WP's SloMo

Wohin nur mit den Bilddaten?

VGA, traditionelle und neue TV Formate

Daten über Daten: Schon bei einer VGA Auflösung von 640 x 480 Pixel und einer Aufnahmerate von lediglich 100 Bilder/sek fallen bereits gut 30 Megabyte Daten pro Sekunde an. Das ist aber mit gängigen Schnittstellen und Massenspeichern noch handhabbar, mit USB 3.0 sogar 800 Bilder/sek. Deshalb gibt es für Megapixel Auflösungen und um 300 Bilder/sek den Framegrabber / Steuereinheit Ansatz mit der CoaXPress Schnittstelle. Ein Konzept das nie ganz überholt ist, da das Problem die riesigen Datenmengen los zu werden immer präsent ist.

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Bildgewinnung und Datenübertragung

Aufnahmetechnik

Digitale Hochgeschwindigkeitskameras sind nicht nur durch die Auflösung ihrer Sensoren beschränkt, sondern auch durch die Ausleserate der Sensoren und die Datenübertragungsrate zu ihren Speichermedien sowie deren Kapazität (engl.: auch Frame Buffer). Die maximalen Auslese- und Datenübertragungsraten begrenzen je nach Realisierung die Aufnahmefrequenz und/oder die auslesbare Fläche des Bildsensors, während die Speicherkapazität des Pufferspeichers für die vergleichsweise kurze Dauer der Sequenzen verantwortlich ist. Der Pufferspeicher kann sich im Kamerakopf befinden oder auf einer Einsteckkarte in der Steuereinheit.

Es gibt natürlich auch Hochgeschwindigkeitskamerasysteme deren Auflösung und Aufnahmefrequenz noch einen Dauerbetrieb, ähnlich einem Videorekorder, über eine deutlich längere Zeitspanne erlauben. Sie speichern ihre Daten entweder auf ein Magnetband (ältere Modelle) in der Steuereinheit oder direkt auf die Platte eines Steuerrechners - Streaming.

Die Anbindung der Kamera(s) ist eine vielschichtige Aufgabe. Vorrangig geht es einmal um den Datenaustausch - Bilddaten zurück und Steuerdaten hin (und evtl. auch her). Einfach in nüchternen Zahlen ausgedrückt: Ein Megapixelsensor, selbst mit vergleichsweise bescheidenen 8 bit Farbtiefe pro Kanal, generiert bei 1 000 Bilder/sek immerhin 1 Gigabyte, also 1 000 Megabyte, Daten pro Sekunde im RAW Format. Diese Masse an Daten will erst einmal übertragen und dann noch gespeichert sein. Selbst das schnelle Gigabit Ethernet (= 1 000 Megabit/sek) bietet nur eine nominelle Übertragungsrate von 125 Megabyte/sek (1 bit = 1/8 byte). Davon bleiben etwa 100 Megabyte/sek effektiv übrig, verursacht durch einen gewissen Verwaltungsaufwand. Gleiches gilt für USB 3.0 mit etwa 500 Megabyte/sek nutzbarer Übertragungsrate. Intel Thunderbolt 3 oder 4, bzw. USB 3.2 oder 4 mit zumindest 20 Gigabit/sek wären toll, wenn es die beschränkten Kabellängen nicht gäbe. Kann man bei den Bilddaten noch auf die Echtzeitforderung verzichten, geht das bei den Steuerdaten nicht mehr. Was dann auch noch Anforderungen an ein etwaiges Betriebssystem stellt.
Dann benötigen die Kameras auch noch (ordentlich) Strom, was auch bei der Kabellänge, speziell der Einkabellösung, zu beachten ist.
Zu guter Letzt kommen noch Sicherheitsüberlegungen dazu. Oft arbeitet man im Bereich Forschung und Entwicklung und nicht jede Firma will ihren »Erlkönig« per Funk oder WLAN übertragen wissen.
Das macht Speicherkonzepte innerhalb des Kamerakopfes weiterhin interessant, und bezahlbare Solid State Disks ohne bewegliche Teile ergänzen die konventionellen Festplattenlaufwerke, wenn man nicht auf teure, aber schnelle DRAMs setzt.

Binning und Formatanpassung

Die technischen Maßnahmen, um bei beschränkter Ausleserate die Aufnahmefrequenz zu steigern, hängen maßgeblich von der Architektur des Sensors ab. Bei CCD Sensoren bietet sich eher eine Zeilen- oder Spaltenreduktion z.B. in Form des Binning (dt.: zusammenfassen) an, was bedeutet, dass zwei benachbarte Pixelreihen zusammengezogen werden und wie eine ausgelesen werden. Bei CMOS Sensoren, die ähnlich DRAMs aufgebaut sind und mehr oder weniger pixelweise adressiert werden können, ist es eher die Reduzierung des Aufnahmeformats, einfach durch die Verringerung des Auslesebereichs, also einer geringeren Pixelanzahl.

So nutzen beispielsweise SpeedCam +500/+2000/lite (Dalsa CA-D1-0128A, CA-D1-0256A CCD) Zeilenbinning, SpeedCam 512/PRO (EG&G Reticon HS0512JAQ CCD) Spaltenbinning und SpeedCam Visario (FhG/CSEM Cam 2000 Visario CMOS) Formatanpassung. Zum Vergleich der (maximalen) Auflösungen siehe die rechte Abbildung.

Während beim Binning der Bildausschnitt gleich bleibt, und die Einsparung an auszulesenden Pixel über eine Auflösungsreduktion erkauft wird - Zeile oder Spalten werden zusammengelegt - spart man bei der Formatanpassung Pixel durch einen Schlüssellocheffekt ein. Binning macht die Bilder unschärfer, die Formatanpassung macht sie dagegen bei gleichbleibender Qualität kleiner. Im Endeffekt läuft es aber auf das gleiche hinaus: Will man bei der Formatanpassung wieder den selben Bildausschnitt, muss man näher hin oder das Bild größer ziehen - das Bild wird pixeliger. Binning macht das ganze ohne Standortänderung bzw. Fokusänderung.

Man kann nicht global sagen was besser ist. Bei Einstellarbeiten wird man es zu schätzen wissen, dass man an Objektiv und der Kamera keine Änderungen (insbesondere bei der Belichtung) vornehmen muss, wenn man mit der Aufnahmefrequenz hoch geht. Andererseits hat es natürlich auch seine Vorzüge, wenn die Bilder immer die gleiche Auflösung bieten. In der Praxis setzt sich die Formatanpassung mehr durch: Qualität zählt. Diese Entwicklung wird natürlich auch durch den zunehmenden Einsatz von CMOS Sensoren forciert, die dafür durch ihren Aufbau prädestiniert sind.

Ausleseverfahren (Zeilensprungverfahren, engl.: interlaced, non-interlaced; progressive scan)

Das Auslesen des Sensors ist in gewissem Umfang vergleichbar mit der Darstellung auf Bildschirmen. Im einfachsten Fall werden wie beim Zeilensprungverfahren (engl.: interlaced) am Röhren-Fernseher Halbbilder verwendet. Das menschliche Auge ist zu träge, um den Trick zu durchschauen. Erst bei der Standbildwiedergabe erkennt man durch die üblichen Artefakte den Betrug, siehe auch [SloMo Freq.].

• 2:1 interlaced Betrieb im Frame Integration Mode: Das erste Halbbild besteht aus allen ungeraden Zeilen, das zweite Halbbild aus allen geraden. Die beiden Halbbilder werden nacheinander ausgelesen, aber zusammen dargestellt. Nachteil: Ein Bild besteht eigentlich aus zwei zeitversetzten Aufnahmen, die zeilenweise gemischt werden. Zeile 1, 3, 5 ... sind z.B. die vom aktuellen Zeitpunkt, während die Zeilen 2, 4, 6 ... noch das vorherige Bild zeigen. Im nächsten Schritt werden dann die geraden Zeilen mit einem neuen Bild belegt, während die ungeraden noch das alte zeigen, usw. Deswegen die typischen sogenannten Kammfehler bei bewegten Szenen, aber die volle bildliche Auflösung bleibt erhalten.
  (Im Falle des Deinterlacings bei der Videowiedergabe vergleichbar mit »weave«.)

• 2:1 interlaced Betrieb im Field Integration Mode: Zwei Zeilen werden schon beim Auslesen zusammengefasst (engl.: Binning) und entsprechend dargestellt. So ergeben beim ersten Halbbild Zeile 1 und 2 die Zeile 1, die Zeilen 3 und 4 die Zeile 3, usw. Im zweiten Halbbild ergeben Zeile 2 und 3 die Zeile 2, die Zeilen 4 und 5 die Zeile 4, usw. Dadurch wird die Auflösung reduziert, es gibt unter Umständen Treppenartefakte an Kanten. Dafür ist aber die zeitliche Auflösung besser, etwaige Bewegungsunschärfe also geringer.
  (Im Falle des Deinterlacings bei der Videowiedergabe entfernt vergleichbar mit »field averaging«.)

• Non-interlaced: Es werden Halbbilder aufgenommen, die gegebenenfalls durch Verdopplung der Zeilen zu Bildern mit voller Auflösung ergänzt werden. Semiprofessionelle (VHS/SVHS) Videorekorder können (konnten ;-) oft in diesem Modus arbeiten. Auflösung kann verloren gehen, aber die zeitliche Zuordnung ist eindeutig.
  (Im Falle des Deinterlacings bei der Videowiedergabe entfernt vergleichbar mit »bob« (Interpolation der fehlenden Zeile pro Halbbild) bzw. »skip field« (nur jedes zweite Halbbild wird angezeigt, seine Fehlzeilen werden interpoliert).)

• Progressive scan: Der Sensor wird komplett und (möglichst) zu einem Zeitpunkt ausgelesen. Höchste bildliche und zeitliche Auflösung. Technisch aufwändig, aber das ergiebigste Verfahren für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen und Bewegtbildanalyse.
  (Vollbilder, sogenannte »frames« gibt es in der traditionellen TV/Videotechnik nicht. Sie kennt nur Halbbilder, sogenannte »fields«.)

Für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen ist progressiv scan das Mittel der Wahl. Die interlaced Verfahren können aber im Bereich der Standardbildverarbeitung (»Machine Vision«) die Datenraten reduzieren und wegen der Doppelbelichtung und des eventuell optimierten Füllfaktors des Sensors die Lichtempfindlichkeit steigern.

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Bildspeicherung

Pufferspeicher

Die Bilddaten fallen je nach Sensortyp analog oder bereits digital an. Analoge Bilddaten werden normalerweise erst noch digitalisiert, bevor sie gespeichert werden. Die Speicherung erfolgt üblicherweise zuerst in einer Art Puffer, es gibt aber auch Ausnahmen. Sein Integrationsort ist je nach Stand der Technik und den Anforderungen an die Kamera bzw. an das Kamerasystem unterschiedlich.
Sogar die - natürlich stark begrenzte - Zwischenspeicherung auf dem Sensor selbst wird praktiziert. Speziell bei besonders schnellen Kameras.
Ist die Datenrate niedrig genug können die Bilddaten auch direkt auf ein Speichermedium (z.B. die Festplatte eines Notebooks) gestreamt werden. Bei richtigen Hochgeschwindigkeitskameras, die ihrer Bezeichnung gerecht werden, ist es deshalb keine Option.

Konzepte für Hochgeschwindigkeitskameras

Legende zum Bild links: RAM = Bildspeicher; µC = Mikrocontroller oder Prozessor; A/D = Analog zu Digital Wandlung (oft schon im Sensor integriert)
Die grüne Karte soll eine PC-Einsteckkarte darstellen, die rote Leitung die Anschlussmöglichkeit (Bilddaten und Steuersignale).
Die Standardanbindung kann z.B. (Gigabit) Ethernet oder FireWire sein.

Und so kann eine crashfeste digitale Hochgeschwindigkeitskamera von innen aussehen, siehe [SloMo HYCAM].

Bei Kameras ohne A/D-Wandlung auf dem Sensorchip oder im Kamerakopf werden die Bilddaten analog zum Steuerrechner übertragen und dort erst digitalisiert und abgespeichert. Das erlaubt den Kamerakopf selbst klein zu halten und auch seine Leistungsaufnahme (Abwärme!) ist moderat. Allerdings sind die Anforderungen an die Kabel wegen der anlogen Übertragung vergleichsweise hoch. Digitale Kameras dagegen wandeln die Bilddaten bereits auf dem Sensorchip oder im Kamerakopf und speichern sie dort bevorzugt zwischen.
Wegen der begrenzten Kapazität wird der Pufferspeicher in einer Art Endlosschleife immer wieder beschrieben. Der Triggerimpuls steuert diesen Prozess und die Bilder sind im Kasten.

Dieser Pufferspeicher, der in der Regel noch recht rohe Bilddaten ohne Farbalgorithmik (engl.: RAW = dt.: roh) enthält, ist meist aus DRAM (Dynamic Random Access Memory, dt.: dynamisch Speicher mit wahlfreiem Zugriff) Schaltkreisen, wie man sie ähnlich von den Speicherriegeln des PC Arbeitsspeichers her kennt, aufgebaut. Mit der typischen Eigenschaft von DRAMs bei Stromausfall den Speicherinhalt zu verlieren.
Speicherbausteine, die ihre Daten fest, also auch im stromlosen Zustand behalten, sogenannte NVRAMs, SRAMs, Flash (non volatile, dt.: nicht flüchtig; Static RAM, dt.: dauernd), werden wegen verschiedener Nachteile wie niedrigere Geschwindigkeit, höherer Preis, höhere Stromaufnahme, geringere Lebensdauer ... als Pufferspeicher kaum eingesetzt.
Man behilft sich entweder mit einem Stützakku, der wenigstens den Pufferspeicher im Bedarfsfall versorgt, oder gleich mit einem Betriebsakku, der die komplette Kamera funktionstüchtig hält. Manchmal auch mit einer USV für das komplette Kamerasystem, speziell bei Systemen, die ihre Daten erst im Steuerrechner puffern.

Bildspeicher, Auflösungsstufen, Frequenz und Aufnahmedauer
von SpeedCam Visario Hochgeschwindigkeitskameras

Zur Erklärung des Diagramms auf der rechten Seite:
Die linke Hochachse gibt die bei eingestellter Aufnahmerate maximal mögliche Aufnahmedauer an. Die rechter Hochachse zeigt die maximal mögliche x pixel × y pixel Auflösung in Abhängigkeit von der Aufnahmerate an. Diese Reduktionsstufen sind zum besseren Verständnis mit eingezeichnet.
Die Sprünge bei der Aufnahmedauer ergeben sich durch die Reduktionsstufen der Auflösung bei steigenden Aufnahmefrequenzen. Behält man die Reduktionsstufe bei geringeren Aufnahmefrequenzen freiwillig bei, kann man die Aufnahmedauer fallweise deutlich verlängern. Man bewegt sich dann längs der gestrichelten Linien. Begrenzt ist die Aufnahmedauer in diesem Fall unter Umständen durch die Minimalfrequenz des Systems. Sie liegt bei 50 Bilder/sek für SpeedCam +500 und SpeedCam PRO, bei SpeedCam Visario beträgt sie ca. 10 Bilder/sek.
(Die Kurvenpunkte sind nur dazu da, um bei einem Schwarz/Weiß Ausdruck, die Kurven zu identifizieren. In Realität sind die Frequenzen stufenlos einstellbar.)

Permanentspeicher

Der Pufferspeicher entspricht der Filmrolle bei traditionellen (Film-) Kameras. Seine beschränkte Kapazität erzwingt die Daten in einen Massenspeicher zu verschieben. Man nützt hier gerne die Festplatte des Steuerrechners und sein optisches oder Wechsellaufwerk und natürlich das Netzwerk und die Cloud.

Manche Hochgeschwindigkeitskameras verfügen über eine Festplatte oder eine Flash-Karte im Kamerakopf. Bei Anwendungen, die eine hohe mechanische Belastung mit sich bringen (z.B. Einsatz im Crashfahrzeug, birgt zumindest die Festplatte, auch wenn sie während des Versuchs automatisch geparkt wird, allerdings ein gewisses Restrisiko. Selbst wenn verschiedene Modelle für die im Crashtest üblichen Belastungen spezifiziert sind - falls geparkt, wohlgemerkt.

Diese Massenspeicher im Kamerakopf können den Arbeitsverlauf allerdings wesentlich beschleunigen. Man macht in rascher Folge seine Versuche, schiebt die Daten auf den eingebauten Massenspeicher und während einer Arbeitspause oder über Nacht lädt man die Bilddaten herunter oder tauscht den Datenträger einfach aus.

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Visualisierung und Archivierung

Die Bilddaten der Kamera werden abhängig von der Philosophie des jeweiligen Herstellers mehr oder weniger stark geschönt ausgegeben. Beispielsweise mit Kontrastspreizung oder Kantenverstärkung. Die Profis bevorzugen, wie in der Fotografie auch, den Zugriff auf die RAW-Bilder. Sie sind nicht verfälscht und sehr effizient. Unkomprimierte AVI-Dateien sind z.B. etwa um Faktor 3,5 bis 4 größer als RAW-Dateien.

Zunächst sieht man die (potenziellen) Bilddaten über verschiedene Vorschau- oder Sucher (engl.: viewfinder) Kanäle, die eventuell von DSPs (Digital Signal Processor) in Echtzeit aufbereitet oder auch komprimiert worden sind. Oft werden einfache Schärfefilter, Kantenverstärker und Farbsättigungsfilter eingesetzt. Ganz zu schweigen von der Fehlpixelkorrektur, d.h. der Interpolation defekter Pixel durch ihre Nachbarn.

Für eine massive Bildverarbeitung in Echtzeit kann man Software kaum nutzen. Sie bearbeitet normalerweise erst die im Massenspeicher abgelegten Daten und wandelt sie in gängige Dateiformate. Wegen des Rechenaufwands auch schon einmal über Nacht.

Bei Stichprobentests in der Serienfertigung sicherheitsrelevanter Geräte werden die Bilddaten auf dauerhaften Datenträgern gespeichert und archiviert. Bei Airbags z.B. zehn Jahre im Rahmen des Produkthaftungsgesetzes und weitere drei Jahre, um die juristische Einspruchsfrist abzudecken. Insgesamt also dreizehn Jahre. Da kommt dann einiges zusammen.