Rund um die Webcam-Astronomie. Eine Web-Präsentation von Reinhold Graf




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	Inhaltsübersicht Welche Webcam? Gehäuse für ToUcam Pro - Drehteil-Gehäuse - 'Universal'-Gehäuse - 'C-Box'-Gehäuse Testaufnahmen Softwareempfehlungen Literatur, Datenblätter, Links Umbau auf Langzeitbelichtung

	Webcam Casting

	Die Kandidaten		Mit der Quickcam Grayscale fing alles an. Ihr Nachfolger ist die Quickcam Color und Color 2. Alle drei wurden von Connectix entwickelt, die Sparte Webcam wurde von Logitech übernommen. Dann war etwas Ruhe an der Webcam-Front. Bis Steve Chambers eine Methode fand, wie man eine Philips ToUCam Pro (PCVC740K) auf Langzeitbelichtung umbaut. Der gleiche Umbau ist auch für die Quickcam Pro 3000/4000 möglich. Mister X zeigt den Umbau für eine Creative Webcam. Es gibt noch andere Webcams, aber für mich konzentriert sich die Entscheidung auf diese Auswahl, u.a. weil CCD-Technik statt CMOS verwendet wird

	Connectix Quickcam Grayscale		Der verwendete Chip ist ein Texas Instruments TC255P. Die maximale Auflösung ist aus heutiger Sicht recht gering, 324 x 243 Ein Pixel ist 10 x 10 um groß. Zwei Software Pakete werden herstellerseitig mitgeliefert: QuickMovie und QuickPict. Der letzte Stand wurde für Windows 95 entwickelt. Sie läuft bei mir auch unter Windows 98 SE. Die Datenübertragung erfolgt über den Druckerport. Die maximale Framerate ist daher begrenzt. Das ist aber kein substantieller Nachteil, wie man meinen könnte. Das Paket QuickPict erlaubt Langzeitbelichtung ohne Hardwareumbau. Alle Einstellregler sind durch Zahlenwerte einstellbar und daher im Rahmen der Systemgenauigkeit reproduzierbar. Die Software erlaubt zusammmen mit der Hardware nur 64 Graustufen. Das bedeutet, nur wenig Nachbearbeitungsmöglichkeit und zwingt zu sehr exakten Belichtungseinstellungen. Geringschätzung der Kamera ist aber nicht angesagt. Das Web ist voll von excellenten Aufnahmen mit dieser Kamera. Ebenso wie die nachfolgende Quickcam Color 2 ist Langzeitbelichtung ohne Hardwareänderungen möglich. Chipkühlung ist aber hilfreich bzw. notwendig und recht leicht zu verwirklichen. Der Chip ist im DIL-Gehäuse untergebracht. Adapter sind daher billig zu erstehen und einfach zu umbauen. Der Meister Erik Bryssinck kommt aus Belgien und hier jede Menge Links.

	Connectix Quickcam Color 2		Der verwendete Chip ist ein Texas Instruments TC236P. Die maximale Auflösung ist mit 640 x 480 Stand der Technik.. Ein Pixel ist 7,4 x 7,4 um groß. Zwei Software Pakete werden herstellerseitig mitgeliefert , QuickMovie und QuickPict. Der letzte Stand wurde für Windows 95 entwickelt. Sie läuft bei mir auch unter Windows 98 SE. Die Datenübertragung erfolgt über den Druckerport. Die maximale Framerate ist daher begrenzt. Das ist auch hier kein substantieller Nachteil, wie man meinen könnte. Unter Windows 98SE und 250Mhz Laptop komme ich auf 2 fps. Zum Scharfstellen wäre mehr durchaus angenehm, aber kein Beinbruch, es geht. Das Paket QuickPict erlaubt Langzeitbelichtung ohne Hardwareumbau. Alle Einstellregler sind durch Zahlenwerte einstellbar und daher im Rahmen der Systemgenauigkeit reproduzierbar. Die Software erlaubt zusammmen mit der Hardware sowohl Graustufen- als auch Farbdarstellung. Die Kamera kann 256 Graustufen anzeigen. Das Interesante dabei ist, daß jede Pixelzelle des Chips einzeln in Graustufen umgerechnet wird. So zumindest meine Erkenntnis. Das macht es sehr interessent, an der Kamera den äquivalenten Schwarz-weiß-Chip von Texas Instruments TC237 einzusetzen. Man erhält eine echte Auflösung von 640 x 480, natürlich ohne Farbe. Die Farbdarstellung kennt auch einen expliziten unkomprimierten Modus, sodaß durch Komprimierung keine Verluste entstehen können. Die Farbrekonstruktion aus jeweils drei Farbpixeln geschieht nach einem Connectix-eigenen Algorithmus. Chipkühlung ist aber hilfreich bzw. notwendig und recht leicht zu verwirklichen. Der Chip ist im DIL-Gehäuse untergebracht. Adapter sind daher billig zu erstehen und einfach zu umbauen.

	Philips ToUCam Pro (PCVC740k)		Der verwendete Chip ist der SONY ICX098BQ. Die maximale Auflösung ist mit 640 x 480 Stand der Technik.. Ein Pixel ist 5,6 x 5,6 um groß. Zwei Software Pakete werden herstellerseitig mitgeliefert , VRecord und ein TWAIN-Treiber. Die Software ist ab Windows 98 verwendbar. Die Datenübertragung erfolgt über die USB-Schnittstelle. Die maximale Framerate liegt bei 60fps. Aber: mit zunehmender Framerate wird in der Kamera immer stärker komprimiert. Die Komprimierungsverluste sind deutlich sichtbar. Astronomisch verwendbar ist nur die Framerate von 5fps! Die Softare VRecord kennt leider nur Schieberegler ohne Zahlenwerte, Ausnahme ist die Belichtungszeit. Damit sind Einstellwerte nicht exakt reproduzierbar oder vermittelbar. Ich halte dies für einen sehr großen Nachteil. Die Software erlaubt zusammmen mit der Hardware sowohl Graustufen- als auch Farbdarstellung. Die Farbdarstellung kennt leider keinen expliziten unkomprimierten Modus. Die Farbrekonstruktion aus jeweils drei Farbpixeln geschieht nach einem Philips-eigenen Algorithmus. Der Algorithmus ist im Steuerchip SAA8116 fest 'verdrahtet'. Der Chip stammt auch von Philips. Die Graustufendarstellung wäre aus zweierlei Sicht interessant: verringerte Datenrate und höhere Auflösung bei Chipwechsel. Man kann zwar in der Software VRecord auf Graustufen umschalten, aber die Datenrate bleibt gleich. Die Auflösung auch. Der Steuerchip SAA8116 läßt das Auslesen des äquivalenten Graustufen CCD ICX098BL zwar zu, diese Umschaltung ist aber ohne weiteres von aussen nicht zugänglich. Doch, doch ... er hat's geschafft, Etienne Bonduelle zusammen mit Martin Burri. Chipkühlung ist hilfreich bzw. notwendig und relativ leicht zu verwirklichen. Der Chip ist im Mini-Gehäuse mit 1,27mm Rastermaß untergebracht. Der Chip ist oberflächenmontiert, damit gut auszulöten. Die Neuverdrahtung ist wegen des engen Rastermaßes recht fummelig.

	Logitech Quickcam Pro 3000/4000		Es gilt im Wesentlichen das für die ToUCam geschriebene. Leider konnte ich die Software nicht ohne Kamera installieren, um mir von ihr ein Bild zu machen. Vielleicht kann mir jemand mit screenshots aushelfen. Martin Burri zeigt alles zu dieser Webcam was man wissen muß. Achtung! auch seine Software beachten! Chipkühlung ist auch hier hilfreich bzw. notwendig, aber leider überhaupt nicht leicht zu machen. Der Chip ist durchkontaktiert gelötet. Ohne Spezial-Entlötwerkzeug überhaupt nicht auszulöten. Man könnte ihn abknipsen. Nix für schwache Nerven.

	Creative Labs Webcam Pro Ex		Der Kandidat hat sich noch kurz vor Torschluß dazugeschlichen. Er verwendet den zum ICX098 pinkompatiblen - jedoch preislich günstigeren Sharp. Der Sharp ist nicht so empfindlich. Hier ist ein Meister für diese Kamera, John Reed. Wenn er all das schafft was er vorhat, können wir die ToUCam einstampfen. Er hat zwei wichtige Programme zu dem Thema geschrieben, Capture und I2C Cam Control. Über die Hersteller-Software kann ich leider nichts sagen. Ohne Kamera ist die Software nicht zu starten, und leider habe ich noch keine. Vielleicht kann mir jemand mit screenshots aushelfen. Chipkühlung ist auch hier hilfreich bzw. notwendig, aber leider auch hier überhaupt nicht leicht zu machen. Der Chip ist durchkontaktiert gelötet. Ohne Spezial-Entlötwerkzeug überhaupt nicht auszulöten. Man könnte ihn abknipsen. Nix für schwache Nerven.

	Gehäuse für ToUcam Pro

	Konzept. Probleme des Originales.		Für die ToUcam Pro PCVC 740K und verwandte Modelle gibt es inzwischen Okular-Metallhülsen, welche statt des Objektives eingeschraubt werden. Die Webcam kann so ohne Umbau direkt am Fernrohr betrieben werden. So bestechend der Gedanke ist, er hat Nachteile im Astro-Betrieb: Die Webcam wird innen von Hause aus sehr warm. Die Wärme kann nicht recht abfließen; statt kühl zu bleiben, erwärmt sich der CCD-Sensor. Unnötiges Wärmerauschen entsteht. Darüberhinaus strömt die Wärme über den Sensor hinweg und durch die Metallhülse in das Fernrohr. Denn die Webcam ist praktisch luftdicht. Überflüssige Schlieren im Bild bzw. Unschärfen können die Folge sein. Der CCD-Sensor steht nicht immer rechtwinklig zur Objektiv-Achse, weil der Chip werkseitig nicht unbedingt 100% parallel sauber aufgelötet ist. Im normalen Webcam-Betrieb ist das keine Störung, aber für astronomische Anwendungen sollte die Chipfläche rechtwinklig zur Fernrohrachse stehen. Mit dem Einschrauben eines unbedingt nötigen UV-IR-Sperrfilters, werden zwei Glas-Luft-Übergänge mit ihren optischen Verlusten hinzugefügt. Die Chipfläche ist sehr schwer für Reinigungen zugänglich. Man sieht später jedes noch so kleine Staubkörnchen auf dem Bild. Da der CCD-Sensor seitlich nicht lichtdicht ist, kann es wegen der roten Leuchtdiode zu Lichteinstreuungen kommen. Zumindest sollte die Metallhülse unten einen Filzring aufgeklebt haben, der beim Eindrehen der Hülse sanft auf den Rand des Lichteintrittsfensters drückt und so seitlich abdichtet. Idealerweise wird auch der Rand des CCD-Fensters schwarz lackiert oder die LED mit schwarzer Farbe überlackiert bzw. sinnvoll abgedeckt. Das Umbau-Konzept ist zweistufig. Zunächst wird nur die Platine ausgebaut und in einen anderen Adapter eingebaut. Sind die Erfahrungen mit dieser Technik nicht so, daß man weitermachen möchte, dann kann man die Kamera wieder rückbauen und als normale Webcam nutzen. Es ist nichts verloren. Sind die Erfahrungen positiv und man möchte weitermachen, so wird zur Kühlmöglichkeit umgebaut incl. einer Temperaturregelung. Es kann auch zur Langzeitbelichtung umgebaut werden. Ein Rückbau zur Webcam ist dann eigentlich ausgeschlossen.

	Der IR-UV-Sperrfilter		CCD-Sensoren sind auch ausserhalb der sichtbaren Lichtes empfindlich. Befinden sich im Strahlengang des Fernrohres lichtbrechende Linsen, so ist im allgemeinen der Brennpunkt für UV- und IR-Licht deutlich anders als der für sichtbares Licht. Für visuelle Beobachtungen ist das ohne Bedeutung, da das menschliche Auge das UV- und IR-Licht nicht sieht. Der CCD-Sensor sieht jedoch ein gößeres Lichtspektrum. Da der Brennpunkt für alle Lichtfarben - beim Durchgang durch Glas - nicht gleich ist, wird der CCD-Sensor ein mehr oder weniger unscharfes Bild produzieren. Kurz: Ein Sperrfilter für die unnützen Lichtfarben Infrarot (IR) und Ultraviolett (UV) tut not. Die Original-Webcam hat bereits einen solchen Filter, es ist die kleine Scheibe, die letzte hinten am Original-Objektiv. Wer jetzt glaubt, man könne die einfach nehmen, irrt ein wenig. Dieser Filter ist sehr schwach dämpfend und für Astronomie-Zwecke im Grunde unbrauchbar. Die Wirkungsweise der UV-IR-Sperrfilter läßt sich zu Hause leicht testen: Richten Sie die am PC angeschlossene und funktionierende Webcam auf eine Audio/Video-Infrarot -Fernbedienung. Wenn Sie die Fernbedienung betätigen, sehen Sie im Webcam-Bild die Leuchtdiode der Fernbedienung aufleuchten. Das zeigt auch, wie wenig stark der Original-Filter dämpft!!! Haben Sie bereits einen solchen UV-IR-Sperrfilter für Astronomiezwecke, so halten Sie ihn mal vor das Webcam-Objektiv. Sie werden die Leuchtdiode der Fernbedieung nicht mehr sehen können. Sperrfilter sind relativ teuer. Der Filter bräuchte ja nur das Lichteintrittsfenster des CCD zu bedecken, kaufen muß man aber als Astronomiezubehör die volle Größe zum Einschrauben in die Okularhülse, Durchmesser ca. 26mm, statt ca. 6mm für das CCD- Fenster. Ärgerlich. Zwei Wege: Sie kaufen einen solchen Filter, zerschneiden ihn in vier Teile, nehmen eines für sich, die anderen verkaufen Sie. Die Schnittränder werden mit 800er Schmirgel mattiert und anschließend geschwärzt. Reine Nervensache das Ganze. Oder Sie kaufen sich günstig eine defekte oder uralte CCD-Videokamera, und bauen den IR-Sperrfilter, welcher dort vor dem Sensor sitzt, einfach aus. So habe ich es gemacht. Ich hatte eine alte Sony-Video-8-Kamera. Das Selbstbau-Konzept sieht vor, daß der Filter mit Salat-Öl auf das Fenster 'gekittet' wird. So wird vermieden, daß mit dem Filter zwei zusätzliche Glas-Luft-Übergänge in den Strahlengang eingefügt werden. Außerdem ist der Abstand CCD-Chipoberfläche bis zur Strahleneintrittsoberfläche größer geworden. Allenthalben vorkommender Staub auf der Strahleneintrittsoberfläche ist jetzt kaum noch im Bild sichtbar. Bei geschickter Adapterkonstruktion ist das Strahleneintrittsfenster zur Reinigung einfacher zugänglich.

	Der Adapter		Materialauswahl. Der Fernrohradapter dient zur Befestigung am Okularauszug und gleichzeitig als Gehäuse für die Kamera. Wird ins Auge gefasst später mal den Chip zu kühlen, so müssen Gehäsue-Materialien her, welche schlechte Wärmeleiter sind. Denn man wird es wohl nicht zulassen wollen, daß der mühsam runterzukühlende CCD-Chip gleich wieder von der Umgebung aufgeheizt wird. Wie beim häuslichen Kühlschrank muß gut isoliert werden. 'Wunderbare' Wärmeübergänge sind an der Okular-Fassung, am Lichteintrittsfenster und zur Luftumgebung. So gesehen, sind Metalle, da sie gute Wärmeleiter sind, die schlechteste Wahl für Gehäuse und Fassung. Besser sind Kunststoff oder Holz. Wer eine Drehbank besitzt wird Kunststoff, z.B. Polyamid, nehmen. Wer keine Drehbank, aber Laubsäge und Schmirgel hat, und mit Holz umgehen kann, wird damit besser hinkommen. Aluminium, so schön es auch auf der Drehbank zu verarbeiten ist, und so wunderbar schwarz man es auch eloxieren kann, hier ist es die schlechteste Wahl. Das Lichteintrittsfenster ist dann kein Problem, wenn man den Sperrfilter direkt auf den Chip setzt, wie oben angedeutet. Glas ist ein schlechter Wärmeleiter.

	Die praktische Ausführung (1) Kunststoff-Drehteil		Da ich eine Drehbank besitze habe ich mich der Einfachheit halber für Kunststoff entschieden. Der Adapter bekommt die passenden Maße, je nach Okularauszug. Je nach Größe des Sperrfilters wird eine Vertiefung eingedreht, in welcher er zu liegen kommt. Er kann also seitlich nicht wegrutschen. Hier zunächst mal der Adapter von beiden Seiten, zwei Miniaturstehbolzen zur Befestigung der Platine.



			Hier ist die Aussparung besser erkennbar. Ein Gummiring ist eingelegt, damit das Glas nicht 'gezwickt' wird. Statt des Gummis können auch vier übereinander gelegte Papierringe genommen werden.

			Der IR-UV-Sperrfilter wird auf den Ringgummi aufgelegt. Auf den Sperrfilter wird mit einem Zahnstocher ein winziger Tropfen Salatöl, besser Nähmaschienöl, welches nicht verharzen darf, mittig aufgebracht. Kanadabalsam? gibt's das noch? Wäre vielleicht auch eine Idee ...

			Die Platine mit dem CCD-Sensor auf den IR-Sperrfilter vorsichtig auflegen. Das Öl verteilt sich dazwischen. Zwei Muttern werden aufgedreht, aber ganz nur ganz moderat angezogen. Gerade nur soweit anziehen, daß sich die Platine nicht beginnt durchzubiegen. Die Leuchtdiode muß mit schwarzem Isolierband überklebt werden. Eine Abdeckkappe auf den Adapter aufsetzen. Die Kamera ist nun einsatzbereit. Hier die Grundmaße. Die Löcher sind für M2-Schrauben.



			Die folgende Zeichnung gibt die Eckmaße im Querschnitt wieder. Hier sieht man die Variante mit dickem Sperrfilter. Die Vertiefung ist recht einfach. Das mit 5,5mm hervorstehende Mikrofon läßt es nicht zu, die Platine näher an den Adapter zu bringen.



			Hier wird ein dünner Sperrfilter verwendet. Der Adapter muß eine passende Erhöhung haben.



	Die praktische Ausführung (2) 'Universal-Gehäuse'		Wer keine Drehbank besitzt oder keine Zugang hat, kommt eher mit einem fertigen Kunststoffgehäuse zurecht. Ich habe das kleinstmögliche genommen, von dem Gehäusehersteller BOPLA, Typ 'Universal' 50mm x 50mm x 30mm, Snap-in-Gehäuse. Erhältlich z.B. über Fa. Conrad Bestell.Nr 519979-22, ca. 6,50 Euro.

			Das Gehäuse. Die zwei Halbschalen lassen sich einfach auseinanderziehen. Das Gehäuse ist nicht verschraubt, mit dem Vorteil, dass kein Platz wegen Schrauben verloren geht.

			Die fertige BOPLA-Webcam. Eine ausgediente Hülse von einem Okular ist auf eine Pertinax-Platine aufgelötet. Die Platine ist mit Langlöchern versehen, so daß mit der Kamera auch Aufnahmen am Rande des Bildfeldes gemacht werden können. Interessant für Fernrohrtests. Alles wurde von Hand mit Schlüsselfeilen ausgefeilt. Das geht besonders einfach bei Pertinax-Platinen, Expoxy-Platinen braucht's hier wirklich nicht.

			Die Kamera geöffnet. Für die Herausführung des Kabels wurde eine kleine rechteckige Vertiefung eingefeilt. Man sieht sehr schön, wie genau die Platine hineinpaßt. Der CCD-Chip liegt plan an der Vorderfront an, hier nicht sichtbar. Man kann ebenso wie bei Variante 1 einen IR-UV-Filter im Gehäuse einklemmen, ebensogut kann aber in die Hülse ein fertiger Filter eingeschraubt werden. Die Befestigungsstege im Gehäuse wurden mit einem scharfen Teppichmesser entfernt. Untenstehend ein Bild mit entferntem Adapter. Man erkennt deutlich die große Bohrung des Eintrittsfensters. Beachten Sie beim Nachbau die Orientierung der beiden M2-Bohrungen für die Platine und die Lage des Kabelausganges. Hier erkennt man deutlich den Nachteil der schweren Zugänglichkeit des Eintrittsfensters.



			Das Gehäuse. Sicht auf Kabelseite. Da das Mikrofon etwas übersteht und deswegen die Platine nicht ins Gehäuse passt, wurde eine rechteckige Aussparung hineingefeilt.

	Die praktische Ausführung (3) 'C-Box Gehäuse'		Die schlechte Zugänglichkeit des CCD-Cips zur Reinigung hat mir keine Ruhe gelassen. Zwar kommt man mit einem Wattestäbchen gut ran, dennoch erscheint es mir unbefriedigend, auch im Hinblick auf zukünftige Erweiterungen.

			Als Gehäuse habe ich ein größeres genommen, auch vom Gehäusehersteller BOPLA, Typ 'C-Box' mit Abmessungen 60mm x 90mm x 51mm, Wandstärke 4mm (!). Und zwar eines mit hohem Deckel. Erhältlich überall im Elektronikhandel, z.B. von Fa. Conrad, Bestell-Nr. 520861-22, Preis ca. 3,30 Euro. Die Abbildung zeigt links das geöffnete Gehäuse, bereits mit einer ausgedienten 1 1/4" Hülse (M28,5 x 0,6 Filtergewinde) versehen. Rechts eine dünne Platine mit zwei kleinen M2 Stehbolzen, welche die ToUCam-Platine halten werden. Symmetrisch dazu zwei größere Luftlöcher ...



		... hier mit montierter ToUCam-Platine. Die dünne Träger-Platine bekommen Sie ebenfalls bei Fa. Conrad, Bestell-Nr. 536253-22, Platine 100mm x 160mm, 0,5mm dick (!), Preis ca. 2,50 Euro. Man erkennt links in beiden Gehäuseteilen die eingefeilten Ausparungen für das Kabel, sowie die umlaufende Innenkante, welche Durchbiegungen der Trägerplatine zuverlässig verhindert ...



		... die Träger-Platine eingelegt in das Gehäuse ...



		... Klappe zu, Affe tot. Fertig ist die Webcam für die Astronomie..



		... da wäre noch ein kleines Problem. Die rote Leuchtdiode beleuchtet die 'Szene' und macht sinnvolles Fotografieren in der Astronomie unmöglich. Man erkennt im Bild sehr schön den quadratischen CCD-Chip, der nun für Reinigungen leicht zugänglich ist. Darüber die Leuchdiode. Ich habe sie mit dichtem schwarzen Moosgummi abgedeckt, den Moosgummi zusätzlich mit schwarzer Tusche getränkt.

		... hier sieht man schön den schwarzen Moosgummi, welcher die Leuchtdiode abdeckt.

		wie weiter? Die C-Box-Webcam hat aufgrund ihres Aufbaues eine Reihe von Vorteilen. Der CCD-Chip ist für Reinigung direkt zugänglich. Ein rückseitig montierter kleiner 5V-Lüfter saugt die Luft aus dem Gehäuse ab. Dabei streicht die Luft aus dem Fernohr kommend am Chip vorbei über und unter der ToUCam-Platine hinweg durch die beiden eingangs erwähnten Luftlöcher der Träger-Platine zum Lüfter hin nach aussen. Die nicht unerhebliche Wärme wird so zuverlässig nach aussen befördert. Ob sich Schlieren im Bild zeigen, welche durch Luftströmung verursacht sind, muß sich noch erweisen. Eine M28,5 x 0,6 Gewindehülse mit IR-UV-Sperrfilter kann so tief eingedreht werden, daß sie auf dem CCD-Chip zu liegen kommt. Mit einer Ölschicht dazwischen werden die Lichtverluste zweier Glas-Luft-Übergänge vermieden. Die Luftführung ist dabei ggf. neu zu entwickeln. Das Gehäuse aus Kunststoff hat eine bessere Wärmeisolation als eines aus Metall. Die Trägerplatine kann eine Zusatzschaltung nach Steve Chambers aufnehmen. Der Chip sitzt relativ dicht an der Brennebene (entspricht Anschlag der Hülse). Der Chip kann über die Stehbolzen rechtwinklig zur Fernrohrachse ausgerichtet werden. Der Chip kann ausgelötet werden, und mit größerem Platinenabstand neu montiert werden. Unter dem Chip kann ein Kupfer-Vierkant durchgeführt werden, der beidseitig an zwei Peltierelementen endet. Die Kühlkörper kommen seitlich am Gehäuse zu liegen. Das Gehäuse bleibt dabei leicht zu öffnen. Wird ein Objektiv, z.B. das originale, in einer M28,5 Hülse montiert, kann die Kamera weiter als normale Kamera genutzt werden. Die Schärfe wird dabei wie beim Original durch Ein- und Ausdrehen eingestellt. In den Gehäuseboden kann ein Fotogewinde geschnitten oder eine Mutter eingeklebt werden. Die Webcam kann für den originalen Film- und Fotobetrieb nun endlich vernünftig auf ein Stativ montiert werden. Leuchdioden- und Schnappschußschalterfunktion können auf die Träger-Platine und von dort nach aussen geführt werden. Ein 'Drahtauslöser', über Steckverbinder angeschlossen, vermeidet Verwackeln beim Auslösen. Die Webcam bleibt zunächst im Originalzustand, sodaß bei 'Nichtgefallen' ein Rückbau ins Originalgehäuse möglich ist. Für Bastelarbeiten wird keine Drehbank benötigt. Mit einer Feile, scharfem Teppichmesser und einem Handbohrer läßt sich das ganze Werk bewältigen.

Softwareempfehlungen		Welche Software ist für den Einstieg geeignet und garantiert schnelle Erfolge? Inzwischen gibt es soviel Software (Freeware), daß die Auswahl nicht leichtfällt. Eine gewisse Grundausrüstung erleichtert den Einstieg. Es handelt sich dabei grundsätzlich um kostenlose Programme.

Webcam-Primärsteuerung		Wenn Sie noch keine Webcam für Astrozwecke gekauft haben, ist dies ein Aspekt, der in Ihre Entscheidungsfindung einfliessen sollte. Die Primärsteuerung wird vom Webcam-Hersteller mitgeliefert und steuert die Parameter der Webcam wie z.B. Belichtungszeit, Sättigungswert usw. Drei Anforderungen scheinen mir wichtig: Das Fenster der Primärsteuerung sollte neben das Fenster der Video-Vorschau passen, insbesondere beim Laptop mit der üblichen Bildschirmauflösung 1028 x 760. Was nützt die schönste Einstellerei, wenn man sie nicht richtig am Bildschirm verfolgen kann. Ausgerechnet die Philips ToUCams passen hier. Das Software-Fenster ragt bei der Video-Auflösung 640 x 480 ins Vorschau-Feld hinein. Bei der der Quickcam Black and White ist dies z.B. nicht der Fall. Die Einstellmöglichkeiten sollten sich möglichst in einem Fenster präsentieren. Wenn man während der Einstellphase laufend zwischen den Karteikarten umschalten muß um an die Einstellregler ranzukommen, ist das äußerst nervig. Hier passt die ToUCam. Die Einstellmöglichkeiten sollten eindeutig reproduzierbar sein. Simple Schieberegeler ohne Eingabemöglichkeit für 'harte' Zahlenwerte sind nicht das Gelbe vom Ei. Hier passt die ToUCam wieder, während die alte Quickcam Black and White vorbildlich ist.

Konverter Avi2Bmp		Um die AVI-Dateien der Webcam zu sichten und die brauchbaren Bilder als BMP-Dateien für das Stacken oder Einzelbildbearbeitung zu sichern, benötigen Sie ein geeignetes Konvertier-Programm. Die Freeware Avi2Bmp ist dazu ideal geeignet, weil nicht mit anderem Ballast überfrachtet. Das Programm ist sehr intuitiv zu bedienen, leider nur in französischer und englischer Bedienoberfläche verfügbar. Der Film kann mit den Cursor-Tasten mit Bildvorschau durchlaufen werden. Das geht sehr schnell, Schrott-Bilder werden einfach aussortiert und nicht konvertiert. Nur die 'Guten' bleiben fürs Stacken übrig.

Webcam-Sekundärsteuerung QCFocus		Der Hersteller liefert zu der Webcam meist auch ein kleines Programm mit, damit die Bilder der Webcam in eine AVI-Filmdatei umgelenkt werden. Z.B. bei der ToUCam heißt es VRecord. Diese Programme sind für Astroanwendungen eher ungeeignet. Aus Frankreich kommt ein sehr gute übersichtliche Lösung. Das Programm QCFocus kann eine alte ehrwürdige Quickcam Black and White, nach Steve Chambers umgebaute Webcams und normale Webcams ansteuern. Alle wichtigen Bedienelemente sind im Grundfenster erreichbar. Drücken der Taste V startet die Aufnahme, die im Vorschaufenster live beobachtet werden kann, erneutes Drücken der Taste V stoppt die Aufnahme. Wird ein weiterer Film gestartet, wird der Dateinamenzähler um eins erhöht. Die vorangegangene Datei wird nicht überschrieben. Kein Dateiauswahlfenster geht auf, man muß keinen Dateinamen eingeben, funktioniert einfach so ... klasse gemacht. Drücken der Taste S erzeugt ein Einzelbild; das nächste Bild wird im Dateinamenzähler ebenso hochgezählt um ein Überschreiben zu verhindern. Mit dem Programm ist man sehr reaktionsschnell, wenn man ein ruhige Seeing-Sekunde erwischen muß. Das Programm hat noch einige Funktionen mehr, ist aber nicht überlastet und kann genau das, was ein Aufnahmeprogramm können soll. Als Bonbon ist noch ein Menüpunkt dabei, um das Bild am Fernrohr mit Software-Unterstützung scharfzustellen. Dafür muß man sich aber etwas einarbeiten.

AVI-Filmbearbeitung VirtualDub		Um die Filme der Webcam oder Bilderserien als Film weiterzubearbeiten (z.B. Verlauf einer Sonnenfinsternis) ist dieses Programm sehr gut geeignet. Eine Schnelleinweisung: Ein vorhandener AVI-Film (oder BMP-Bilderserie) soll für eine Web-Präsentation verkleinert, in Graustufen umgewandelt und komprimiert werden: - 'File' - 'Open Video-File' laden - 'Audio' auf 'NoAudio' stellen - Video' - 'Compression' - z.B. auf 'Microsoft Video 1' einstellen - 'Video' - 'Filters' - 'Add' - '2:1' und 'grayscale' auswählen - 'File' - 'Save as AVI ...' In Windeseile wird aus einer 10Sekunden 100MByte-Datei eine 800kByte-Datei. Das Programm kann noch wesentlich mehr, z.B. auch einen Film über die Webcam direkt 'reinholen'.

Microsoft Encoder		Diesen Encoder bekommen Sie kostenlos von Microsoft. Mit ihm mitgeliefert werden die Komprimier-Module, auf welche z.B. VirtualDub beim komprimieren zugreift. Das Programm ist Pflicht.

Nimo Codec Super Pack		Das Programm liefert alles an Komprimier-Modulen (Codecs) was es so auf der Welt gibt. Nach Installation greift VirtualDub auch darauf zurück. Das Programm ist ebenso Pflicht.

weitere folgen demächst







Testaufnahmen

		Mit der Standbildfunktion von Iris wurde eine Einzelaufnahme gemacht. Die Kamera wurde ohne Objektiv (!) auf einen hellgrauen Hintergrund gerichtet. Sodann die Kamera mit dem mitgelieferten Programm auf SW-Betrieb und optimale Bilddarstellung eingestellt. Die Bildrate für die Vorschauansicht war 5 Bilder/Sekunde und 640 x 480 Pixel. Das Ergebnis ...



		... ist frustrierend. Die beiden leicht zu erkennenden dunklen Kreise sind Schlieren im Fensterglas des Chips, arrrghhhhh. Ich habe dann mein Rubinar amit der Webcam auf die Sonne gerichtet ... wieder die beiden dunklen Kreise. In der späteren Bildverarbeitung kann man über Dunkel- und Hellbilder den Fehler versuchen rauszurechnen, aber dennoch sehr unschön. Ich habe mich im Web nach Sonnenaufnahmen umgeschaut, siehe da, ich bin nicht alleine mit dem Problem. Hier sieht man ähnliche schlierenförmige Kreise im Sonnenbild. Meine erste vernünftige Aufnahme der Sonne. Bilddaten: Teleskop Rubinar 100mm Öffnung 1:10, im Focus; Software Iris in Einzelaufnahmefunktion; Kamera Webcam Philips PCVC740K mit UV-IR-Sperrfilter, eingestellte Auflösung 640 x 480, Schwarz/Weiß; Sonnenfilter AstroSolar von Intercon Spacetec; 20.04.2003, 14 Uhr 14, Norden ist unten. Die Aufnahme ist nicht weiterverarbeitet, sie kam derart von der Kamera!



		Oben Bildmitte sieht man wieder drei verschwommene Kreise, die vom Fensterglas des CCD-Chips stammen. Eine Aufnahme der Sonne im fleckenfreien Teil der Oberfläche zeigt das Drama in seinem vollen Ausmaß. Schlieren über Schlieren.



		Links unten im Bild, das ist kein Sonnenfleck! Mit einer starken Lupe habe ich mich dem Fensterglas des CCD-Chips angenommen. Man konnte auf dem Glas 'Schmutz' erkennen. Mit einem Zahnstocher habe ich dies mit starkem Druck wegpoliert. Abwischen mit Lösungsmitteln hat überhaupt nichts genutzt. Inzwischen sieht man so hut wie gar nichts mehr. zwei Original-Filme der Sonne, von 640 x 480 auf 320 x 240 wegen Datengröße verkleinert, sonst unbearbeitet.



		zwei Original-Filme von Jupiter, von 640 x 480 auf 320 x 240 wegen Datengröße verkleinert, sonst unbearbeitet. Kamera direkt im Focus des Rubinar 10/1000. Die beiden großen Wolkenbänder lassen sich in einigen Momenten ruhiger Luft als zwei Striche in der Mitte der Jupiterkugel von links oben nach rechts unten verlaufend erkennen.



		Aus dem ersten der beiden Filme hier ein 640 x 480 Originalbild. Es ist eines der besseren Bilder der Sequenz. Es ist unbearbeitet, kam so von der Kamera. Man erkennt die beiden Wolkenbänder recht deutlich.



		Es ist beeindruckend, wie schnell, unkompliziert und preisgünstig man mit einer Webcam zu Astronomieaufnahmen kommen kann.

Literatur, Datenblätter, Links

ICX098BQ		Der CCD Chip in der ToUCam stammt von SONY. Die dargestellten Impulsfolgen sind nicht für mich nicht selbsterklärend.

LZ24BP		Das Pendant (baugleich, funktionsgleich) von SHARP. Auf Seite 6 werden die Impulsfolgen etwas verständlicher dargestellt. Es werden zwei Signalnamen HD und VD eingeführt, die leider nirgendwo erklärt werden.

ICX098BL		Der CCD Chip in Schwarz-Weiß-Ausführung. Er kann prinzipiell in der ToUCam eingesetzt werden, da vollständig kompatibel mit ICX098BQ. Bringt wegen der fehlenden Farbfilter mehr Empfindlichkeit, hat aber den Nachteil, daß das Bild keine echtes Bild mehr ist, da die Software in der Kamera immer noch von einem Farbchip ausgeht. Auf "scharz-weiß" schalten in der Windows-Software nützt nix, da nur die Darstellung in Windows von dieser Umschaltung betroffen ist. Die volle Auflösung und ohne Komprimierungsverluste in der ToUCam wird nur erreicht, wenn es gelingt, die RGB-Matrix, Farbinterpolationsalgorithmen abzuschalten und den 'raw-data-mode' einzuschalten. siehe unter SAA8116HL.

SAA8116HL		Der CCD Chip steuert in der ToUCam sowohl den CCD als auch den USB. Stammt von Philips. Auf Seite 13/14 wird beschrieben, wie aus den CCD-Daten die RGB-Daten für das Ausgangssignal 'rekonstruiert' werden. Dieser Teil ist abschaltbar um einen SW-CCD einsetzen zu können. Seite 15: Das RGB-Signal wird für den Datentransfer zum PC komprimiert. Für 5fps kann ein verlustfreie Kompression ('raw data mode') angewählt werden! Auf den SAA8116HL kann per I2C-BUS zugeriffen werden. Pin32/33 siehe Seite 6. Unter Umständen ist hier das Tor zu finden, wie man vom PC, MAC oder Handheld seriell - von der Seite - auf die ToUCam zugreifen kann. Die ToUCam besitzt am Platinenrand 5 pins für einen Stecker, die im Normalbetrieb nicht genutzt werden. Kein Stecker dran. Ich vermute, daß dies der I2C-Anschluß ist!

uPD16510		Der Baustein ist für die Vertikalimpuls- und Shutterimpulsaufbereitung spezialisiert. von NEC, wird in der ToUCam eingesetzt. Er beeinhaltet auch einen Logikbaustein um die Signale untereinander zu verknüpfen.

CXD1267AN		Das Pendant von SONY zum uPD16510. Wird in der Quickcam eingesetzt.

CXD2450R		Ein "Timing generator for progressive scan CCD ICX098AK". Die dargestellten Impulsfolgen lassen das Auslesen des CCD bzw. die Belichtung besser verstehen (aber für mich auch nicht ganz umfänglich).

AN00065		Eine "application note" von Philips zum Bau einer CCD Kamera. Beim Lesen der Zeichnungen hat man das Gefühl, den Originalschaltplan der ToUCam vor sich zu haben! Seite 11 geht auf den I2C link ein. 5 pins! siehe oben unter SAA8116HL.

TSB15LV01		Ein Videosignalprozessor von Texas Instruments. Er wird nirgendwo bei der Webcam eingesetzt, aber dieses Datenblatt war die einzige Quelle für eine verständlich Darstellung der Impulsfolgen. Siehe Seite 2-13, 2-16, 2-19 für den ICX098.

Kodak		Infos zu Grundlagen der CCD-Technik

Nippon Roper		Infos zu Grundlagen der CCD-Technik.

I. Newton Group of Telescopes		Infos zu Grundlagen der CCD-Technik. gelungene Media-Darstellung über den Ladungtransport im CCD.

Umbau auf Langzeitbelichtung

		Steve Chambers hat für den Umbau von Webcams auf Langzeitbelichtung einen Meilenstein gesetzt. Sein Prinzip ist einfach, drauf kommen muß man halt. Er hat gezielt Steuerleitungen zum Vertikaltreiberbaustein unterbrochen und steuert nun die Signale über den Parallelport des PC. Zu diesem Umbau (Philips Vesta und ToUCam) gibt's inzwischen eine Reihe von Webseiten, Martin Burri's Seite zeigt zusätzlich den Umbau für Logitech Quickcam Pro 3000. Martin hat mir mit Info's sehr geholfen. Steve Chambers Umbau-Prinzip hat - bei allem Respekt vor seiner Leistung - auch Nachteile. Die Langzeitbelichtung benötigt speziell angepasste Software. Die Langzeitbelichtung benötigt einen bidirektionalen Parallelport. MACs sind daher nicht nutzbar. Laptops haben nur einen Parallelport, Zwei-Kamerabetrieb wird u.U. aufwändig. Man ist auf die Kamera angewiesen, für die es gerade Software gibt. Wer also nicht selbst Software schreiben kann, muß auf Software anderer zurückgreifen, was bei dem Riesenangebot an Freeware kein Problem ist. Da die Webcam für Steve Chambers Änderungen ohnehin geöffnet werden muß, und einiges an filigranen Lötarbeiten nötig ist, kann man ebensogut gleich eine reine Hardwarelösung entwerfen. Mein Konzept unterbricht ebenfalls die Steuerleitungen, synchronisiert aber mit den CCD-Impulsen und verlängert so 'von der Seite' die Framerate. Das Auslesen der Daten geschieht über die Herstellersoftware. In einer zweiten Variante wird der Schnappschußmodus ausgenutzt, um am Ende der Belichtung das Auslesen der Daten - unkomprimiert !!! - zu bewerkstelligen. Der Schaltplan:



		Betriebsart 1 Herstellervideosoftware starten. Aufnahmedaten einstellen. Stets 5fps und längste Zeit wegen Komprimierung verwenden. Durch Drücken von S1 wird die Langzeitbelichtung gestartet. Kurz vor Ende der Zeit mit der Herstellersoftware einen AVI-Film starten. Dann erneut S1 drücken, die Belichtung wird beendet. Den AVI-Film stoppen und mit z.B. AVI2BMP das Langzeitbild aus der AVI-Datei fischen. Betriebsart 2 TWAIN fähige Software starten, z.B. Adobe Photoshop, die Webcam als TWAIN-Quelle auswählen und starten. Alle Einstellungen vornehmen, Dateigröße 640x480 um Komprimierung und deren Verluste zu vermeiden. S1 drücken, die Belichtung startet. Die Belichtung beenden durch Drücken von S2. S2 ist der Schnappschußschalter der Kamera! Die Daten werden ausgelesen und an die TWAIN-Software übergeben. Durch Drücken von S1 wird die Kamera wieder in den normalen Videobetrieb versetzt. Funktionsbeschreibung Der 74HCT221 ist ein 'nicht- nachtriggerbares Monoflop'. Es gibt einen einmaligen Impuls ab, wenn Eingang B mit einer positven Flanke triggert. Ein LOW am CLR setzt das Monoflop zurück. Der 74HCT74 ist ein D-Flipflop, als 'Teiler durch 2' geschaltet. Mit jedem Drücken von S1 und anschließendem Shutter-Impuls wird der Ausgang abwechselnd HIGH oder LOW geschaltet, mithin die Leitungen über den 74HCT4066 zum Vertikaltreiberbaustein freigegeben (Videobetrieb) oder nicht (Langzeitbelichtung). Die Schaltung synchronisiert also mit den Shutterimpulsen und dient als eine Art Stromstossrelais. Der untere Schaltungsteil dient lediglich zur Synchronisation des Schnappschußschalters mit dem Shutterimpuls. Ohne diese Schaltung würde der CCD erst gelöscht und dann ausgelesen, das Langzeitbild wäre dann perdu. Der Shutterimpuls wird nicht durchgeschaltet, wohl aber die Vertikalimpulse um das Auslesen zu ermöglichen. Die Schaltung ist übrigens gar nicht groß, wie man vielleicht vermuten könnte: drei kleine IC's in SMD-Technik.

Impulsaufbereitung		Die Vermeidung einer verlustbehafteten Komprimierung setzt einen Betrieb der Kamera im 5fps Modus voraus. Geht man in diesem Modus runter auf eine Belichtungszeit von 1/25 Sekunde, so erscheint nur noch ein Shutterimpuls von ca. 12mS je Frame. Dieser ist synchron mit dem vertikalen Ausleseimpuls. Ab 1/33 Sekunde erscheinen Impulsketten mit einer Pausenzeit von ca. 425ms, die für die Dauer der Belichtung aussetzen. Obige Schaltung nutzt den ersten Modus mit 1/25s Belichtung. Dabei besteht leider die Gefahr, daß man den falschen Impuls erwischt und dann das Bild falsch ausgelesen wird. Steigt man um auf den 1/33s Modus, kann man nicht einfach die Shutterimpulse nehmen, da diese ja nun dauernd während des ganzen Frames minus Belichtungszeit vielfach auftauchen. Man müßte einen Impuls haben, welcher den Beginn der Belichtungszeit markiert. Diesen Impuls gibt es leider in der ToUCam nicht extern abgreifbar. Also muß eine Hilfsschaltung her. Deren Funktion soll sein, das Ende der Shutterimpulskette zu erkennen und einen Impuls zu generieren. Dieser dient als Marker für den Beginn der Belichtungszeit und gleichzeitig als Framefrequenz für Zählschaltungen. Funktionsbeschreibung: Ein Monoflop des Typs 74123 ist mit einem RC-Glied beschaltet, dessen Zeit etwas länger als die Pausenzeit in der Impulskette ist. Die Rückführung des Ausgangs auf den Eingang B bewirkt, daß nur Impulse länger als Pausenzeit durchkommen. Mithin kommt der Belichtungsimpuls durch, alle anderen Shutterimpulse nicht. Die Schaltung wird der ersten vorgeschaltet. So ist sichergestellt, daß die Belichtungszeitverlängerung nur innerhalb einer normalen Belichtung gestartet werden kann, und rechtzeitig vor Beginn der Ausleseimpulse dieselben sperrt. Ebenso kann nur in diesem Belichtungszeitfenster gestoppt werden. Die Impulse werden rechtzeitig zum Auslesen freigegeben. Um genügend Zeitreserve zu haben, sollte die Schaltung nur im Vorschaumodus mit 1/33 Sekunde betrieben werden. Die Impulsaufbereitung befindet sich im oberen teil des Planes.




Schaltungsausbau		Die beiden Schalter werden zweckmäßig in ein kleines Handkästchen ausgelagert. Das macht die Sache enorm bedienungsfreundlich. Im Schnappschußbetrieb brauchen Sie kein einziges Mal den Laptop oder die Maus anzufassen. Das hat was. Die Belichtungszeit wird über das Abesen einer Uhr gesteuert. Wer es genau haben will, kann sich eine digitale Stoppuhr beschaffen. Die Schaltungsausgänge der Stoppuhr ersetzen S1 und S2. Dann wird's besonders komfortabel. Belichtungszeiten zwischen 1/25 und 1 Sekunde können dann besonders präzise eingestellt werden, allerdings nur ganzzahligen Schritten der eingestellten Framerate, da das Auslesen stets mit einem Frame synchronisiert wird. Die Platine selbst läßt sich als Huckepack-Platine mit SMD-Technik gestalten. Das Layout veröffentliche ich demnächst. Wer sich an die Langzeitbelichtung ranwagt, muß auch das Leuchten des Ausgangsverstärkers im CCD in Betracht ziehen. Kurz und gut, er muß abgeschaltet werden oder wie Martin Burri zeigt, die Versorgungspannung reduziert werden. Mehr dazu später an dieser Stelle. Wenn schon, denn schon. Der CCD-Chip sollte gekühlt werden. Lötet man ihn nicht aus, sollte mindestens mit einem guten Lüfter die warme Luft abgesaugt werden. Die Platine wird ganz schön warm. Traut man sich an das Auslöten des CCD, so ist eine Peltierkühlung angebracht. Diese Schaltung kann mit der obigen kombiniert werden zu einer einzigen Huckepackplatine. Die Schalter S1 und S2 können auch von einer reinen Timersoftware angesteuert werden. Entweder über den Parallelport oder über einen kleinen Seriell-Parallelwandler (Schieberegister). Seriell hat wieder den Vorteil auch an MACs zu funktionieren. Diese Lösung ist nur sinnvoll mit der Betriebsart 2 (Schnappschußvariante), da dann die Twain-Schnittstelle am Monitor beobachtet werden kann und daneben ein kleines Fenster der Timersoftware. Eine solche Timersoftware läßt sich natürlich schnell 'runterprogrammieren' da keine USB-Software eingeschaltet werden muß. Einen Seriell-Parallel-Wandler werde ich bei der nächsten Revision vorsehen.

© Copyright Reinhold Graf, 90763 Fürth, Germany, 2009-04-02.