Frankenstein-Kamera | Teil 2: Das Messsucher Problem

Das Messsucher-Problem

Letzte Woche kam meine FED 2 an - das Gehäuse für die Frankenstein-Kamera. Und keine zehn Minuten später ist mir aufgefallen: Ich hab noch nie eine Messsucher-Kamera benutzt und hatte tatsächlich keine Ahnung, wie diese eigentlich scharfstellen. Ein Messsucher nutzt zwei Sichtfenster, die die Szene aus leicht unterschiedlichen Winkeln sehen. Dreht man am Fokusring, verschieben sich die beiden Bilder gegeneinander - und sobald sie exakt übereinanderliegen, ist das Motiv scharf. Im Prinzip wie Stereoaufnahmen, nur nicht um eine Depth Map zu erstellen, sondern zur Fokusmessung. Die Kamera braucht also irgendeine mechanische Verbindung zum Fokuszug des Objektivs. Bei Messsuchern übernimmt das ein kleiner Hebel im Objektivbajonett, der direkt mit dem Objektiv verbunden ist. Innen im Objektiv schiebt das Fokushelikoid diesen Hebel, während du am Ring drehst, verschiebt sich dabei das Messfeld im Sucher und bringt die zwei Bilder auf Deckung. Ehrlich gesagt: geniale Mechanik. Man deckt einfach die beiden Bilder im Messfeld so, dass sie scharf übereinanderliegen. Das macht's auch für Leute mit leichter Sehschwäche oder Brille deutlich einfacher, präzise scharfzustellen, solange sie die beiden Bilder noch gut genug erkennen, um sie übereinanderzulegen.

Ein Haken bleibt: Es funktionieren nur Objektive, die für die Messsucher-Kopplung gebaut sind. Das hat mich ziemlich geärgert, weil ich schon einen Haufen Objektive besitze, die mit dieser Kamera schlicht nicht zusammenspielen.

Also, nächster Deep Dive: Wie kriegen wir volle Objektiv-Kompatibilität auf unsere Frankenstein-Kamera - ohne Löcher zu bohren oder einen Bildschirm zu montieren?

Von innen: Laser-Messung

Ausgangslage: Ich will SLR-Objektive auf dieser Messsucher-Kamera nutzen. Diese haben jedoch keine interne Verbindung zum Fokuszug, ich muss also irgendwie diese Lücke schließen. Als Technical Director sind genau solche Probleme diese, die ich liebe. Ich finde es super einfach und intuitiv, wie Messsucher den Fokus treffen. Aus diesem Grund wollte ich den Mechanismus so weit wie möglich am Leben halten - statt ihn einfach zu ersetzen.

Meine erste Idee - die ich ziemlich schnell wieder verworfen habe - war ein kleines Distanzmessgerät, etwa ein LiDAR-Sensor oder eines dieser winzigen Laser-Time-of-Flight-Boards. Der Plan: die Optik davon in das Messsucher-Gehäuse einbauen, per Knopfdruck die Distanz zum Motiv messen und den Wert an unseren Raspberry Pi Zero 2 W schicken. Der Pi würde dann die nötige Hebelbewegung berechnen und einen kleinen Servo ansteuern, der an denselben Zahnrädern hängt, die der Messsucher eh schon nutzt. Der Dealbreaker: Auf Unendlich fokussieren geht damit nicht, weil ein Sensor, der überhaupt in die FED 2 passt - wie der VL53L1X, ein kompakter Time-of-Flight-Sensor - zuverlässig nur bis etwa 4-8 Meter misst.

Magnetsensoren

Für einen meiner letzten Filmdrehs musste ich die Geschwindigkeit eines menschengroßen Hamsterrads messen und in Unreal Engine übertragen, um unsere Virtual Production Panels anzusteuern. Erst dachte ich hierbei an einen Hall-Sensor. Habe den Gedanken jedoch verworfen und stattdessen einen Gyro-Sensor genommen - einen MPU6050, der die Winkelgeschwindigkeit direkt ausgibt, ganz ohne Magnete oder Pulse zählen.

Dieser Umweg brachte mich auf die Idee, dass ein Hall-Sensor auch hier funktionieren könnte - direkt neben dem Sucher montiert, Richtung Objektiv, mit einem kleinen Magneten am Fokusring. Nur: Ein simpler Hall-Sensor ist ein Schaltsensor. Er feuert jedes Mal einen Impuls, wenn ein Magnet vorbeizieht - zählst du die Impulse über die Zeit, kriegst du die Drehzahl. Aber er weiß nicht, wo der Magnet gerade ist, nur dass er vorbeigekommen ist. Ein Gyro wie der MPU6050 hat für diesen Fall dasselbe Grundproblem, nur von der anderen Seite: Er misst die Drehrate, nicht den absoluten Winkel. Man kann diese Rate über die Zeit aufintegrieren, um eine Position zu schätzen, aber diese Sensoren haben eine große Abweichung - und Drift ist so ziemlich das Letzte, was ich beim Fokussieren gebrauchen kann. Fürs Fokusziehen brauche ich keine Geschwindigkeit, ich brauche die absolute Position. Das richtige Bauteil dafür ist also ein linearer oder rotativer Hall-Effekt-Positionssensor - ein Chip wie der AS5600, der den kontinuierlichen Winkel eines Magneten auf einer rotierenden Achse ausliest und einen absoluten Winkel liefert statt nur einen Impuls oder eine Rate. Einen davon neben den Sucher gesetzt, einen kleinen Magneten auf den Fokusring geklebt - und er sollte theoretisch die exakte Drehung des Rings durchgehend melden.

Nur: Ein Objektiv ist groß, und Chips wie der AS5600 sind für einen Magneten gebaut, der quasi direkt draufsitzt - im Datenblatt wird von einem maximalen Abstand von etwa 0,5-3 mm geredet. Der Abstand von einem am Gehäuse montierten Sensor zu einem Magneten auf dem Objektiv läge realistisch bei mindestens 3 Zentimetern, und rechnet man Objektivdurchmesser und Bewegungsspielraum mit ein, eher 3-6 cm. Der Abstand ist einfach zu groß.

Der Weg nach außen

Als Nächstes überlegte ich, die Bewegung des Fokuszugs von außen nach innen zu übersetzen. Da ich immer noch keine Löcher bohren oder ins Gehäuse schneiden wollte, war diese Idee härter umzusetzen - habe sie jedoch trotzdem ziemlich weit entwickelt. Etwas von außen muss mit etwas von innen kommunizieren, und der einzige realistische Weg ohne Loch ist Bluetooth oder WLAN zum Raspberry Pi. Die Grundidee bleibt gleich: Distanzinformation an den Pi Zero 2 W schicken, der dann einen kleinen Motor ansteuert, der an dem Hebel oder den Zahnrädern vom Messucher hängt.

Das Konzept: ein winziger Sensor, den man am Objektiv befestigt. Immer wenn man am Fokusring dreht, erfasst der Sensor die Bewegung und schickt sie an den Pi.

Ich habe ziemlich viel Zeit in dieses Konzept gesteckt. Das Gerät musste so klein wie möglich sein und quasi keinen Strom ziehen, weil ich weder ein Kabel ins Kamerainnere legen wollte (was bei der FED 2 theoretisch ginge, es gibt ein kleines Loch für den Anschluss eines externen Blitzlichts) noch zusätzliches Gear mit rumschleppen wollte. Das führte zum ESP32 - ein Mikrocontroller, der extrem stromsparend ist und Bluetooth sowie WLAN gleich eingebaut hat. Nächste Einschränkung: Akkukapazität, wahrscheinlich der größte Faktor im ganzen Stack. Je größer der Akku, desto größer das Gerät, und Größe ist hier ein wichtiger Faktor - das Gadget muss sich ans Objektiv klemmen, ohne klobig auszusehen oder beim Schießen zu stören. Der größte Akku, den ich noch vertreten konnte, war ein 200-mAh-LiPo, der in ein Gehäuse passte, das ich in Plasticity designt habe. Am Ende war das Gehäuse rund 2 x 2 x 2 cm groß - schon die Obergrenze von dem, was ich wollte.

Dann kam der eigentlich harte Teil: Wie erfasst man überhaupt die Fokusbewegung des Objektivs? Ich hab drei Ansätze durchgespielt.

Erster Ansatz: ein kleines Rad, das gegen das Objektiv gedrückt wird. Dreht man am Fokusring, rollt das Rad mit, und die Drehung lässt sich direkt in ein messbares Signal übersetzen. Bringt aber jede Menge zusätzliche Teile mit - ein Rad, eine Feder für die Spannung, ein Gehäuse etc..

Zweiter Ansatz: sowas wie ein Mini-Laufband - ein Gummiband um das Objektiv gespannt, geklemmt wie eine winzige Panzerkette, die die Bewegung erfasst. Auch nicht meine Lieblingslösung, weil es Millimetergenauigkeit braucht und das Band leicht durchrutschen könnte.

Der vielversprechendste Ansatz: einen optischen Maussensor zweckentfremden, um die Bewegung zu tracken. Wenn du eine Maus bewegst, übersetzt du reale Bewegung in ein digitales Signal - und ein Sensor wie der PMW3901, ein Optical-Flow-Chip, ursprünglich für Mäuse gebaut und heute Standard in Drohnen mit Position-Hold, passt von der Größe her richtig gut. Einziger Haken: Er braucht auch Strom, was in der Praxis aber kein Problem ist - ich könnte ESP32 und Sensor in den Deep-Sleep schicken und nur bei Bedarf aufwecken.

Nach dem ich ein paar Designs in CAD erstellt habe bin ich leider an einem echten Problem hängengeblieben: Wie befestigt man das Gerät zuverlässig am Objektiv? Magnete fühlten sich zu wackelig an - ich wollte das Gerät nicht verlieren und auch nicht die ganze Zeit ein Auge draufhaben müssen. Doppelseitiges Klebeband fühlte sich genauso unzuverlässig an. Blieb nur noch eine Art Band oder Gurt um das Objektiv.

Ehrlich gesagt, glaube ich, das hätte funktionieren können, aber es hätte die Komplexität ordentlich hochgeschraubt. Nach ein paar Prototypen aus Papier war ich nicht überzeugt genug, um da weiterzumachen.

Der Abschied vom Messsucher

Wie gesagt, ich wollte den Messsucher wirklich behalten. Ich liebe das Gefühl, den Fokus durch das Überlagern zweier Bilder zu treffen - aber ich hab keinen zuverlässigen, einfachen Weg gefunden, diesen Mechanismus mit einem modernen Sensor zu koppeln und die Flexibilität von verschiedenen Objektiven zu erhalten. Also zurück zum Frankenstein-Projekt: Wir wollen der FED 2 einen digitalen Sensor verpassen, aber ich will kein großes Display hinten draufschrauben.

Meine nächste Idee: das Sucherfenster durch ein Micro-OLED-Display ersetzen, gespeist vom HDMI-Ausgang des Sensors. Damit würde ich exakt sehen, was der Sensor sieht, könnte Kantenerkennung aktivieren und auf einen Blick erkennen, ob der Shot scharf ist. Beim Recherchieren stellt sich aber heraus: So kleine hochauflösende Displays gibt's in keinem vernünftigen Preisrahmen - die sind teuer, genau weil sie so winzig sind. Das größte, das noch in die FED 2 passen würde, liegt bei etwa 1 x 1,5 cm, und ich müsste dazu noch die Mikrolinsen im Sucher neu designen, damit das Panel scharf abgebildet wird. Der einzige realistische Weg zu einem echten digitalen Sucher wäre eine gebrauchte Sony A6000 oder neuer, weil diese einen solchen schon eingebaut haben - diese sprengen jedoch wieder das Budget.

Was mich zu dem Ansatz bringt, den ich jetzt tatsächlich verfolge. Aktuell ist der Plan, den Mini-Computer (den Raspberry Pi Zero 2 W) nur als Trigger zu nutzen, per PTP mit der Kamera verbunden. Aber warum nicht zusätzlich eine Capture Card einbauen, das HDMI-Signal direkt vom Mainboard der neu eingebauten Kamera abgreifen und eine Rot-Kanten-Erkennung über den PI laufen lassen? Damit das auf einem Zero 2 W machbar ist, croppen wir auf die Bildmitte und prüfen auf rote Kanten - sobald genug Rot erkannt wird, triggern wir eine kleine LED, die direkt im Sichtfeld des Messsuchers sitzt. Schaut man durch den Sucher, sieht man das gedimmte, farbige Licht (rot, grün...) und weißt sofort, ob der Fokus sitzt.

Das Konzept hab ich mit meinem Handy getestet - Bildschirm komplett rot, gelb oder grün gefüllt und direkt durchs Messsucher-Okular gehalten. Dies hat genau so funktioniert, wie ich's mir erhofft habe.

Beim Weiterdenken fiel mir aber auf: Reine Rot-Erkennung würde mich ziemlich einschränken - was, wenn ich ein rotes Auto fotografiere? Das System würde alles als scharf durchwinken, egal wie der tatsächliche Fokus aussieht, und es gäbe keine Möglichkeit zu erkennen, ob mein aktueller Fokuspunkt vor oder hinter dem Motiv liegt. Also hab ich weiter iteriert und bin bei diesem Ansatz gelandet:

Vorverarbeitung:

• Center-Crop: Statt den vollen Feed in Originalauflösung zu verarbeiten (das würde den Zero 2 W zu sehr beanspruchen), begrenzen wir die Analyse auf eine feste 160x160-Pixel-ROI in der Bildmitte.
• Graustufen-Konvertierung: Das Bild wird in Graustufen umgewandelt, um die Kantenerkennungs-Matrix zu vereinfachen und den Speicherbedarf zu senken.

Schärfe-Metrik:

Ein Sobel-/Laplace-Filter (genauer: die Varianz des Laplace-Werts bzw. die Gradientenstärke) quantifiziert den Hochfrequenzanteil innerhalb dieser ROI (Region of Interest).

• Logik: Höhere Varianz bedeutet schärfere Kanten - mehr Kontrastübergänge - und genau das nutzen wir direkt als Fokus-Score.

So sieht die technische Zusammenfassung dieses Workflows aus:

Eine Capture Card zieht etwa 140 mA - im Vergleich zum Raspberry Pi Zero 2 W ziemlich viel, also sollten wir den Videofeed nur bei Bedarf mit Strom versorgen. Sprich: Wir brauchen eine Art "Power-Button". Zum Glück hat die FED 2 schon einen Selbstauslöser-Knopf vorne am Gehäuse, den wir dafür zweckentfremden können. Drückst du ihn, bekommt die Capture Card Strom, schickt ihren Videofeed an den Pi, und der Pi startet automatisch die Analyse und passt die LED-Farbe je nach Ergebnis an.

Mit diesem Ansatz bin ich ziemlich zufrieden, aber ob er sich in der Praxis bewährt, zeigt sich erst beim Bauen. Im nächsten Post geht's darum, im Gehäuse der FED 2 mehr Platz für das ganze zu schaffen - konkret: einen eigenen Objektivadapter zu designen, der das Auflagemaß weiter nach vorne verschiebt.