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Wärmebildkamera Opgal Eye R25

Veröffentlicht von Joe-C (jch) am Mar 17 2014
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Einleitung

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Dieses Projekt basiert auf dem Wärmebildkamera 352x288 Projekt.
Da ich für ein reines Nachtsichtgerät keinen wirklichen Einsatz habe, die Kamera aber lieber mit Messmöglichkeit versehen wollte, hab ich die Kamera wieder auseinandergebaut.


 Vorbau 1

Vorbau 1

Der Detektor wurde von seiner Standardsteckleiste befreit und mit Leitungen direkt Verbunden.
Das hatte 2 Gründe, zum einen sollten die ganzen Signale ab greifbar und Analysiert werden und zum anderen konnte der Detektor mit geringerem Platzverbrauch verbaut werden. So wäre es möglich gewesen, die Elektronik neben dem Detektor zu platzieren und nicht dahinter, was wiederum neue Möglichkeiten beim Design des Produkts ermöglicht.
Zuerst wurden alle Leitungen verbunden, dann im Betrieb geschaut, welche Spannungen an welchen Pins liegen.
Danach hab ich mit einem Ohmmeter die Stellen mit 0V nochmal genauer Vermessen und einige ungenutzte Leitungen entfernt und gleiche zusammengeschlossen. So konnte ich ca. 1/3 der Leitungen wieder entfernen.


 Vorbau 2

Vorbau 2

Die Analyse der Anschlüsse zeigte auch, dass das Detektormodul die Daten Digital mit 1.8V über einen 14Bit Bus überträgt.

Zuerst war mein Gedanke, das Signal mit einem Discovery F4 über den DCMI zu erfassen. Dafür bräuchte ich ja nur die Pegel auf 3.3V bekommen. Allerdings sind es die Rohdaten, die müssten erst vom Referenzbild abgezogen werden (mit geschlossenem Shutter) um ein nutzbares klares Wärmebild zu erhalten.
Das würde den F4 voll auslasten und einen externen Speicher erfordern. Der F4 hat 20 k Ram, die Auflösung der Kamera ist 388x288 -> 111744 Pixel, jeder mit 14Bit, müssten also 2 Bytes zum Speichern pro Pixel verwendet werden -> 223,5 k.
Man kann natürlich auch nur immer die 14Bit speichern und mit entsprechendem Bitshift den Platzverbrauch reduzieren. Dafür muss man aber jedes Mal beim erfassen der Daten die Daten aus den Bytes zurück shiften. Weniger Speicherverbrauch würde nur mit mehr Verarbeitung erreicht werden... wäre also auch nicht so wirklich von Vorteil.

Daher schien mir hier ein FPGA sinnvoll zu sein, der die Vorbearbeitung übernimmt. Mit FPGAs hab ich bisher noch nichts gemacht. Ein Testboard ist da, aber ich hatte noch keine Zeit mich mit diesem doch recht Umfangreichen Projekt zu beschäftigen.

Daher lag die Kamera in diesem Aufbauzustand erst mal ein paar Monate in der Schublade.

Umbau

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Dann habe ich mich dazu entschlossen, das Projekt fallen zu lassen, die Kamera wieder in ein Nachtsichtgerät umzubauen und dann zu verkaufen....


  Detektorblock

Detektorblock

Als Befürworter des Motorfocus sollte die Kamera wiedermal einen bekommen.
Da jetzt der Detektor und seine Basisplatine einen relativ geringen Platz einnehmen, hab ich diesmal den Detektor auf den Schlitten befestigt und nicht die Linse. Das hat einen netten Effekt: die Linse ist fest mit dem Gehäuse verbunden und die Mechanik im inneren geschützt.

Die Grundplatte mit dem Schlitten ist aus einem MiniDisc-Player. Der Fahrweg ist kleiner als bei der CD, dafür ist sie aber auch insgesamt etwas kleiner. Ein 100k Poti sorgt wieder dafür, das später die Fokusposition erfasst werden kann.
Nachdem der Sensor auf dem Schlitten befestigt war und vernünftige Bilder lieferte, hab ich mit Weißblech den Detektorbereich gekapselt.

 


 Erstes Design

Erstes Design

Die Kamera sollte letztendlich mit einer Hand bedienbar sein, also ein Camcorder Design. Ein 3.5 Zoll Monitor war als Anzeige vorgesehen. Einfach einschalten und Wärmebild betrachten.
Zuerst war der Bildschirm hinten angedacht. Später wurde der Klappmechanismus vom gleichen Camcorder benutzt, wie die andere Seite mit der Halteschlaufe. Das ist zwar viel aufwändiger, bietet später aber unterschiedliche Blickwinkel.

 


 Steuerung

Steuerung

Früher war ein Picaxe 18M2  eingebaut und anfangs war der auch dabei. Aber ich bin schnell auf den STM32F103 gewechselt. Dieser ist mit 72 MHz zwar etwas überdimensioniert für seine Aufgaben, aber so bietet er noch Reserven für spätere Einfälle.
Kurze Zeit später wurde ein OSD (On Screen Display) hinzugefügt, welches mir die Möglichkeit gibt, Text und Symbolinformationen in das Videosignal mit einzuspeisen.
Das "MinimOSD" ist eigentlich für Drohnen und andere Videogebende Flugkörper gedacht und wird über den SPI angesprochen von einem AVR µC, welcher eine entsprechende Vorprogrammierung hat.
Ich hab den AVR µC entfernt und steuere das OSD vom STM32 über SPI an. Dadurch hab ich volle Gestaltungsfreiheit und muss mich nicht mit den AVR Befehlen (über UART) auseinandersetzten. Das OSD hat auch noch andere nette Nebeneffekte. Das Eingangssignal kann PAL oder NTSC sein, ebenso wie das Ausgangsignal. So kann man an einem PAL Monitor auch NTSC Kameras betreiben.
Eine solche NTSC Kamera hatte ich noch von einer Rückfahrkamera. Die hab ich gleich mal mit eingebaut und zwar ohne IR Filter, um später auch Nachtsichttauglich zu sein.

 


 Zweites Design

Zweites Design

Ein ungenutzter Camcorder brachte mich auf die Idee, ihn statt den 3.5er Monitor zu verwenden.
Das hätte zwar Nachteile: ist aufwändiger umzusetzen, kleiner Bildschirm, Bildausschnitt kleiner...
Aber eben auch einige Vorteile: Bild über Display und Viewfinder, Fotos und Videos können aufgenommen werden...

Oben links: Signal an Camcorder und Monitor zum Vergleich geleitet. Wie zu sehen, ist das Bild beim Camcorder beschnitten. Wie spätere Versuche zeigten, gilt das nur für die Anzeige. Fotos und Videos haben die volle Auflösung.
Oben rechts: Das Bandlaufwerk ist ausgebaut worden, da ich es für überflüssig halte und den Platz brauch. Der Camcorder hat den Aufkleber "Dual Media", da er auf Band und auf Memorystick (leider nur bis 128MB) speichert. Allerdings wird man noch von einer Fehlermeldung belästigt.
Unten links: Der Flex ist vom Bandlaufwerk welches Stück für Stück zerlegt wurde um herauszufinden, wie man die Fehlermeldungen weg bekommt. Wenn nämlich nur einfach das Bandlaufwerk rausgenommen wird, bekommt man in jedem Modus eine blinkende Fehlermeldung. Daher mussten ein paar Brücken an die richtigen Stellen und ein Optokoppler ersetzt die 2 Lichtschranken (einfach überbrücken ging nicht, da das Signal gepulst ist).
Unten rechts: Camcorder fertig zum anbauen der Wärmebildkamera. Der Camcorder wird zwar immer noch mit dem normalen Modustaster bedient, gibt aber ohne Fehlermeldungen das Videosignal wieder und speichert anstandslos auf den Stick.

 


 Nächste Stufe

Nächste Stufe

Wärmebildkamera, Camcorder, STM32 und OSD sind in einem Block. Zwar noch nicht vollständig vernetzt und auch noch nicht befestigt, aber das Zielformat ist schon mal zu erkennen.
Der STM32 steuert über I2C einen 16Bit IO-Expander (wurde schonmal beim MiniSTM32-Paintboard V004 verwendet), welcher für diverse Ein- und Ausgänge zuständig ist. Dieser Steuert eine Dual-LED, die Wärmebildkamera Spannung und erfasst die Schalt- und Druckzustände der Bedientaster.
Auf den Bildern ist auch eine 3 Watt IR LED (850nm) zu sehen, welche aber nicht mit voller Leistung betrieben wird (wegen der Erwärmung und weil die Kamera sonst geblendet wird).
Die Visuelle Kamera von vorher entfällt ja, da der Camcorder selbst eine hat. Nutzen will ich die NTSC Kamera aber dennoch... als IR Kamera.

 


  Wärmebilder

Wärmebilder

Während des Umbaus hab natürlich auch mal Gebrauch von meiner anderen Wärmebildkamera gemacht und zu schauen, ob das Teil am Ende auch keinen Hitzetod stirbt.

Oben links: Hier ist der Spannungsregler auf der NIR-Kamera zu sehen. Die Kamera läuft intern über 3.4V und wurde vorher mit 5V betrieben. Zuerst wollte ich die Kamera über die 3.3V Bordspannung (vom OSD Board) betreiben, aber dann gibt die Kamera tatsächlich kein Videosignal raus. Dann hab ich sie mit der Batteriespannung direkt betrieben... funktioniert, lässt aber den Spannungsregler auf rund 85°C ansteigen. Also hab ich einen 5V Spannungsregler dazu gebaut, von dem nun die Kamera versorgt wird.
Jetzt wird der Spannungsregler der Kamera im Betrieb 55°C warm... ohne Kühlung.
Im Endzustand, ist ein kleines Blech an das Gehäuse gelötet, was mit einer Wärmeleitfolie leicht auf den Spannungsregler drückt. Danach war nix mehr über 30°C erkennbar.
Oben rechts: Hier war die Wärmebildkamera eingeschaltet und der Camcorder im Kamera Modus (Visuell), was dem höchst möglichem Stromverbrauch der Gesamtkonstruktion hervorruft.
Interessanterweise ist das Mainboard des Camcorders die größte Hitzequelle.
Unten links: Ansicht von hinten, auf das Spannungsversorgungsboard der Wärmebildkamera. Das Bild wurde undmittelbar nach dem Bild oben rechts aufgenommen und zeigt den Betrieb nach 5 Min.
Unten rechts: Hier ist der Mikrocontroller und die eingeschaltete IR -LED zu sehen... ebenfalls nach 5 Min im NIR Modus.

 


 NIR Kamera

NIR Kamera

Die NTSC Kamera brauchte nur noch einen Visuellen Filter und wurde dann zur NIR Kamera (Near Infrared, also >720nm).

Genau wie die Wärmebildkamera wird hierfür der VCR Modus des Camcorders verwendet und es sind Fotos und Videos auf Memorystick möglich. Allerdings sind beide mit dem gleichen Eingang des OSD verbunden, weshalb auch nicht beide gleichzeitig in Betrieb sein dürfen. Dafür sorgt aber der STM32.

Auch die Steuerung ist inzwischen umgebaut worden. Der STM32 wird jetzt nichtmehr zusammen mit dem OSD über 3.3V betrieben, sondern nur noch mit 3V.
Die 3V liefert der Camcorder, wenn er ausgeschaltet ist. Sie betreiben die "offline Elektronik" des Camcorders, damit z.B. die Uhr im Hintergrund weiterläuft und der Camcorder auch merkt, wenn der Powerschalter benutzt wird. Der IO Expander und das OSD, werden erst über den STM32 mit einem Mosfet-Powerdriver eingeschaltet.
Dieser Aufwand hat den Vorteil, dass der Camcorder um ausgeschalteten Zustand, nur noch 10 mA bis 14.2 mA Stromverbrauch hat. Dadurch schlürft er im ungenutzten Zustand nicht sinnlos die Batterie leer.

 


 Erste Bilder

Erste Bilder

Alle Bilder vom Memorystick (egal ob VCR oder CAMERA) werden in VGA abgespeichert (Einstelllung: Fine). Mehr ist da zwar nicht zu holen, es reicht aber, um ein gutes Bild zu haben.

Das erste Testbild:
Oben links: normales Kamerabild
Oben rechts: Wärmebild
Unten links: NIR Bild
Unten rechts: NIR Bild mit eingeschalteter LED

 


 Gehäuse

Gehäuse

Das Gehäuse besteht aus einzelnen Plastik und Metallkomponenten, die mit einem 2K Kleber aneinander befestigt worden.
Zugegeben, es ist keine ästhetische Augenweide, aber es erfüllt seinen Zweck.
Mit der Kombination 3D Drucker und Zeit hätte ich bestimmt besseres hinbekommen...

An der Seite unten sind 3 Schalter, welche dazu dienen, spezielle Funkionen zu aktivieren. Im Vis und NIR Modus sind sie kaum von intreresse. Im Thermo Modus, können 2 Funktionen eingeschaltet werden, der dritte Schalter ist zum Test und als Reserve, für spätere Ideen.

  • ENH und AVR
    Die Taste neben dem Focushebel schaltet normalerweise den ENH Filter ein und aus. Durch den Schalter wird seine Funktion optional erweitert:
    Schalter aus: ENH on -> ENH off -> ENH wider on ...
    Schalter ein: ENH on -> AVR on -> ENH off -> AVR off -> ENH wider on ...
    So kann die Kamera in 4 Zuständen betrieben werden, je nachdem, ob man mal das Average ohne ENH haben will oder eben mit.
  • Zoomfocus
    Wenn die Funktion eingeschaltet ist, wird jedes Mal, wenn der Focus verstellt wird, die Kamera in den Zoom x4 Modus versetzt. Ungefähr 2 Sec nachdem die letzte Focusänderung stattfand, wird wieder in den normalen x1 Zustand umgeschaltet.
    Im Einsatz muss man dann nicht mehr extra den Zoom einschalten, um richtig scharf zu stellen. Einfach mittig auf das Objekt zielen, auf dass Focusiert werden soll, dann den Focus im x4 Zoom richtig einstellen und kurz warten... und schon hat man ein bestmöglich scharfgestelltes Wärmebild.

Ein weiterer Schalter befindet sich neben dem Akku. Dieser ist für den RS-232 Wandler, welcher die Verbindung zum PC herstellt:
Schaltrichtung zum Handgriff: die Wärmebildkamera ist mit dem STM32 Verbunden und der STM32 auf einem anderen UART mit dem PC. So kann die Kamera normal benutzt werden. Außerdem könnte man die Kamera insgesamt fernsteuern, wenn die Software entsprechend erweitert worden ist.
Schaltrichtung zum LCD: die Wärmebildkamera ist mit dem PC verbunden. So können spezielle Einstellungen gemacht werden, Bilderdownload, neue Startlogos eingefügt werden... was auch immer.
Wenn der Schalter ohne PC Verbindung nicht in Richtung Handgriff zeigt, dann funktionieren die Steuerungsbefehle nicht (Zoom, NUC, ENH und AVR).

Ein Stativanschluss ist auch mit eingebaut, wobei die Position von der Gewichtsverteilung der Kamera schlecht ist. Aber es war wegen dem Platz nicht anders zu machen.
Die 3 Tasten neben dem Display (von denen eine blau ist), sind die Hardwaretasten der Kamera. Hier kann die Polarität, der Zoom und der NUC (Shutter) aktiviert werden, auch wenn die Wärmebildkamera mit dem PC verbunden ist.

Inzwischen hat sich auch rausgestellt, dass man Batterien nicht mehr intern laden kann. Ich vermute, dass dies mit dem entfernen des Bandlaufwerks zu tun hat. Die Kamera ist im ausgeschalteten Zustand in einer art Bootschleife. Man hört das Objektiv schalten und die Zugriffs LED für den Memorystick blinkt vor sich hin. Ich vermute, dass im Bootvorgang im Bandlaufwerk die Position testweise verstellt wird (um zu schauen ob ein Band drin ist?...Da das aus bleibt, startet er wieder von vorn).
Aber die Kamera kann ohne Akku durch das Netzteil betrieben werden... nur für den start der Thermokamera muss man einen Akku drin haben.

Bilder

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Hier noch ein paar Bilder und Videos. Alle wurden vom Memorystick runter kopiert und geben den aktuellen Leistungsgrad der Kamera wieder.

Noch ein paar Infos zu den Bildern.

  • Bild 1: Visueller und NIR Modus im Vergleich
  • Bild 2: Aus dem Hausflur im 10 OG (mit OSD Off)
  • Bild 3: Berlin bei Nacht 1
  • Bild 4: Scheinwerfer im Kino
    (wie im NIR zu sehen wohl ein Halogenstrahler)
  • Bild 5: Berlin bei Nacht 2
  • Bild 6: Berlin bei Nacht 3
  • Bild 7: Aus dem Hausflur im 10 OG (mit Messweranzeige)
  • Bild 8: Berlin bei Nacht 4
  • Bild 9: Berlin bei Nacht 5
  • Bild 10: Berlin bei Nacht 6
  • Bild 11: Nebel am Morgen 1
  • Bild 12: Nebel am Morgen 2
  • Bild 13: Testbilder
  • Bild 14: Nahaufnahme

Youtubevideos (alle unter 20 Sec.):

 

Zuletzt geändert am: Mar 30 2014 um 11:01 AM

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