Kære læsere,
Hermed en dansk version af Alex Csete's blog om videosystemet på HEAT2X.
Rocketcam 1 er HEAT 2X's on-board kameraprototype. Det er en fugleredeopstilling med tilstrækkelig funktionalitet til at afprøve såvel video optagelses- og kodningsmekanismer som visse aspekter af den trådløse videotransmission. HEAT 2X vil blive udstyret med 3 on-board kameraer, som skal filme henholdsvis motorens udstødning, separationen og Jordens horisont.
At vælge det rette kamera
Én af de største udfordringer i designet af on-board videosystemet er at finde det rette kamera. Ligesom det meste andet i vores projekt er begrebet "rette" et dilemma, hvori indgår flere forskellige faktorer såsom ydelse, pris og størrelse. Heldigvis har vi et sæt kravspecifikationer at holde os til, når vi leder efter det rette kamera:
Givet disse krav kan vi ret sikkert forkaste specialfremstillede kameraer (dyre), professionelle kameraer (store og dyre) og almindelige forbruger camcorders (intet live H.264 output). Vi står da tilbage med valget mellem IP-kameraer, webcams og såkaldte devcams.
IP-kameraer er kameraer med indbygget netværks stak, hvor styring og video kan tilgås via en almindelig IP-protokol som HTTP eller RTSP. De går fra simple WIFI-baserede baby-alarmer til overvågningskameraer i industrikvalitet. Desværre er den type IP-kameraer, som kunne være interessante til vores brug, både for store og dyre til HEAT 2X-missionen.
Webkameraer er simple og billige kameraer, som man forbinder til sin PC f.eks. mhp. videoopkald med Skype til sin mor, far, hund, kat osv. Webkameraer er udviklet enormt i de allerseneste år. Det har ført til webkameraer, som kan levere H.264-kvalitetsvideo via en standard USB-forbindelse.
Vi har faktisk brugt den slags kameraer til live streaming fra begyndelsen, og vi har opnået betydelig erfaring med dem. På den negative side er de fleste webkameraer optimeret til nær-fokus og deres video engines optimeret til indendørs belysning.
Navnet devcam refererer til forskellige udviklingsmoduler til brug for hobbyfolk og industriel prototypefremstilling. Det er som regel små computer-on-modules med et eksternt sensor board, som kan forbindes via et dedikeret parallelt eller serielt interface. Et nyligt eksempel på et sådant system er Raspberry Pi udstyret med et RaspiCam kameramodul.
Faktisk viste Raspiberry Pi med RaspiCam sig at være en meget interessant mulighed. Til at begynde med var jeg ikke så interesseret i Raspberry Pi med dens forældede ARM kerne, klodsede mekaniske formfaktor, specifikationer under NDA, blob-drivere osv.; men med de nyeste kameradrivere kan Raspberry PI + RaspiCam nu optage kvalitetsvideo op til 1920 x 1080 pixels ved 30 billeder per sekund. Videokompressionen sker i VideoCore-hardwaren, og selvom det stadig er mangelfuldt, er der masser af håndtag til at pille ved kameraindstillinger. Til forskel fra de fleste webkameraer er RaspiCams fokus sat på uendeligt fra fabrikken, og selvom objektivet er lille, tager det gode billeder ved de opløsninger, vi er interesserede i.
Rocketcam 1-billede taget fra toppen af HEAT 2Xs servicetårn. Foto: A. Csete.
Den mekaniske konstruktion af RaspiCam boardet gør det relativt let at udskifte objektivholderen, som har M6-gevind, med et adapter til M12- eller C-mount objektiver. Vi har derfor besluttet at bruge Raspberry Pi med RapsiCam til on-board kameraer på HEAT 2X-missionen. Selvfølgelig vil det kræve noget arbejde at tilpasse dem mekanisk og elektrisk til flyvning; men vi har et godt udgangspunkt.
Testopstilling ved HEAT 2X's statiske test
Vi har lavet en testopstilling bestående af et prototypekamera (Rocketcam 1) og DVB-T sender og modtager. Formålet med dette er at:
Testopstillingen var klar til den (siden udsatte) statiske test af HEAT 2X. Den kunne ikke monteres på selve raketten. I stedet er kameraet monteret på servicetårnets øvre platform og rettet nedad langs raketten. Det gav et ret pænt billede.
Billede fra Rocketcam 1 som det var placeret ved første forsøg på HEAT 2X's statiske test. Foto: A. Csete.
RaspiCam er forbundet til Raspberry Pi gennem et high-speed CSI interface. Dette interface er forbundet direkte til VideoCoren i Pi's hovedprocessor, som laver noget sort magi, vi ikke skal vide noget om. En simpel open-source applikation ved navn raspivid kan styre kamera og kompressions indstillinger og hente den H.264-encodede video. I denne prototype har vi yderligere to applikationer kørende på Pi: ffmpeg, som giver en DVB-kompatibel MPEG-TS stream, og tsrfsend, som styrer DVB-T-modulatoren. DVB-T-modulatoren er en UT-100C USB-dongle lavet af et firma i Taiwan. Den er meget interessant, pga. dens lille størrelse, og fordi den også virker i 1,3-GHz amatørradiobåndet.
Rocketcam 1 bestående af en Raspberry Pi, et RaspiCam kameramodul, strømforsyning, en UT-100C DVB-T-modulator og en 20 dBm forstærker. Interesserede kan se de tekniske detaljer vedr. at få transmitteren til at virke med Raspberry Pi her. Foto: A. Csete.
Blokdiagram af Rocketcam 1 testopsætningen ved HEAT 2X statisk test. Grafik: A. Csete.
På modtagersiden burger vi en DVB-T modtager (også USB dongle) baseret på en RTL2832U demodulator chip og en R820T eller E4000 tuner chip. Disse modtagere kan købes for 10-20 € og supporterer DAB/DAB+ modtagelse i L-båndet mellem 1,45 ‒ 1,49 GHz. Selvom DVB driverne i Linux er begrænsede til de officielle VHF/UHF DVB-T frekvenser mellem 174 og 862 MHz, er dette kun softwarebetinget, og en simpel modifikation af driverne tillader modtageren at operere i 1,3 GHz amatørradiobåndet. I praksis virker tuneren udmærket mellem 50 MHz og 2 GHz.
DVB-T modtageren er forbundet til en Linux PC eller en Beaglebone med kerne 3.12 eller senere. I den aktuelle testopstilling bruger vi en simpel applikation ved navn dvblast, som tager den komplette MPEG-TS strøm fra modtageren og streamer det til netværksklienter vha. UDP eller RTP. Applikationen kan også præsentere info om modtagerstatus, såsom tilstedeværelse af bærebølge, demodulator lås og signal/støj-forhold i arbitrære enheder. Det er faktisk al den funktionalitet, vi har brug for i modtagersoftwaren.
Foreløbige testresultater
Trods udsættelsen af test-affyringen fik vi mulighed for at teste Rocketcam 1 i løbet af dagene op til og med HEAT 2X testen den 31. maj. Vi fik mange timers trådløse optagelser, hvoraf nogle er uploadet til YouTube.
Kameraet optog ved 3,3 Mbps og MUX rate var sat til 3,732 Mbps. Dette er den laveste kapacitet for en 6 MHz bred DVB-T kanal med den højeste fejlkorrektion og robusthed. Ud fra disse tests kan vi konkludere at:
I mellemtiden fortsætter arbejdet på Rocketcam 2, som funktionelt vil svare til et flightkamera. Det betyder bl.a. at MPEG-TS muxing og RF interfacing vil blive udført på et separat computerboard, og det vil kræve et betydeligt programmeringsarbejde.
