Espacio Profundo

Leonardo Miguel Delgado

Modificación de webcam Philips SPC900 para larga exposición

Este tutorial tiene el propósito de mostrar cómo modificar para larga exposición una webcam CCD Philips SPC900 con control para puerto paralelo y puerto USB-serie para aquellos que no tienen ningún puerto real. Ésta webcam es la sucesora de la famosa Philips ToUcam Pro II e incluye un CCD mejorado respecto a la vieja Philips Vesta 675K.

De hecho, la SPC900 es una versión "re-empaquetada" de las ToUcam ya que posee los mismos chips en un nuevo formato y un driver mejorado. Sin embargo también es posible modificar una ToUcam Pro o Vesta con este mismo tutorial ya que se basan en el chip NEC D16510 que es un chip controlador de la transferencia de cuadros del CCD.

Son webcams muy recomendables en todo el mundo para astrofotografía planetaria por el contraste, sensibilidad y control que poseen. Luego de esta modificación, ahora también nos va a servir para fotografía de espacio profundo.

La modificación consiste en controlar a través de la PC un chip encargado del control del CCD. Éste chip, un NEC D16510, se encarga entre otras tareas de actuar en la exposición del CCD por medio del controlador principal, un Philips SAA8116. Lo que hace esta modificación es forzar el control de la exposición del NEC D16510 por medio de la PC sin importar lo que el SAA8116 le dicte. Básicamente, el chip Philips SAA8116 controla el flujo de cuadros y otras tareas importantes. El flujo de cuadros del CCD se controla a través del chip NEC D16510. Esta modificación simplemente interrumpe la comunicación del SAA8116 con el D16510, dejándonos controlar a gusto el flujo de cuadros. Como al CCD no se le da la orden de "liberar" el cuadro, éste se expone el tiempo que nosotros queramos (dentro de unos límites por supuesto).

Generalmente la modificación estándar permite un límite práctico de unos 40 - 60 segundos de exposición (según sea el valor de la ganancia, elevada o baja). El problema no radica en el circuito, sinó que en el CCD se genera una luminosidad interna, llamada "amp-glow" provocada por el preamplificador de señal integrado en el CCD. Sin embargo es posible eliminar este brillo interno a través de otra modificación llamada "amp-off", pero será motivo de otro tutorial.

Luego de la modificación, la webcam va a tener aparte de su cable USB, otro que va a controlar la exposición (desde la PC) y un switch que va a controlar su estado: planetaria (normal) o larga exposición.

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La lista de materiales es la siguiente:

*Un circuito integrado 74HC00
*Una resistencia de 100K
*Una resistencia de 10K
*Un condensador cerámico de 0,1 uF
*Un switch de dos posiciones
*Cable fino para las conexiones
*Dos metros de cable mono blindado fino

Y aparte vamos a necesitar estos componentes dependiendo si hacemos la modificación por puerto paralelo o por puerto serial o USB-Serial:

Para puerto paralelo:

*Una ficha DB-25 macho aérea con su respectivo plástico protector
*Una resistencia de 470 ohms

Para puerto serial o USB-Serie:

*Un conversor USB-Serial (RS-232)
*Una ficha hembra DB-9 aérea
*Un circuito integrado 74HC00
*Un diodo 1N4148
*Una resistencia de 470 ohms
*Una resistencia de 100K
*Un condensador cerámico de 0,1 uF
*Un transistor BC547 (cualquier NPN pequeño debería funcionar)
*Una pequeña caja plástica para alojar el circuito

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Tengamos en cuenta que este procedimiento invalida la garantía de la webcam. Si la compran nueva, primero pruebenla todo un día para asegurarse de que funciona bien. Luego antes de desarmar la webcam, debemos quitarnos cualquier objeto de lana que tengamos encima. La lana es generadora de electricidad estática, y eso es algo muy dañino para la circuitería de la webcam. También de tanto en tanto tocar con la mano una baranda de metal, o la heladera, o cualquier cosa metálica grande para asegurarnos de que estamos descargados.

Empezamos por desarmar la webcam. Tomamos un cutter y levantamos las tapitas grises que están en ambos lados.

Una vez que retiramos las dos tapitas grises, con el cutter tratamos de abrir las grampas que unen a la carcasa plástica. Hay que tener cuidado de no deslizar el cutter adentro de la carcasa por las dudas de no dañar la circuitería interna. Retiramos la carcasa negra de adelante.

Ahora tenemos dos carcasas grises. Con cuidado retiramos el conector USB, y una vez que lo sacamos vamos a quitar la carcasa gris. Le retiramos las dos bandas elásticas y al igual que con la carcasa negra, abrimos las grampas para finalmente quedarnos con el circuito "al aire".

Con un destornillador philips, retiramos los dos tornillos que están señalados. Ahora la placa de arriba está sin tornillos. La levantamos suavemente hasta que se desprenda del conector de la placa inferior. A la placa que acabamos de retirar la vamos a llamar placa A y a la segunda (la que tiene el CCD) placa B

Tomamos un destornillador de esos chiquitos tipo relojero, y retiramos los dos tornillos pequeños que estan señalados. Ahora simplemente levantamos la placa y ésta debería salir sin problemas. Con la placa en mano, tomamos un cutter o una aguja y cortamos la pista que conecta el LED. La pista a cortar está señalada. Si no se corta esta pista, el gran brillo del LED va a arruinar las tomas de larga exposición.

Agarramos nuevamente la placa A, y le doblamos dos de las patas del conector. Luego, aplicamos un poco de estaño a las dos patitas dobladas y les soldamos dos cables de unos 10cm de largo. Por último, le vamos a soldar los cables que van a alimentar el circuito. Vamos a tomar 5V y GND del puerto USB. También soldamos dos cablecitos de 10cm.

Tomamos la placa B, y vamos a soldar dos cables de 10cm en donde las flechitas señalan. Primero estañamos un poco el conector y la punta del cable, y los unimos.

Ahora volvemos a atornillar la placa B al plástico gris. Yo lo hice después y no pude documentarlo. Hasta este punto tenemos seis cables: dos son GND y 5V, dos son de la transferencia de cuadros y los otros dos son del obsturador. Procedemos a unir y atornillar las placas A y B dejando los seis cables hacia afuera. Vamos a construir este sencillo circuito, todo montado sobre el mismo chip 74HC00. En el circuito muestro las fotos dónde se debería soldar estos seis cables que habíamos soldado previamente. El circuito va montado sobre el 74HC00 y a su vez éste va montado encima del SAA8116. También adjunto los esquemáticos de la conección a puerto paralelo o a puerto serial o USB->Serie. Algunas imágenes de la construcción y el re-armado.

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Ahora según nuestra conveniencia, podemos optar por usar el puerto paralelo, el puerto serial o el puerto serial a través de un conversor USB-->Serial. El puerto paralelo es el mas sencillo de construir. El negativo (GND) va al pin 21 del conector. La señal de control va al pin 2 del conector.

Para el puerto serial es un poco mas complicado ya que requiere mas circuitería. Algunos detalles. Aclaro que en estas imágenes yo utilizé el doble el doble de componentes para controlar el amp-off. Es sólo a modo ilustrativo.

... Y finalmente tenemos nuestra webcam modificada para larga exposición!!

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Configuración del software:

De nada sirve tener la webcam modificada si no se sabe utilizar el programa, verdad? Voy a incluir una pequeña guía de configuración del software K3CCD Tools que es el programa que usualmente uso para largas exposiciones:

Lo primero que hay que hacer es instalar el programa. El software se puede descargar de la página principal de K3CCD. Tenemos una versión gratuita (la 1) y una versión paga (la 3).

http://www.pk3.org/Astro/

Ahora se conecta la webcam, se abre el K3CCD y vamos a configurar el programa para que tome correctamente las exposiciones (y sincronizarlo con la transferencia de cuadros). Nos vamos a Options --> Settings y ahora nos vamos a la pestaña Camera. En esta pestaña lo primero que hay que hacer es activar la casilla "SC Long Exposure modified camera", y ahora se debe elegir el puerto paralelo o serie al que se enchufó la cámara (LPT1 o COM1 generalmente, y COM4 para el conversor USB-->Serial). Ahora hay que activar la secuencia en la que el programa activa la larga exposición:

Para puerto paralelo:

Vamos a usar la señal "D0" del puerto paralelo ya que controlamos la exposición con un solo pin. Adjunto una imágen con la configuración correspondiente a la webcam:

Se clickéan los "unos y ceros" hasta dejar todo como adjunto en la imágen. Ahora nos vamos al Post Exposure Time. Este valor es muy importante ya que es el tiempo de
sincronización que usa el programa para capturar la imágen expuesta. Una mala sincronización va a dar sólo cuadros negros en vez de la imagen sobreexpuesta. Una correcta sincronización va a dar muy pocos cuadros negros (o ninguno). También ciertos tiempos de exposición son mas propensos a dar cuadros negros. Por ejemplo si 10 segundos da varios cuadros negros, se usa 10,5 u 11 segundos. En el Post Exposure Time para puerto paralelo, yo uso un valor de 40ms, aunque puede variar entre 30 - 50 ms. Menos de 30ms va a dar varios cuadros negros e intuyo que mas de 50 también.

El "Turn ON Amp Lead" lo dejamos en el valor default, 10ms.

Al "Default Amp Mode" lo dejamos en OFF.

Se deja activada la casilla "Log LX exposure to file", va a crear un archivo log de las exposiciones realizadas.

Ahora click a "Aceptar", y se cierra el programa. Siempre que se haga un cambio en la
configuración del programa, se debe cerrar y volver a abrir.

Para puerto serie o USB-->Serie:

Ahora se conecta el conversor USB --> Serial a la PC. Necesitamos saber la asignación que tiene el nuevo puerto serial, para ello vamos al escritorio, le damos click secundario al icono Mi PC --> Propiedades --> solapa Hardware --> Administrador de dispositivos. Se va a abrir una nueva ventana que nos muestra todo el hardware de la PC. Se desplega la parte que dice "Puertos COM y LPT". Va a mostrar los puertos disponibles, fijense que hay uno que debe llamarse "Prolific USB-Serial converter (COM X)". Puede ser COM 4, COM 5, etc. Se necesita saber qué numero de puerto es (generalmente es COM 4). Si lo conectamos al puerto serial estándar de la PC, éste es generalmente COM1 o a veces COM2. Ahora se conecta la webcam y se abre el K3CCD Tools.

Vamos a configurar el programa para que tome correctamente las exposiciones (y sincronizarlo con la transferencia de cuadros). Nos vamos a Options --> Settings y ahora nos vamos a la pestaña Camera. En esta pestaña lo primero que hay que hacer es activar la casilla "SC Long Exposure modified camera", y ahora se debe elegir el puerto COM (COM4 generalmente para el conversor y COM1 para el puerto serie estándar). Ahora hay que activar la secuencia en la que el programa activa la larga exposición. Adjunto una imágen con la configuración correspondiente a la webcam:

Se clickéa los "unos y ceros" hasta dejar todo como adjunto en la imágen. Ahora nos vamos al Post Exposure Time. Este valor es muy importante ya que es el tiempo de sincronización que usa el programa para capturar la imágen expuesta. Una mala sincronización va a dar sólo cuadros negros en vez de la imagen sobreexpuesta. Una correcta sincronización va a dar muy pocos cuadros negros (o ninguno). También ciertos tiempos de exposición son mas propensos a dar cuadros negros. Por ejemplo si 10 segundos da varios cuadros negros, se usa 10,5 u 11 segundos. En el Post Exposure Time yo uso un valor de 25ms, aunque puede variar entre 15 - 35 ms. Menos de 15ms va a dar varios cuadros negros e intuyo que mas de 35 también.

El "Turn ON Amp Lead" lo dejamos en el valor default, 10ms.

Al "Default Amp Mode" lo dejamos en OFF.

Se deja activada la casilla "Log LX exposure to file", va a crear un archivo log de las exposiciones realizadas. Ahora click a "Aceptar", y se cierra el programa. Siempre que se haga un cambio en la configuración del programa, se debe cerrar y volver a abrir.

Continuamos:
Vamos a cambiar el switch de larga exposición, este switch permite omitir el obsturador variable de la webcam. Las largas exposiciones generalmente no funcionan si el switch no está activado. Para planetaria, se debe desactivarlo sinó se "quema" la imagen.

Ahora abrimos nuevamente el K3CCD. Cuando se vuelve a abrir se nota un nuevo icono, el de larga exposición:

Pero antes de tocar algo, vamos a cambiar los parámetros del driver de la webcam (se sigue exactamente los valores mostrados, pero al de "Amplificación" se lo deja en un 75% o menos. A la amplificación se la puede considerar como las ISO de una cámara digital):

Aceptamos todo y nos vamos al K3CCD nuevamente. Click al botón de larga exposición y se va a ver una nueva ventanita, en esta ventanita se puede controlar los segundos de exposición, si hacer una preview o guardar los frames, etc.

Por defecto guarda los frames en el directorio donde se instaló el programa. Guarda un video que contiene la secuencia de frames (frames descomprimidos). Junto a éste video, hay un archivo de texto del mismo nombre que tiene el log de las exposiciones tomadas, sus segundos y la hora en la que se las tomó.

Lo que yo hago es elegir un objeto, clickear el botón Guardar, hacer las exposiciones y cuando voy a elegir otro objeto, vuelvo a clickear el botón Guardar para finalizar el video.
Apunto a otro objeto, vuelvo a clickear el botón Guardar para empezar una nueva secuencia, y cuando termino de sacar las exposiciones, le doy nuevamente al botón Guardar para finalizar la secuencia (y así sucesivamente, de manera que tengo un video con los frames de un objeto, otro video con frames de otro objeto, etc, de esta manera no tengo todas las exposiciones en un sólo archivo).

Ahora ese video lo debemos separar en imágenes. En el K3CCD abrimos la pestaña Sequence Processing:

Nos vamos a File --> Open Video y seleccionamos el directorio donde están los videos con la secuencia de frames. Abrimos el video:

Yo en este caso tomé cuatro frames. Se selecciona los frames que se quiere guardar y vamos a File --> Export Selected to Bitmaps y ahí se guarda todos los frames seleccionados como imágenes BMP.

Listo, eso es todo!!

Antes de finalizar agradezco enormemente a Jorge Di Tata por tomar numerosas de las fotografías aquí expuestas. Gracias Jorgito!!

Saludos!!

omega cen · Publicado: Dom Jul 20, 2008 6:06 pm **Asunto**:

Hola leo
PAPA!!!!!!!!!Tremendo laburo te mandaste!!!!!!!!, no tengo mas que felicitarte por el trabajo o tutorial y por lo detallado que esta,
Mis cinceras felicitaciones hermano, de verdad,y tambien a jorge que lei que te dio una mano
Saludos...Pablo

danielschkzamian · Publicado: Dom Jul 20, 2008 6:41 pm **Asunto**:

increible! tremendo! muy completo! te recontra felicito por ser un genio! como haces para conseguir esos diagramas de circuitos? Confused

. yo la unica ves que quería conseguir el diagrama de un amplificador no lo conseguí Crying or Very sad

soy muy malo buscando info!

mauriciocasilda · Publicado: Dom Jul 20, 2008 7:49 pm **Asunto**:

WTF!

........ Sos groso sabelo , jajajaja Wink

, impecable el tuto

rigatuzzo · Publicado: Dom Jul 20, 2008 7:55 pm **Asunto**: que te puedo decir.........

sin palabras

por vez 50, gracias por el aporte.

Sergio · Publicado: Dom Jul 20, 2008 8:47 pm **Asunto**:

Muy bien Leo Very Happy

Excelente tu tabajo !!
No debe ser nada fácil.
Cualquier cosa que necesite (de electrónica por supuesto) te voy a pedir el servicio

Un abrazo
Sergio

Tech · Publicado: Dom Jul 20, 2008 9:50 pm **Asunto**:

Muy buen tutorial Leo! te pasaste!

Fernando Mazzone · Publicado: Lun Jul 21, 2008 10:26 am **Asunto**:

Excelente Leo!!!. Por suerte consiguieron el reemplazo para la orite que no se conseguía mas.
Aunque está es mejor ¿no?

Abrazos

Germán Bresciano · Publicado: Mar Jul 22, 2008 10:57 pm **Asunto**:

Leonardo,

¿Has hecho la modificación amp-off en tu SPC?
¿Con cuál direño?

Yo a la mía le hice la modificaciópn SC1.5 (la que desconecta la tierra del pin 9 del CCD) pero no me está andando.
Parece como que apagara todo el CCD en lugar de sólo el amplificador.
En Interner hay ejemplos de modificaciones pero sólo encontré las que usan el circuito con zener para bajar el voltaje de alimentación del amplificador en el pin 8 del CCD, no he visto ningún caso en el que usen el otro circuito en una SPC.

Si sabes algo al respecto te agradezco la ayuda.

Germán

Leonardo Miguel Delgado · Publicado: Mie Jul 23, 2008 4:00 am **Asunto**:

Hola Germán!!

Exactamente hay dos diseños, uno que "apaga" al CCD que es el que corta GND con un transistor, y el otro es el de dos transistores y el zener.

La ventaja es que el segundo es mas "confiable" y te permite usar el circuito de alimentación forzada del bias (asi no se arruina el rango dinámico).

El amp off + ajuste de bias se lo hice a mi webcam Orite con el circuito que usa el zener y no tuve ningún problema. El voltaje del CCD debe bajar de 15V a unos 8V aprox. (en realidad debe bajar hasta el menor voltaje sin que el CCD te de imágenes blancas, tengo entendido que menos de 6V no acepta)

Salvo la modificación SC1, en las SPC900 no he hecho ninguna otra modificación ya que no son mis webcams Wink

Cambiando de tema:

¿Probaste el WCRMAC? Te da imágenes RAW y desactiva varios parámetros que inducen ruido en tu Vesta. Recién acabo de hacer el test en mi ToUcam Pro y es una maravilla.

También si te animás podrías cambiar el CCD de la Vesta (ICX098AK) por el ICX414AL (blanco y negro). Es mucho mas sensible, y proporciona mayor FOV. Eso, con un enfriado peltier ya sería una cámara astronómica pura limitada sólo por los 8 bits de conversión y la resolución. Imaginate:

CCD blanco y negro de 1/2", píxeles de 9um
Amp-off
Ajuste de bias
Enfriado peltier
RAW

...y agarrate por las fotos que podés lograr con eso!!!

Venta de CCDs: http://www.framos.eu/progressivescan.html

Saludos!!