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Wärmebildkamera FLIR Ex

Veröffentlicht von Joe-C (jch) am May 08 2014
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Einleitung

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Auf die FLIR E Serie bin ich durch Zufall gekommen, hier steckt wesentlich mehr im Gerät, als man zuerst erwartet.
Ich habe bisher nur die FLIR E4 in der Hand gehabt... warum das Projekt jetzt aber Ex heißt, zeigt sich weiter unten.

Im Februar bin ich auf folgendes Video gestoßen:

Video: FLIR E4 teardown

Infos zum Video

Hier hat sich jemand gedacht, ich mach die Kamera mal auf und schau was drin ist.
Bei der Messung des Datenstroms vom Detektor ist im aufgefallen, dass dieser mit 60Hz/Frame erfolgt und über 2 Kanäle insgesamt 76800 (320x240 Pixel) 14Bit Datenpakete enthält.

Außerdem konnte herausgefunden werden, dass die Kamera nicht komplett über die Firmware läuft sondern ein internes Betriebssystem hat: Windows CE 6.0

Ich weiß zwar nicht, wie sie darauf gekommen sind, dass die Kamera einen Netzwerkmodus (RNDIS) hat, aber sie haben ihn in einem versteckten Untermenü aktiviert. Damit war ein FTP Zugriff auf die Firmwaredatein möglich... und dann ging es richtig los.

Es stellte sich heraus, dass es dort Configurationsdatein gibt, die festlegen, was die Kamera kann. Die interne Kamerastruktur wird inzwischen wie folgt vermutet:
Ein 320x240 Pixel Detektor sendet einen 60Hz Datenstrom an den FPGA. Der FPGA bearbeitet die Rohdaten (Gainmap, Defect Pixel Removement, NUC, Digitale Nachbearbeitung...). Die Datenausgabe erfolgt vom FPGA zum Hauptprozessor, der dann das Bild darstellt und die Messungen anzeigt.
Scheinbar hat FLIR hier ein Massenprodukt entwickelt, bei dem alle Kameras (E4,E5,E6 und E8) im Grunde die gleiche Hardware haben. Die Config Dateien entscheiden darüber, welche Auflösung die Kamera letztendlich haben wird.
Die Kamera hat sogar interne Servicewebseiten bei denen man Sachen wie eine "Death Pixel Map" finden kann.
Die Map meiner Kamera hat schon so einige Defekte. Scheinbar werden gute Detektoren in die E8 eingebaut und je mehr defekte Pixel drin sind, desto tiefer landen sie in der E Reihe. Aber dennoch können alle auf 320x240 Pixel freigeschaltet werden.

Außerdem können weitere Messungen, ein Digitalzoom (bis x8), weitere Farbpaletten und Picture in Picture Funktionen eingefügt werden.

Das FLIR das nicht sonderlich gefällt, weil sie solche Sachen lieber den stärker zahlenden Kunden vorbehalten wollen, kann man sich denken. So sind bei der Firmware 1.21.0 erstmals Vorkehrungen getroffen worden, diesen Modifikationen entgegenzuwirken.


 Meine E4

Meine E4

Hier noch meine persönliche Meinung zur FLIR E4 (bez. Ex). Diese Meinung entstand nach dem teilweise fertigen Umbau zur Kompaktkamera und nachdem ich die Steuerungssoftware (Programm: Ex Tools) auf V002 hatte. Ich bin noch am entdecken, aber über die Kamera kann ich schon so einiges sagen...

Zur normalen Kamera:
Ich mag die Gehäuseform nicht. Diese Pistolengriff Kameraversion ist ja sehr weit verbreitet, lässt sich aber nicht so gut in der Tasche transportieren. Gut ist aber der Spritzwasserschutz. Es kann zwar Wasser bei der Objektivklappe eintreten, aber die Gummierung am Objektivbereich verschließt den Innenraum.
Das ist zwar schön robust, aber ich hab es lieber kleiner und handlicher. Außerdem finde ich, dass eine Kamera ruhig mit einer angemessenen Sorgfalt behandelt werden kann. Es ist ein Messgerät, kein Werkzeug. Daher mag ich es lieber etwas weniger robust, aber dafür kompakter und/oder funktionaler.

Sehr toll sind die 2 Powermodes der Kamera:
Kaltstart
Powertaste lange drücken...die Kamera zeigt das Logo, dann nach 12 Sec sieht man das reine Wärmebild und ein kleinen schmalen Ladebalken. Sehr schön, dass man noch ohne Messung schon mal ein Wärmebild bekommt. Ein paar Sec später, ist alles fertig geladen und die Temperaturen/Messungen/Farbpalette sind sichtbar.
Warmstart
Powertaste kurz drücken... wenn die Kamera nicht im Stanby war, passiert nix. Andernfalls kommt das Logo und nach 5 Sec hat man eine einsetzbare Kamera. Wenn die Kamera im eingeschalteten zustand ca. 3Sec gedrückt wird, geht der Bildschirm aus und die Kamera ist im Standby. Wird noch länger gedrückt (8Sec oder mehr) dann wird die Kamera ganz abgeschaltet und muss dann wieder den Kaltstart durchlaufen.

Kurz nachdem die Kamera eingeschaltet wurde, steht vor jeder Temperatur ein "~" Symbol, als Zeichen dafür, dass die Kamera gerade in der Aufwärmphase ist und die Temperaturen noch nicht so präzise. Das ist schon eine sehr nette Idee.
Toll finde ich auch, dass die Kamera 3 Verschiedene USB Modes hat:

  • MSD (Festplatte)
    Hier sind die gespeicherten Bilder direkt abrufbar.
  • UVC (Webcam)
    Kann von normalen Programmen als Videogerät geöffnet werden. Mit max. 15 FPS wird das, was auf dem Display zu sehen ist auch auf dem PC Dargestellt.
  • RNDIS (Netzwerk)
    Die Kamera ist mit der IP 192.168.0.2 aufrufbar. Wird diese Adresse im Browser eingegeben, bekommt man ein Webinterface. Auch eine Webcam Seite ist aufrufbar http://192.168.0.2/webcam.asp, wo dann alle 5Sec das Kamerabild im Browser erscheint.

Es gibt zwar kein radiometrischen USB-Stream wie bei der Mobir M8, aber diese 3 Funktionen, besonders UVC und RNDIS finde ich klasse.

Zum Inhalt der Kamera:
Die Hardware ist fast schon eine Einladung zum Umbau. Die Hauptplatine ist sehr klein und mit nur 0.55A bei 3.7V Versorgungsspannung ist das Teil auch wesentlich energiefreundlicher als alle anderen Kameras davor. Vor allem in Hinblick darauf, dass hier ein 3" Display eingebaut ist. Die Tasten sind für meinen Geschmack zu laut und zu klobig.
Der Kern wird in einem Magnesiumgehäuse gehalten und hat unerwartet geringe Abmessungen, wenn man das äußere der Kamera daneben zu liegen hat.
Wenn man sich dann auch die Aussparung für den Thermosensor anschaut und anderen Feinheiten, erhält man den Eindruck, dass hier sehr ordentlich und genau Designt wurde.
Und der Shutter ist sehr leise (vergleichbar mit der Mobir M2), was ich natürlich auch sehr schön finde. Die Bedientasten sind da wesentlich lauter.

Mehr zum Potential und Verbesserungen weiter unten.

Firmware Modifikation

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Hier gehe ich nicht auf dem Upgrade-Vorgang ein, sondern nur auf dessen Auswirkungen.


 Vorher und nachher

Vorher und nachher

Zur normalen Kamera
Für einen Kaufpreis von rund 1200€ und einer IR-Auflösung von 80x60 mag das Angebot auf den ersten Blick überzogen sein, wenn man die Preise und Auflösungen anderer Hersteller in Referenz nimmt.
Allerdings hat diese Kamera auch eine zweite Visuelle gleich mit dabei. Und die MSX Funktion ist zwar simpel, aber sehr nützlich. Für das was die Kamera von Hause aus bietet, ist der Preis einigermaßen akzeptabel finde ich.

MSX
Im Grunde werden die gefundenen Kanten der visuellen Kamera über das IR-Bild gelegt.
Das wars auch schon... simpel, aber wie gesagt sehr nützlich. Bedeutet natürlich auch, ist zu wenig Licht da, hat man kein MSX sondern "nur" das IR-Bild.

Zur erweiterten Kamera
Die freigeschalteten Funktionen sind spitze, das steht nicht zur Frage. Auch die Auflösung von 320x240 ist ziemlich gut für den IR-Bereich und damit lässt sich schon so einiges anstellen.
Die Kamera ist letztendlich dann schon ein ordentlicher Preis/Leistung Hammer, wenn man es wie gesagt auch auf andere Hersteller und Kameras bezieht.
Wobei ich vor Jahren mit einer 16x16 Pixel Kamera angefangen habe (Wärmebildkamera 16x16), die ich für rund 1800€ erworben hab. Und natürlich kommen mit der Zeit, dem technischen Fortschritt und den entsprechenden Serienproduktionen, immer bessere Kameras auf den Markt. Aber die Flir Ex Serie ist meiner Ansicht schon wieder ein Meilenstein... vor allem im Bezug auf die erweiterten Einstellungen.

Erweiterte Einstellungen
Bisher hab ich nur bei der Opgal E25 (erst Wärmebildkamera 352x288 und später Wärmebildkamera Opgal Eye R25) erweiterte Einstellungen vorgefunden. Beispielsweise das entfernen defekter Pixel ist eine sehr feine Funktion... besser ist natürlich, wenn keine Pixel defekt sind. Aber wenn mal einer sich nachträglich verabschiedet, ist es schon schön, selbst was dagegen machen zu können.
Die Ex setzt da aber noch ordentlich ein drauf. Hier können sogar Digitalfilter eingestellt werden, die die Bildqualität beeinflussen. Man kann sogar (zumindest sieht das was ich gefunden habe danach aus) seine Kamera selbst Kalibrieren. Ein Temperaturdrift kann verstellt werden, es kann sogar festgelegt werden, wie viele Frames vom geschlossenen Shutter genommen werden, um den Abgleich zu machen.
Die erweiterte E4 stellt meiner Ansicht nach eine Revolution im IR-Bereich dar.


 Webinterface

Webinterface

Das Webinterface (http://192.168.0.2/) ist aufrufbar, wenn die Kamera im RNDIS Modus verbunden ist.
Bis Firmware 1.19.8 ist das Webinterface wie links zu sehen. Ab Firmware 1.21.0 wurde das Webinterface stark dezimiert, aber auch an anderer Stelle wurden Vorkehrungen gegen die Erweiterungen getroffen.

Man sieht ja am Seitenmenü, was es hier so gibt. Es verrät auch die Wahrheit über den Detektor.
Das dieser 320x240 Pixel hat war ja klar. Aber scheinbar hat man sich hier gedacht, das die fehlerfreien Detektoren in die E8 kommen und je mehr Fehler sie haben desto tiefer landen sie in der E-Reihe.
Wenn wegen der Auflösung sowieso viele Pixel zu einem Cluster zusammengefast werden, macht es weniger aus, wenn da mal welche futsch sind.
Dennoch liefert die erweiterte E4 ein sauberes Bild. Ich gehe davon aus, das die Messwerte von defekt markierte Pixel einfach durch den Mittelwert ihrer umgebenden Pixel ersetzt wird. Das ist selbst bei genauen hinsehen von scharfen Kanten nicht so leicht wahrnehmbar und im regulären Betrieb sowieso nicht.
Aber zumindest weiß man so, in welchem Bereich möglicherweise häufiger defekte Pixel zu finden sind und wo man seinen Messungen am ehesten vertrauen kann.

Bevor man sich heranwagt, die "maps" zu verstellen, sollte man die Dateien seiner Kamera kopieren. Man kann sich damit nämlich ganz schön die Kalibrierung zerhacken, was mir schon mal gelungen ist. Aber man kann hier auch "optische Auffälligkeiten" (z.B. dunkle Punkte, die aussehen wie Schmutz auf der Linse) ausbessern. Es gibt schon schön viel zu entdecken. Man kann sogar eigene Webseites erstellen und auf die Kamera laden. So ließe sich die Kamera sogar vom Browser aus fernsteuern.
Die oben schon erwähnte Webcam Seite (192.168.0.2/webcam.asp) liefert das Kamerabild alle 5Sec... ich konnte nach entsprechenden Änderungen aber auch sekündlich das Kamerabild erhalten.

Umbau

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Bei dem Video oben war ja schon gut zu sehen, wie die Kamera nackt aus schaut. Das ist schon fast eine Einladung zum Umbau. Einer meiner ersten Gedanken war es, eine Kompaktkamera draus zu machen. Eine die man einfach in der Tasche dabei haben kann, wie normale Kameras eben auch.


 Umbaustufe 1

Umbaustufe 1

Zuerst hab ich die Kamera zerlegt und dann den Magnesiumträger freigelegt.
Danach hab ich mit der Säge das entfernt, was nach meiner Ansicht nur zu viel Platz verbraucht hat.
Im Video wurde von einem UART gesprochen... ich hab 2 gefunden.

Der eine ist zur Datenkommunikation über ein CLI. Hier kann man Steuerungsbefehle senden und auch Rückgabewerte empfangen. Darum ist da jetzt auch ein UART-USB Wandler dran.
Der andere gibt während des Startvorgangs sehr viel Infos darüber, was gerade geladen wird usw. Sowas wie eine UART Logfile-Ausgabe. Allerdings scheint er nicht auf Eingaben zu reagieren.

Der Kondensator ist übrigens dafür da, die Spannung meines Labornetzteils zu stabilisieren. Die Kamera ließ sich ohne nicht richtig starten.
Wobei ja in diesem Zustand ohnehin wieder die Batterie benutzt wurde.

 


 Umbaustufe 2

Umbaustufe 2

Da ich einerseits einen "softwareseitiges Focus verstellen" immer recht praktisch fand und andererseits hier die Linse so klein ist (und nicht so gut erreichbar), wollte ich es auf jeden Fall mit einem Motorfocus versuchen.

Hierfür hab ich eine alte Digitalkamera zerlegt. Die Bekommt man bei Ebay teilweise im Paket mit anderen zu einem Durchschnittspreis von 1-2€ pro Kamera.
Also hab ich Stück für Stück die Linsen entfernt und mit einem Handfräser entsprechend Platz gemacht, bevor die IR-Linse eingebaut wurde.

Der Motor wurde über eine H-Brücke (Vierquadrantensteller) mit einem STM32 µC verbunden. Dieser hat auch die UART Kommunikation übernommen (mit dem PC als HID verbunden, wie beim MiniSTM32Paintboard).
Auf diese Weise ließ sich die Kamera schön bedienen... bis mir aufgefallen ist, dass nach ein paar Minuten betrieb, die Temperaturmessungen sehr viel ungenauer wurden.
Ich hatte bei meinem Umbau nicht bedacht, dass die Eigenerwärmung des Sensors nicht an den Temperaturfühler weitergegeben werden, wie es beim Magnesiumhalter der Fall war. Außerdem stellte sich heraus, dass beim Fokussieren der IR-Blickwinkel verstellt wurde.

 


 Umbaustufe 3

Umbaustufe 3

Ich hab mich wieder dazu entschlossen, den Magnesiumhalter zu verwenden. Diesen hab ich im Bereich der Linse nochmal tiefer gefeilt, um die Linse leichter schrauben zu können. So muss zwar wieder manuell der Focus eingestellt werden, dafür werden die Temperaturen nun wieder richtig angezeigt.

Display und Keypad sind direkt der vorderen Gehäuseplatte verklebt. Da der Magnesiumhalter auch eingekürzt ist, nimmt das ganze nun sehr kompakte Ausmaße an.
Die 2 gelben Leitungen, die da seitlich noch raus schauen, sind vom internen I2C, um den noch etwas genauer zu betrachten.
Im Bild unten links ist ein STM32 µC Board zu sehen, welches ich eventuell einsetzen werde.
Das Bild unten rechts zeigt wie es ausschaut, wenn der MSX Focus falsch eingestellt ist.

 


 Umbaustufe 4

Umbaustufe 4

Inzwischen ist die Kamera sowohl in Hardware als auch in Software weiter modifiziert worden.

Hardware:
Elektrisch hat sich nicht viel verändert. Der interne UART geht jetzt auf ein entsprechend eingestelltes Bluetooth-Modul. Dadurch kann die Kamera wireless ferngesteuert werden. Die 2 Akkus sind geblieben.
Glücklicherweise kann ich inzwischen über einen 3D-Drucker mir ein passendes Gehäuse besorgen.
Es hat zwar eine Weile gedauert, bis das Gehäuse entsprechend ausdesignt worden ist, aber nun hat die Kamera ein handliches Gehäuse.
Neben der Linse sind jetzt 2 Schalter. Der obere ist zum abschalten (trennt + von der Batterieplatine... wirkt also wie das herausziehen des Akkus), deshalb ist ein zusätzlicher Rand um den Schalter, um unbeabsichtigtes betätigen zu erschweren.
Der untere aktiviert das Bluetooth-Modul. Neben dem Schalter ist eine blaue 3mm LED, welche den Betriebszustand des Bluetoothmoduls darstellt.

Software (Firmware):
Nachdem das Gehäuse nun in relativ elegantem weiß daherkommt, hab ich mich mit der Firmware genauer beschäftigt und ihr ein Facelift verpasst. Das Menü ist nun weiß, die Icons wurden überarbeitet und auch 3 Farbpaletten wurden zu mir passenderen getauscht.
Etwas stärker wurden die Messmarkierungen geändert. Das Spot-Kreuz ist nicht mehr 3 sondern nur noch 1 Pixel breit (dafür gestrichelt) und die Kreuze für Heiß und Kalt wurden gegen kleine Schilder getauscht. Die Schriftgrößen sind kleiner und die Messbox wird nun nicht mehr durch 4 Eckbilder angezeigt sondern durch 2 Rechtecke ineinander (Schwarz/Weiß). Durch die Änderungen ist mehr vom Kamerabild zu sehen, ohne dass Informationen verloren gehen. Die Hintergründe in grau haben durch ihren Rahmen einen leichten 3D Effekt... leider sind alle Versuche die GUI zur Transparenz zu bewegen fehlgeschlagen.
Die Overlays wurden in ihrer Sichtbarkeit an die ".ui.userSettings.scaleInteractive" geknüpft. Wenn die Option auf true gesetzt wird, werden alle Objekte unsichtbar... man erhält also ein reines Wärmebild, was ja ab und zu auch mal ganz nett ist.
Ich hab die Option bei der Ex für überflüssig gehalten, da ich dachte, sie wäre eher für die Exx Serie gedacht, welche ja einen Touchscreen haben.
Allerdings werden jetzt auch alle Objekte unsichtbar, wenn man die Skalierung auf Manuell stellt. Daher werde ich mich bald mal nach einer anderen Variablen umschauen.
Generell ist das programmieren auf der Kamera mehr ein... ich änder was und schau mal, was passiert. Daher dauert es viel länger, aber es gibt immerhin erste Erfolge.
Beispielsweise führt ein 1S drucken der Wiedergabetaste dazu, dass der Abgleich ausgeführt wird... das ist eine Standardfunktion, welche jede E4 von Hause aus hat. Meine hat auch bei der Zurücktaste so eine Zweitfunktion. Diese schaltet nun zwischen x1 und x4 Zoom um.

Inzwischen ist die Kamera sowohl in Hardware als auch in Software weiter modifiziert worden.

Weitere Vorhaben:
An der Firmware will ich noch einiges ändern. Der Rahmen um die Messbox soll gestrichelt werden... das ist scheinbar keine so triviale Angelegenheit bei QT.
Die Messlinie lässt sich aktivieren und sogar auslesen... sie wird aber nicht angezeigt, bisherige Versuche das zu ändern schlugen fehl. Gleiches gilt für den Messkreis.
Es ist mir schon gelungen, die Min oder Max Temperatur als Text neben dem Messkreuz anzuzeigen... leider nicht den aktuellen Messwert.
Würde der Messwert direkt neben dem Messkreuz angezeigt werden, könnte ich die Ergebnisliste oben links weg lassen -> noch ein besserer Blick auf das Wärmebild.
Das reicht dann auch erstmal...

Einige Zeit später...


 Umbaustufe 5

Umbaustufe 5

Hier ist das erste Gehäuse Fertiggestellt. Auch eine LED-Beleuchtung ist jetzt mit drin.
Transportiert wurde die Kamera in der Transporttasche eines Sony Vaio UX, wo sie noch etwas Platz hatte.

Da ich schon eine weitere Kamera da hatte, mit der ich in eine andere Richtung gehen wollte, hab ich diese so verkauft.

Weitere Umbauten Hier: Wärmebildkamera FLIR Ex Umbauten

Software

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Während ich mich mit dieser Kamera beschäftigt hab, wurden 2 C# Programme von mir erstellt:

  • ThermoVision_JoeC basiert auf dem Thermoviewer und ist ein Bildauswertungsprogramm, welches vollradiometrische Bilder von der Kamera erfassen kann (Kamera muss über RNDIS verbunden sein). Dann kann man die Bilder interpolieren, schärfen und/oder analysieren. Dieses Programm ist Freeware.
  • Ex-Tools (english Description here: Ex-Tools EN), ist ein Fernsteuerungsprogramm, welches das Videobild der Kamera auf dem PC zeigt und vielfältige Steuerungsmöglichkeiten zulässt...Einstellungen verstellen, Funkionen ein/ausschalten, Messungen auslesen, Bilder Downloaden, Videos aufzeichnen und vieles mehr...
    Dieses Programm kann man hier als Demo downloaden. Es wird es in absehbarer Zeit zu kaufen sein, dafür ist aber noch einiges zu klären...



 

Zuletzt geändert am: Dec 30 2016 um 8:04 AM

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