Wie der Raspberry Pi 2 einen lang gehegten Wunsch erfüllte

Eines meiner Hobbys ist die Fotografie. Meine ersten Erfahrungen sammelte ich als kleiner Junge auf der Kamera, die mein Vater meiner Mutter in den 1960er Jahren schenkte.

Diese hatte noch keinen Belichtungsmesser und daher gab mir mein Vater Tipps, welche Blende man bei welchen Lichtverhältnissen einstellen sollte. Meiner Mutter hatte er schon eine kleine Anweisung in die Schutzkappe geklebt.

Die Notiz ist etwa 50 Jahre alt, und wenn man die Handschrift meines Vaters sieht, weiß man, warum er noch heute auf Familienfeiern die Tischkärtchen schreiben muss!

Danach durfte ich dann die erste Nikon-Kamera meines Vaters nutzen, und damit lernte ich auch wieder eine Menge über Verschlusszeit, Bildaufbau, Schärfentiefe oder ISO-Zahlen. Neben den normalen Motiven und Anwendungsbereichen experimentierte ich aber immer gerne damit herum. Langzeitbelichtungen, doppelte Belichtungen oder Schwarzweiß-Fotografie, um nur einige Beispiele zu nennen.

Der Wood-Effekt

Als in den 1980er Jahren eine meiner damaligen Lieblingsbands U2 ihr viertes Studioalbum The Unforgettable Fire herausbrachte, sah ich etwas, was ich bis dato nicht gekannt oder gesehen hatte. Ihr müsst auf den Link klicken, um das Cover zu sehen; aus rechtlichen Gründen wollte ich es nicht direkt verlinken.

Das  Cover zeigt die Band vor einem Schloss in Irland. Die Aufnahme ist ein schwarzweißes Infrarotfoto des niederländischen Fotografen Anton Corbijn und zeigte mir das erste Mal, was man allgemein den Wood-Effekt nennt. Benannt ist er nach seinem Entdecker Robert Williams Wood. Dabei wird für unser Auge sichtbar, dass alle Pflanzen das Sonnenlicht, das sie für die Photosynthese benötigen, reflektieren, da die Sonnenstrahlen sie sonst „verbrennen“ würden. Apropos verbrennen, der Titel des Albums bezieht sich auf eine Kunstaustellung von Bildern, die Überlebende der Atombombenabwürfe von Hiroshima und Nagasaki malten.

Leider wurde mir damals klar, dass das eigene Experimentieren im Infrarotbereich viel zu kostspielig geworden wäre, so dass ich mich zunächst auf das Betrachten solcher Fotografien beschränken musste. Immerhin war ich ein Teenager mit einem normalen Taschengeld, und Fußball hatte ich auch noch im Kopf!

Von analog nach digital nach analog

Irgendwann hielt die digitale Fotografie Einzug, und seitdem ist es schon erstaunlich zu beobachten, mit welcher Qualität heutige Handys Fotos machen können. Die digitale Fotografie brachte auch wieder einige interessante Themen mit sich, sei es das Erstellen von Panoramafotos, High Dynamic Range (HDR) oder Zeitrafferaufnahmen; dies haben Handys heute mehr oder weniger gut drauf. Das Cover, das ich 1984 betrachtete, war noch auf einer Langspielplatte. Es ist interessant, dass heute analog wieder modern ist. Das gilt für Vinyl, wie für die analoge Fotografie, die momentan eine Renaissance erlebt.

Das Projekt

Als dann Anfang des Jahres der Raspberry Pi mit einem neuen Modell aufwartete und ich auch einen Blick auf die lange Zubehörliste warf, fiel mir die NoIR-Kamera ins Auge. Die Kamera nennt sich so, weil sie infrarote Fotos machen kann. NoIR steht nur dafür, dass es keinen Sperrfilter für infrarotes Licht gibt.

Das Licht sind elektromagnetische Wellen, von denen wir nur einen begrenzten Teil wahrnehmen können. Der kurzwellige UV-Bereich sowie der langwellige Infrarot-Bereich bleiben für uns verborgen. Die Sensoren einer Kamera können dieses Licht aber sehr wohl erfassen. Daher werden die Kameras mit einem Sperrfilter versehen, der nur das Licht durchlässt, das wir wahrnehmen können.

Zurück zum Pi 2. Ich bestellte mir den Pi 2 plus Zubehör mit dem Vorhaben, damit infrarote Fotos aufzunehmen. Die Ausstattung umfasste neben dem Pi 2 eine microSD-Karte für das Betriebssystem, die Kamera, ein Gehäuse und einen Stromanschluss. Um später auch draußen die Kamera einsetzen zu können, brauchte ich noch eine Powerbank und einen schon vorhandenen WLAN-Adapter.

Der Pi 2

Der Pi 2 kommt wartet im Vergleich zum Vormodell mit einem 900 MHz getakteten Quad-Core ARM Cortex-A7 Prozessor auf und verfügt über ein Gigabyte Arbeitsspeicher. Das Vormodell bietet einen 700 MHz getakteten Single Core ARM1176JZF-S Prozessor und nur halb so viel Arbeitsspeicher. Durch die höhere Leistung liegt die Leistungsaufnahme beim Pi 2 bei maximal 4 W, während der Vorgänger noch mit 2,5 bis 3 W zufrieden war. Seine Abmaße entsprechen denen des Vorgängers:

85mm x 56mm x 17mm (L x B x H)

Die Installation des Betriebssystems Raspbian

Als Betriebssystem entschied ich mich für das offiziell von der Raspberry Pi Foundation unterstützte Raspbian.

Ein fast ein Gigabyte großes Image kann man sich hier herunterladen: http://downloads.raspberrypi.org/raspbian_latest

Um es danach auf die microSD Karte zu schreiben, wird ein Tool benötigt, das dies bewerkstelligt. Für Windows gibt es ein SourceForge Projekt Win32 Disk Imager:
http://sourceforge.net/projects/win32diskimager/

Das entpackte Image wird mit dem Win32 Disk Imager auf die microSD gespielt.

Danach kann das erste Mal gebootet werden. Dazu muss der Pi 2 zunächst einmal per Netzwerkkabel an einen Router und ans Stromnetz angeschlossen werden.

PuTTY

Um sich per SSH mit dem Pi 2 zu verbinden nutze ich PuTTY. In der Administrationsoberfläche meines Routers kann ich die IP-Adresse ablesen, die der Pi 2 zugewiesen bekommen hat.

Nach dem Eröffnen der Verbindung muss ich mich mit dem Standard-Benutzer pi und dem Standard-Passwort raspberry einloggen.

Die erste Konfiguration über raspi-config

Das Konfigurationstool raspi-config ist für die ersten und wichtigsten Einstellungen aufzurufen.

sudo raspi-config

sudo steht hier für das Ausführen von Befehlen mit erhöhten Benutzerrechten und bedeutet übersetzt so viel wie superuser do.

Expand Filesystem

Um den gesamten Speicherplatz Raspbian zur Verfügung zu stellen, ist dieser Punkt zu wählen. Diese Aufgabe wird während des nächsten Bootvorgangs ausgeführt.

Enable Boot to Desktop/Scratch

Hier wählen wir aus, dass wir in die grafische Oberfläche booten wollen. Damit können wir uns später per RDP oder aber auch weiterhin per PuTTY verbinden.

Internationalisation

Change Locale

Hier stellen das Gebietsschema auf de_DE.UTF-8 ein und legen dieses als Standard fest.

Change Timezone

Die Zeitzone stellen wir auf Europe, Berlin.

Der Eintrag befindet sich in /etc/timezone.

Europe/Berlin

Change Keyboard Layout

Um das Tastaturlayout neu anzupassen, wählen wir diesen Menüpunkt aus.

Overclock

Hier wählen wir die angegebene Option Pi2 aus, um den Pi 2 zu übertakten.

Die Einstellung kann manuell auch in die /boot/config.txt eingetragen werde:

#uncomment to overclock the arm. 700 MHz is the default. arm_freq=1000
Und weiter unten:

# Additional overlays and parameters are documented /boot/overlays/README core_freq=500 sdram_freq=500 over_voltage=2

Advanced Options

Bei den erweiterten Einstellungen sind zunächst zwei von Interesse.

Memory Split

Hier können wir den Anteil des Arbeitsspeichers für die GPU anpassen.

Die Einstellung kann manuell auch in die /boot/config.txt eingetragen werden:

gpu_mem=256

Update

Ein Update des Tools auf die aktuelle Version führen wir aus. Danach verlassen wir das Tool und führen einen Reboot durch:

sudo reboot

APT

APT ist der Paketmanager von Debian und damit auch Raspbian. Die Liste der verfügbaren Pakete und deren Versionen werden wie folgt upgedatet:

sudo apt-get update

Um die installierten Pakete auf die aktuellste Version zu bringen ist

sudo apt-get upgrade

anzugeben.

Man kann auch beide Befehle kombinieren, sie werden dann nacheinander ausgeführt

sudo apt-get update && sudo apt-get upgrade

Remote Desktop

Über den Paketmanager installieren wir nun das Paket xrdp für den Zugriff auf den Pi 2 per Remote Desktop:

sudo apt-get install xrdp

Nach einem Reboot können wir dann beispielsweise von Windows per RDP auf den Pi 2 zugreifen.

Die Kamera

Es gibt zwei Kamera-Modelle für den Pi 2. Einmal die „normale“ und dann die NoIR-Version. Wie erwähnt hat die NoIR keinen Sperrfilter und nimmt so den Infrarotbereich wahr. Der Name ist anfangs vielleicht etwas irreführend.

Einige Spezifikationen

• Abmaße: 25 x 20 x 9 mm
• Gewicht: 3g
• Sensor: 2592 x 1944 entspricht 5 Megapixeln
• Fester Fokus: ab 1 Meter bis unendlich

Weitere Informationen: https://www.raspberrypi.org/documentation/hardware/camera.md

Kamera anschließen und aktivieren

Die Kamera wird über ein Flachbandkabel angeschlossen. Es ist dafür Sorge zu tragen, dass die Kamera über raspi-config auch aktiviert wurde.

Aktuelle Firmware laden

sudo rpi-update

Danach muss ein Reboot durchgeführt werden.

raspistill und raspivid

Es gibt zwei Programme, die man per Skript (bash oder Python) steuern kann. raspivid ist das Programm, um mit der Kamera zu filmen. Ich beschränke mich daher auf raspistill, um Fotos zu machen.

Um einen einfachen Schnappschuss zu machen geht das mit folgendem Befehl:

raspistill –o click.jpg

Um eine Übersicht über die Parameter zu erhalten kann man

raspistill –?

eingeben.

Die wichtigsten Parameter:

Der RAW Modus

Um RAW-Daten von der Kamera zu bekommen und um diese später digital nachzubearbeiten, können wir die Fotos mit dem Parameter –r aufnehmen. Die Kamera bietet aber nicht eine direkte RAW-Dateiausgabe an, sondern ein JPG, das in den Metadaten wiederum die RAW-Daten enthält. Wir haben also zunächst nur eine mehrfach größere JPG-Datei.

Es gibt aber einen Konverter raspi_dng, der JPG+RAW nach DNG konvertiert. Um die Exif-Daten aus dem JPG in das DNG zu übertragen, benötigen wir noch ein Exif-Tool, eine Bibliothek und GIT.

Alle benötigten Pakete können wir in einem Rutsch installieren.

sudo apt-get install git libimage-exiftool-perl libjpeg62-dev

Dann muss raspiraw vom GIT-Hub heruntergeladen und kompiliert werden.

git clone https://github.com/illes/raspiraw.git Cloning into 'raspiraw'... remote: Counting objects: 14, done. remote: Total 14 (delta 0), reused 0 (delta 0), pack-reused 14 Unpacking objects: 100% (14/14), done.

Es wurde ein Unterverzeichnis raspiraw angelegt und in dieses wechseln wir nun und führen dann das make Utility aus.

cd raspiraw make
Danach kopieren wir das Kompilat nach /usr/local/bin, um zukünftig den Befehl direkt in der Konsole ausführen zu können.

sudo mv raspi_dng /usr/local/bin/raspi_dng

Der Ablauf ist nun wie folgt. Wir nehmen zunächst ein Foto mit RAW-Daten auf:

raspistill –r –o raw.jpg

Mit dem kompilierten raspiraw können wir nun die RAW-Daten aus den Metadaten der JPG-Datei in das Adobe DNG-Format überführen:

raspi_dng raw.jpg raw.dng

Da bei diesem Vorgang die Exif-Daten nicht mit kopiert werden, können diese über das zuvor heruntergeladene Exif-Tool der DNG-Datei hinzugefügt werden.

exiftool -tagsFromFile raw.jpg raw.dng -o raw.exif.dng

Das Bash-Skript

Für den Außeneinsatz musste ein kleines Bash-Skript geschrieben werden, das drei Fotos machen sollte mit Lichtwert -10, 0 und +10, um damit bei Bedarf ein HDR zu erstellen.

#!/bin/bash

if (( $EUID != 0 )); then echo 'Please run this script as root!' exit fi

ts=$(date +'%Y-%m-%d-%H:%M:%S') echo 'Timestamp='$ts

directory=/usr/local/bin filename=$directory/img-$ts-hdr1.jpg echo 'Taking photo#1' raspistill -w 2592 -h 1944 -o $filename -ev -10 filename=$directory/img-$ts-hdr2.jpg echo 'Taking photo#2' raspistill -w 2592 -h 1944 -o $filename -ev 0 filename=$directory/img-$ts-hdr3.jpg echo 'Taking photo#3' raspistill -w 2592 -h 1944 -o $filename -ev +10 echo 'Done!'
Hier sind dem Anwender keine Grenzen gesetzt, wenn man beispielsweise auch direkt einen FTP-Upload auf die FRITZ!Box zu Hause wünscht.

Der Pi 2 im Außeneinsatz

Für die Umsetzung brauchte ich eine mobile Stromversorgung in Form einer Powerbank, einen Wireless-LAN-Adapter, um den Pi 2 per Handy fernsteuern zu können und einen leeren Negativstreifen, der als Filter dienen sollte. Das Ganze sah dann so aus:

WLAN Konfiguration

Um den Pi 2 in ein WLAN zu hängen, kann man sich über Remote Desktop verbinden und dann das Tool wpa_gui aufrufen. Denn wenn man mit dem Pi 2 unterwegs Fotos machen möchte, muss man vom Handy aus einen WLAN-Hotspot einrichten, zu dem sich der Pi 2 dann verbinden soll.

Wir klicken auf Scan, um die verfügbaren Netzwerke in Reichweite anzeigen zu lassen.

Wir wählen das Netzwerk mit der entspechenden SSID aus und klicken doppelt auf den Eintrag. Auf der folgenden Eigenschaftenseite tragen wir das Passwort ein.

Danach können wir uns mit dem entsprechenden WLAN verbinden.

Die SSH Client App

Zu guter Letzt benötigt man dann einen SSH Client auf dem Handy, um darüber sich zu verbinden und die Skripte auszuführen. Ich nutze dazu JuiceSSH.

Hier ist nun mein erstes eigenes Infrarotfoto, etwa dreißig Jahre, nachdem ich das U2-Cover gesehen hatte. Für ein Schloss und eine Band hat es nicht gereicht, so musste der Garten herhalten. Als Filter habe ich den Negativstreifen genommen.

Später kam dann noch ein Ministativ hinzu, auf dem eigentlich ein Mikrofon montiert wird, und ich nutzte statt des Negativstreifens einen 850 nm Schraubfilter, den ich vor die Kamera hielt. Das Ergebnis damit sah dann so aus:

So sieht der Pi 2 mit Stativ und Kamera im Außeneinsatz aus:

Und hier ist das Foto, das ich damit aufgenommen habe:

Der definierte Umbau

Leider wurden die Ergebnisse durch den Aufwand getrübt, den man betreiben musste, um sich und seine Kamera in Position zu bringen. Allerdings waren die Ergebnisse so gut, dass mich das Thema nicht mehr los ließ.

So befasste ich mich mit dem definierten Kameraumbau.  Dabei wird der Sperrfilter entfernt und gegen einen definierten Filter ersetzt. Da diese Kamera ab dem Umbau aber nur noch infrarote Fotos machen kann, musste ich einen zweiten Nikon-Kamera-Body umbauen lassen, um meine Objektive nutzen zu können. Und so zählte ich von drei rückwärts und erwarb ein vom Hersteller überholtes kleines Schwestermodell.

Für den Umbau fand ich eine nur halb so teure Alternative wie zuvor und so ließ ich mir die Kamera auf Super Colour Infrared (580 nm) umbauen. Die Entscheidung, welchen Filter ich einbauen lassen wollte, war sehr langwierig, denn eigentlich wollte ich immer nur schwarzweiße Infrarotbilder fotografieren, aber auch die Farbinfrarotfotografie hat ihren Charme. Da man diese Fotos digital nachbearbeiten und nach schwarzweiß wandeln kann, fiel die Entscheidung für diesen Filter.

Alle Infrarotfotos mit dieser Kamera müssen digital nachbearbeitet werden, denn die Kamera liefert bei 580 nm ein Foto mit einem Rotstich. Es muss ein manueller Weißabgleich gemacht werden und die Farbkanäle Blau und Rot müssen getauscht werden. Das kann nicht jede Software, und da Adobe mir dafür auch zu teuer ist, habe ich mich im Open Source Bereich umgesehen. Im Übrigen kann Adobe Lightroom einen korrekten Weißabgleich nicht von Hause aus, sondern erst wenn man ein eigenes DNG-Kameraprofil erstellt hat.

Der Fotograf, der meine Kamera umgebaut hat, entwickelt seine Bilder digital komplett mit Open Source Software, beispielsweise über darktable nach. Also galt es eine Linux VM aufzusetzen, zu fotografieren und zu staunen.

Hier sind nun meine ersten Ergebnisse nach knapp einer Woche.

Stahlwerk Becker, 500 Meter von zu Hause:

Nochmal Stahlwerk Becker, entlang der Wasserachse, Farbinfrarot:

Buga-Gelände Düsseldorf:

Buga-Gelände Düsseldorf, Werkstatt für angepasste Arbeit:

Das Pi 2 Projekt hat mir tatsächlich einen lang gehegten Wunsch erfüllt. Er ist eine ideale Spielwiese für kleine und große Kinder, und ich bin der Meinung, dass Einplatinenrechner in einen guten Schulunterricht gehören. Damit kann man auch schon mal was aus dem Pizza-Karton beziehungsweise Hut zaubern. Mal sehen, wofür ich ihn als nächstes nutzen werden.

Wer Interesse hat, kann mal bei Instagram vorbeischauen. Ebenso freue ich mich über eure Rückfragen und Kommentare.

Allen Fotografen unter euch wünsche ich allseits gutes Licht!

Männer bleiben immer Kinder, nur die Spielzeuge werden teurer!