobbyfotograf und RasPi-Fan baut sich Swen Hopfe seine Kameras am liebsten selbst. Auch sein neuestes Modell mit dem Bildsensor der Pi HQ Cam und Wechselobjektiven steuert ein Raspberry Pi.
Für den Raspberry Pi entwickle ich schon lange. Schon nach dem Erscheinen der ersten Pi-Cam für den CSI-Port haben mich die Möglichkeiten der Bildverarbeitung mittels Kameramodul und RasPi besonders interessiert. Mein Ziel war es, eine Fotokamera aufzubauen, die kompakt und robust genug ist, um sie wie ein käufliches Modell unterwegs zum Einsatz zu bringen und eine Lösung aus eigener Entwicklung zu schaffen, die dann auch auf meine Bedürfnisse aus der eigenen Fotopraxis eingeht.
Zuerst habe ich mich dabei auf die NoIR-Variante der originalen Pi-Cam konzentriert, um Aufnahmen bei Nacht und – mittels Infrarot-Filter – auch Effektaufnahmen bei Tag zu machen. Herkömmliche moderne Kameras scheitern bei dieser Aufgabe aufgrund ihrer internen IR-Sperre.
Pi HQ Cam
Das Erscheinen des neuen Kameramoduls der Raspberry Pi Foundation, der Raspberry Pi High Quality Camera (kurz: Pi HQ Cam [1]), veränderte die Voraussetzungen. Es wurde Zeit für eine neu entwickelte Hobbykamera, die nun mehrheitlich normale Tageslichtaufnahmen machen soll (Abbildung 1). Den Vorgänger setze ich für das Infrarot-Metier immer noch unverändert ein.
Abbildung 1: Die Eigenbaukamera passt auf jedes gewöhnliche Stativ aus der Fotowelt.
Die wesentliche Neuerung des neuen Modells stellt Pi HQ Cam dar (Abbildung 2), die gegenüber den Vorgängern einen größeren 12-Megapixel-Sensor und eine Aufnahme für Wechselobjektive mit C- oder CS-Mount mitbringt. Ihr IMX477-Sensor von Sony bietet im Vergleich zu den Kameramodulen der zweiten Generation aber nicht nur eine höhere Auflösung, sondern auch eine höhere Empfindlichkeit, da 50 Prozent mehr Sensorfläche pro Pixel zur Verfügung steht. Das wirkt sich gerade bei schlechteren Lichtverhältnissen spürbar aus. Auf der Platine befindet sich eine stabile Linsenfassung aus Aluminium, die ein Anschlussstück mit Stativgewinde hat.
Abbildung 2: Die Pi HQ Cam weist eine stabile Linsenfassung aus Alu sowie ein Anschlussstück mit Stativgewinde auf.
Damit begeben wir uns also weg von der festen Mini-Optik der kleinen Pi-Cams hin zur Leistungsfähigkeit einer kleinen Systemkamera. Es lassen sich eine ganze Reihe von Objektiven verwenden, vom 6-mm-Weitwinkel bis hin zum 50-mm-Zoom, wenn auch nur mit einfachem Schraubadapter.
Oft werden solche Objektive im industriellen Bereich oder als Überwachungskameras eingesetzt. Mittlerweile gibt es aber auch spezielle Entwicklungen für den RasPi, sodass eine gute Anzahl passender Linsen zur Auswahl steht. Da die meisten recht preiswert sind, fällt auch das Experimentieren leichter als bei einer “großen” Kamera, für die man sich vielleicht kein neues Objektiv geleistet hätte. Ich besitze inzwischen schon vier Objektive für meine Pi HQ Cam (Abbildung 3).
Abbildung 3: Für die Pi HQ Cam steht eine breite Auswahl an preiswerten Wechselobjektiven bereit.
Komponenten
Ich wollte ein kompaktes Gehäuse realisieren, bei dem die Schnittstellen des RasPi gleich nach außen zeigen. Obwohl die Rechenleistung eines Pi Zero W ausreichen würde, bot sich als Steuerrechner ein großes RasPi-Modell an, um etwa gleich Steckplätze für Geräte nach außen mittels klassischer USB-A-Buchsen zu bieten. Auch der Stromverbrauch spielte bei der Vorauswahl eine Rolle. Mit einem Raspberry Pi 3B oder 3B+ und einem 10-Ah-Akkupack lassen sich mehrere Tausend Aufnahmen am Stück machen, das aktuelle Modell 4B verbraucht etwas mehr.
Abbildung 4: Die Kamerasteuerung übernimmt ein im Gehäuse verbauter Raspberry Pi 3B+.
Als Außenhaut wählte ich ein modifiziertes Fertiggehäuse in der Variante mit Aussparung für ein LCD-Display, das sich bei diversen Versendern erwerben lässt. Insgesamt fällt alles jedoch noch etwas tiefer aus als beim Standardgehäuse, da ich es mit Abstandhaltern um eine weitere Ebene nach vorn ergänzt habe. Ich wollte die Pi HQ Cam unbedingt stabil genug abfangen, wozu ich im Frontteil den Alukorpus der Cam direkt mit dem Stativfuß verband.
Dahinter sitzen der RasPi und ein Touch-Display, das noch einen Schutzrahmen bekam (Abbildung 5), damit man die Kamera im Gelände auch sicher ablegen kann, ohne gleich das Display zu beschädigen. Verbaut ist einer der mittlerweile recht preiswert erhältlichen 3,5-Zoll-Touchscreens mit 320 x 480 Pixeln Auflösung. Das reicht für die Bedienoberfläche aus und ist für ein Vorschaubild gerade noch akzeptabel. Er sitzt auf der GPIO-Leiste des RasPi.
Abbildung 5: Ein eigener Rahmen schützt das Display auf der Rückseite des Kameragehäuses.
Für das Schnittstellenkonzept der Kamera habe ich zwei kleine Platinen (Abbildung 6) entwickelt, die einen Helligkeitssensor, eine LED und einen Signalgeber nebst zwei Buchsen für zusätzliche Peripherie tragen. Sie nutzen fünf GPIO-Pins des RasPi. Damit lässt sich die Kamera am Abend oder bei Sonnenaufgang automatisch aktivieren und man kann im Gelände besser überprüfen, ob sie noch arbeitet. Nach wenigen Minuten geht sie dann in den stillen Modus.
Abbildung 6: Ein Blick ins Innere der DIY-Kamera mit den beiden selbst entwickelten Platinen.
Die Frontschale mit Kameramodul und Platinen lässt sich von der hinteren Ebene mit dem RasPi und dem Display über Steckverbinder trennen, was spätere Eingriffe etwa für Wartungszwecke problemlos ermöglicht.
Auf der Front- und Unterseite lassen sich Bewegungsmelder, Infrarot-Scheinwerfer zur Tierbeobachtung oder andere Module anschließen (Abbildung 7). Auch für Langzeitbelichtungen über 30 Sekunden – der Zeitraum lässt sich bei Bedarf ohne Limit ausdehnen – taugt der Eigenbau gut. All das zusammen kann eine herkömmliche käufliche Kamera nicht.
Abbildung 7: Auf der Front- (hier im Bild) und der Unterseite bietet die Kamera Schnittstellen für Zusatzgeräte.
Software
Ein Python-Skript mit grafischer Oberfläche steuert die Kamera. Das Skript auf Basis von Tkinter startet auf dem Raspbian-Desktop und erscheint im Vollbildmodus auf dem Display. Zwar würde ein Raspberry Pi 3B dafür problemlos genügen, ich habe aber dennoch einen RasPi 3B+ verbaut.
