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Webcams und IP-Kameras - Netzwerkkomponenten

Inhaltsverzeichnis

1. Allgemeines

Als Webcam wird im Allgemeinen eine Kamera bezeichnet, die Bilder in Echtzeit in einen Computer oder in ein Computernetzwerk speist. Diese sogenannten Videolinks erlauben es, Computer als Bildtelefon (Videofonie, Videotelefonie), Videokonferenzstation oder Quelle von ständig aktualisierten Standbildern zu nutzen. Diese Eigenschaften ermöglichen den Einsatz von Webcams in vielen Anwendungsbereichen. Gemeinsam haben alle Webcams, dass sie über das Internet oder im Intranet wie eine normale Webseite mit einer URL aufgerufen werden können.
Die URLs von Webcams auf der ganzen Welt können über spezialisierte Webseiten wie www.webcamgalore.com/DE/, Wetterseiten wie www.wetter.com/webcams_galerien/webcams/ oder einfache Suchmaschinenabfrage mit den Suchbegriffen 'Ortsnamen' und 'Webcams" in Erfahrung gebracht bzw. aufgerufen werden.

2. Webcam-Varianten

Abhängig vom Einsatzzweck sind viele Varianten in der Ausstattung, Leistungsfähigkeit und Bauform von Webcams im Handel erhältlich. Der wichtigste Unterschied liegt hierbei in der Differenzierung zwischen Standard-Webcams, die über USB oder Firewire (iLink / IEEE1394) an einen PC oder Laptop angeschlossen werden und den sogenannten IP-Kameras, die über einen eingebauten Netzwerkanschluss und eventuell sogar Webserver verfügen.

2.1. Standard-Webcams

Standard-Webcams sind über einen seriellen Bus mit einem Computer verbunden. Im einfachsten Fall ist dies die interne Webcam eines Laptops, die über einen internen USB-Bus angebunden ist. Externe Webcams werden zumeist über einen externen USB-Anschluss oder, seltener, per Firewire (iLink / IEEE1394) angeschlossen. Die Konfiguration und Steuerung der Funktionen der Kamera erfolgt lokal über Treiberprogramme. Die aufgenommenen Bilder bzw. Videos können auf zwei Wegen, über einen Webserver oder per Instant-Messenger, ins Internet geschickt werden.

Abb. 01: Eine im Display eines Laptops integrierte Webcam
Abb. 01: Eine im Display eines Laptops integrierte Webcam
Abb. 02: Externe USB-Webcam
Abb. 02: Externe USB-Webcam [1]
Abb. 03: Webcam mit 3-Achsensteuerung
Abb. 03: Webcam mit 3-Achsensteuerung
Abb. 04: Videokonferenzsystem
Abb. 04: Videokonferenzsystem [2]
Verteilung per Webserver

Um die Bilder im Internet zu veröffentlichen und zum Download zur Verfügung zu stellen werden sie vom lokalen Computer an einen im lokalen Netz befindlichen oder in einer DMZ stehenden, mit einer öffentlichen IP-Adresse versehen, Webserver weitergereicht. Hier können sie dann von einem Browser oder einem FTP-Client heruntergeladen werden. Wenn jemand die Bilder betrachten (=herunterladen) will,  muss die URL oder die IP-Adresse des Webservers bekannt sein.

Versand per Instant-Messenger

Zur Videotelefonie ("Videochat") müssen wie bei VoIP ("Internettelefonie") dedizierte Punkt zu Punkt-Verbindungen zwischen den Computern der Teilnehmer aufgebaut werden. Wenn die Verbindung besteht, können die Bilddaten als Datenstrom in Echtzeit übertragen werden. Verbindungsaufbau und Übertragung der Bilder erfolgt hierbei durch Instant-Messenger-Programme wie ICQ oder Kommunikationsprogramme wie Skype. Gemeinsam haben diese Programme, dass sie den Computer auf dem sie installiert sind, bei einem zentralen Server mit einer individuellen Kennung anmelden. Der Server verknüpft die Kennung mit der momentanen öffentlichen IP-Adresse des Computers und macht somit den Anschluss des Teilnehmers eindeutig identifizierbar. Auf Anfrage  oder automatisch teilt der Server dann anderen Teilnehmern die Verbindungsdaten mit. Die Bilder der Webcam werden in diesem Fall ausschließlich an den (oder die) verbundenen Teilnehmer gesendet.

Abb. 05: Videochat über Skype
Abb. 05: Videochat über Skype

2.1.1. Anwendungsgebiete von Webcams

Webcams kommen zumeist im privaten und kommerziellen Umfeld zum Einsatz. Neben Videochats und Videokonferenzen (oder deren Steigerungsform Telepresence) gewinnen Webcams auch zunehmend in der Bildung und Weiterbildung an Bedeutung, da Online-Unterricht und -Schulungen Reisezeit und Reisekosten vermeiden.
Computer, ausgestattet mit entsprechenden Kommunikationsprogrammen, können einen virtuellen Klassenraum schaffen, in dem Webcams zum Einen die Aufgabe einer flexiblen Darstellung von Objekten bei den Teilnehmern, zum Anderen aber auch dem Vortragenden eine Rückkopplung von den Teilnehmern ermöglichen.

Abb. 06: Einsatz von Webcams bei Online-Schulungen (Dozentenansicht)
Abb. 06: Einsatz von Webcams bei Online-Schulungen (Dozentenansicht)

Neue Geschäftsmodelle in der Online-Textilbranche nutzen die Webcam des Kunden zur Fern-Körpervermessung um die passende Konfektionsgröße eines Produktes zu bestimmen.

Zu Marketingzwecken installieren Städte und Gemeinden Webcams, die aktuelle Informationen zu touristischen und kommerziellen Zielen (Marktplätze, Strände, Skipisten, ...) und dem Wetter (sog. Weathercams) liefern.

Abb. 07: Öffentliche Webcam mit Blick auf den Marktplatz von Rinteln (Quelle: www.rinteln.de)
Abb. 07: Öffentliche Webcam mit Blick auf den Marktplatz von Rinteln (http://webcam.rinteln.de/bewegt.php)

Die Erotikbranche macht mit auf Webcams beruhenden "Diensten" Millionenumsätze. Eine der ersten Webcams, die voyeuristische Einblicke erlaubte, war die JenniCam.

2.2. IP-Kameras (Netzwerkkameras)

Die grundlegende Funktionalität einer IP-Kamera (Internetprotokollkamera) ist die einer normalen Webkamera, die um einen integrierten Webserver erweitert wurde. Dieser Webserver-Dienst läuft auf einem integrierten Microcomputer mit einem eingebetteten Betriebssystem. Daher gehen die Funktionen, die eine IP-Kamera bietet, über die einer Webcam hinaus. IP-Kameras sind in der Regel fest installiert und dienen zumeist Überwachungsaufgaben. Oft werden IP-Kameras mit zusätzlichen Sensoren (Bewegungs-, Hitze-, Rauchmelder usw.), Lichtquellen (Infrarot-Scheinwerfer) oder FLASH-Speicher/Festplattenrecorder kombiniert.
Eine IP-Kamera ist direkt über eine URL oder eine IP-Adresse erreichbar und kann über diese konfiguriert und gesteuert werden (Schwenken, Neigen, Zoomen) und die Bilder an einen Browser liefern. Durch den eingebauten Computer können aber auch Emails oder SMS verschickt werden, z.B. wenn ein Sensor oder eine integrierte Bewegungserkennungssoftware Alarm ausgelöst hat.

Abb. 08: IP-Kamera mit IR-Scheinwerfer
Abb. 08: IP-Kamera mit IR-Scheinwerfer [3]

2.2.1. Anwendungsgebiete für IP-Kameras

Durch ihre vielseitige Erweiterbarkeit wie Steuerbarkeit, Nachtsichttauglichkeit eignen sich IP-Kameras hervorragend für Überwachungsaufgaben.  Öffentliche Sicherheitsorgane wie Polizei und Bundesgrenzschutz (z.B. ehem. Bahnpolizei),  der Werkschutz von Firmen und  Institutionen wie Verkehrsleitzentralen, Waldbrandüberwachungszentralen setzen IP-Kameras in großem Umfang ein. Grundsätzlich laufen die Kameras in geschlossenen (privaten) Netzwerken und sind  bis auf wenige Ausnahmen (z.B. Verkehrsmanagementzentrale Hannover http://www.vmz-niedersachsen.de/kameras/videokarte2.html) auch nicht über das normale Internet erreichbar. Die Anbindung der Kameras ans Netz erfolgt nicht immer über Kabel. Isoliert stehende Kameras werden über Solaranlagen betrieben und sind über Funk ans Netz angebunden.

Auch im privaten Umfeld werden IP-Kameras eingesetzt. Bei einer Verwendung in einem lokalen Netzwerk (z.B. als BabyCam) können die Bilder beispielsweise in einem Smart-TV als Bild-im-Bild eingeblendet werden.
Aber auch eine Verwendung im Internet ist über eine feste IP-Adresse oder per DynDNS (dynamischer Domain-Name-System-Eintrag) möglich. Bei solch einem Betrieb ist sorgfältig zu unterscheiden, ob die Bilder oder Videos aus der Kamera öffentlich zugänglich sein dürfen (z.B. beim Städtemarketing oder Tourismus) oder ob die Informationen vertraulich sein sollen.

2.2.2. Sicherheit bei IP-Kameras in Internet.

Wenn eine private IP-Kamera im Internet stehen soll, ist der Sicherheitsaspekt bei der Installation und Konfiguration einer IP-Kamera unbedingt zu beachten, denn die IP-Adresse der Kamera ist aus dem Öffentlichen Adressbereich und damit ist die Kamera im Prinzip für jedermann zugänglich. Somit wird die IP-Adresse der Kamera auch regelmäßig von den Web-Crawlern der Suchmaschinen besucht und ausgeforscht. Hat die Kamera eine URL oder liefert auf die Anfragen des Crawlers irgendwelche Antworten, wird die Kamera in den Suchergebnissen der Suchmaschine aufgeführt. Über bestimmte Suchanfragen lassen sich die Links zu den IP-Kameras vieler Hersteller direkt auflisten und aufrufen. Ist der Webserver der Kamera nicht über Benutzername und Passwort gesichert, kann jedermann die Kamera mit allen Funktionen übernehmen. Auch die Daten der Bild- oder Videoinformation sollten verschlüsselt übertragen werden.

Abb. 9: Die Stadt Amberg stellt eine steuerbare IP-Kamera bereit, die sich per Browser fernsteuern lässt. (http://82.135.124.181/view/index.shtml)
Abb. 9: Die Stadt Amberg stellt eine steuerbare IP-Kamera bereit, die sich per Browser fernsteuern lässt. (http://82.135.124.181/view/index.shtml)

3. Die Entwicklung der Webcam

Die erste Webcam

Die erste Webcam wurde 1991 von der Abteilung für Computerwissenschaft der Universität Cambridge entwickelt. Anlass der Entwicklung war die Überwachung des Füllstands der Kaffeemaschine im sogenannten "Trojan Room" im alten Computerlabor.

Abb. 10: Trojan room coffee pot
Abb. 10: Trojan room coffee pot [4]

Die auf die Kaffeemaschine ("Trojan Room coffee pot") gerichtete Kamera lieferte ein analoges Videosignal, das von einer Video Capture-Karte in einem Desktop-Computer digitalisiert wurde. Die 128x128 Pixel großen Graustufenbilder wurden von einem Serverprogramm ins lokale Netzwerk der Universität eingespeist und periodisch aktualisiert. Eine Client-Software ("X-Coffee") zeigte dann die Bilder live in einem Fenster auf dem Bildschirm an (Abb. 11).
1993 waren Browser in der Lage Bilder direkt anzuzeigen, was dazu führte, dass die Bilder der Kaffeemaschine auch ins Internet gestellt wurden.
Die Kamera wurde schließlich am 22. August 2001 um 09:54 UTC abgeschaltet und die Kaffeemaschine (ein Modell von Krups) wurde auf eBay für 3500 Pfund Sterling an die Nachrichtenplattform Spiegel Online versteigert.

QuickCam

Die erste käufliche Webcam wurde von der U.S.-Firma Connectix entwickelt und 1994 in den Markt gebracht. Die QuickCam lieferte ein Schwarz-Weißbild mit einer Auflösung von 320x240 Pixeln und 16 Graustufen bei 60 Bilder/s oder 256 Graustufen bei 15 Bilder/s. Der Anschluss an den Computer erfolgte direkt an den seriellen Port. Die 100$ teure Kamera war zunächst nur für den Apple Macintosh verfügbar, im darauf folgenden Jahr auch für PCs unter dem Microsoft Windows Betriebssystem.

JenniCam

Eine der ersten Webcams, die massenhaft besucht wurden, ist sicherlich die JenniCam von Jennifer Kaye Ringley. Von einigen zwar als Konzeptkünstlerin bezeichnet, sah Ringley ihre Website eher als eine Dokumentation ihres Lebens.
1996 installierte die damals 19-jährige in ihrem Zimmer im Studentenwohnheim in Carlisle, Pennsylvania, eine Schwarz-Weiß-Webcam und stellte die Bilder live auf ihrer Webpage ins Internet. Später, nach ihrem Abschluss mit einem Wirtschaftsdiplom, versah Ripley ihre Wohnung mit vier Webcams.  Da sie ihr Leben so ungefiltert wie möglich zeigen wollte, konnte man sie gelegentlich auch nackt oder bei sexuellen Aktivitäten beobachten.
Da Ringley's Website (zunächst) kostenlos war, stiegen die Besucherzahlen rasant an und Ringley wurde zu einer bekannten Internet-Persönlichkeit, die Auftritte in diversen Talkshows (u.a. bei David Letterman) hatte. Zur Zeit ihrer höchsten Popularität wurden täglich bis zu 4 Millionen Besucher auf ihrer Website gezählt.
Im Dezember 2003 schloss Jennifer Ringley ihre Website und zog sich in ihre Privatsphäre zurück.

4. Aufbau und Funktionsweise

Abb. 11: Kameraplatine mit CCD-Sensor (leicht vergrößert)
Abb. 11: Kameraplatine mit CCD-Sensor (leicht vergrößert)

Herzstück einer jeden Webcam ist natürlich die Kamera selbst. Bei modernen Kameras kommen ausschließlich CCD- oder CMOS- Bildsensoren zum Einsatz. Selbst Webcams für unter 20€ liefern heute HD-Videostreams mit 1280x720 Pixeln. Teurere Webcam erzeugen sogar Full HD- Streams mit 1920x1080 Pixeln. Einzelfotos können bis zu fünf Megapixel erreichen. Die Abtastung erfolgt immer progressiv.
Eine Webcam besteht aus mindestens den Funktionsgruppen (siehe auch Abb. 12):

- Optik
- Bildsensor
- Bildverarbeitung, ein Chip, der den Bildsensor ausliest
-Bildkompression, die die Rohbilder in die bekanntesten Grafikformate (meist JPEG) oder Videoformate (MJPEG, MPEG-2, MPEG-4) komprimiert.
- Schnittstelle zum Anschluss der Webcam (USB oder Ethernet)

Aufwändigere IP-Kameras werden, wie oben beschrieben, meist über einen Microcontroller (CPU) gesteuert. Das notwendige Betriebssystem und Programm befinden sich in einem RAM oder FLASH-RAM. Ein DRAM dient als Arbeits- und Pufferspeicher.

Abb. 12: Blockbild einer einfachen Webcam
Abb. 12: Blockbild einer einfachen Webcam
Abb. 13: Blockbild einer IP-Kamera (mit 3-Achsmotorsteuerung)
Abb. 13: Blockbild einer IP-Kamera (mit 3-Achsmotorsteuerung)
Abb. 14: Die Webcam aus Abb. 03 ohne Gehäuse
Abb. 14: Die Webcam aus Abb. 03 ohne Gehäuse

Die Motorsteuerung erhält ihre Steuerbefehle von der CPU, wertet sie aus und erzeugt die Steuerströme für die Stellmotoren. Über Drehwinkelgeber oder Endschalter (hier nicht dargestellt) werden die Drehradien der Stellmotoren überwacht und begrenzt.
Infrarotempfindliche CMOS-Kameras verfügen über einen optischen Filter vor dem Bildsensor, der bei normalen Lichtverhältnissen den  Infrarotanteil des Tageslicht absorbiert. Bei Infrarotbetrieb wird der Filter aus dem Strahlengang heraus geklappt.

Abb. 14 zeigt die mechanischen und elektrischen Komponenten der 3-Achsenkamera aus Abb. 03. Die Elektronik zur Bildkompression, der Motorsteuerung und dem USB-Interface befinden sich auf einem separaten Modul.

5. Rechtliche Grundlagen zum Betrieb einer Webcam

Zitat aus der deutschen Wikipedia:
"Bei der Aufnahme von Personen sind die Rechte am eigenen Bild, sowie die Bestimmungen des Datenschutzes zu beachten. Mit einer Webcam dürfen ohne Einwilligung der Betroffenen keine Bild- und Tonaufnahmen gemacht werden, auf denen Personen identifiziert werden können. Das gilt auch für Merkmale, welche eine Identifizierung ermöglichen. Webcams im Öffentlichen Raum unterliegen diesen Bestimmungen genauso wie solche, die lediglich innerhalb von Unternehmen oder Institutionen betrieben werden.

Um eine Webcam im Öffentlichen Raum beständig zu betreiben, sollte man drauf hinweisen, dass diese keine Personen, sondern nur den sichtbaren Öffentlichen Raum abbildet. Alle zu erkennenden Personen sind gemäß Kunst-Urhebergesetz § 23 nur Beiwerk." [6] am 21.21.2014

 

REFERENZEN

Abbildungen

[1] Foto "Abb. 02: Externe USB-Webcam" Quelle: Logitech Pressefoto "C270"
https://assets.logitech.com/external/logitech/index.cfm?pageid=224&optionid=79&vpath=Webcam%20C270

[2] Foto "Abb. 04: Videokonferenzsystem" Quelle: Logitech Pressefoto "BCC950 ConferenceCam" https://assets.logitech.com/external/logitech/index.cfm?pageid=224&optionid=79&vpath=BCC950%20ConferenceCam

[3]Foto "Abb. 08: IP-Kamera mit IR-Scheinwerfer" Quelle: Bosch Pressefoto "Überwachungskamera NTC-265-PI"
http://www.bosch-presse.de/presseforum

 

Texte

[6] Dieses Kapitel basiert auf dem Kapitel ".../Webcam/Rechtliche_Grundlagen_für den_Betrieb_einer_Webcam" aus der freien Enzyklopädie Wikipedia. Der Text ist unter der Lizenz „Creative Commons Attribution/Share Alike“ verfügbar. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

 

Weblinks

[4] Trojan Room Coffee Pot Biography am 20.08.2012

[5] Unsichere Überwachungskameras am 21.08.2012

 

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