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SpeedCam

Konzepte für Hochgeschwindigkeitskameras

Die analogen Filmkameras haben im Bereich sehr hoher Bildfrequenzen von etlichen 10 000 Bilder/sek immer noch ihre Berechtigung. Auch wenn die aktuellen digitalen Video-Systeme schon die Hürde von 1 000 000 Bilder/sek übersprungen haben. Die Auflösung ist in diesen Regionen aber dann doch sehr stark begrenzt. Allerdings gibt es schon Sensoren mit ca. 1 000 x 1 000 Pixel bei 5 000 Bilder/sek oder Full HD 1080p mit über 2 500 Bilder/sek und bis über 500 000 Bilder/sek oder sogar über 1 Million Bilder/sek bei reduzierter Auflösung. Als Daumenwert kann man etwa sagen, dass bei der maximalen Frequenz die Auflösung sich zumindest proportional zu der bei Nennfrequenz reduziert - 10 mal schneller bei wenigstens 10 mal weniger Pixel.

Aber die Digitalisierung ist nicht aufzuhalten. Die Wurzeln digitaler Hochgeschwindigkeitskamerasysteme reichen bis in die frühen 1980er oder sogar noch davor zurück. Allerdings waren die Auflösungen sehr gering - wenige zehn mal zehn Pixel bei einigen hundert Bildern pro Sekunde.

Legende zum Bild rechts: 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.

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Überblick

Systembeschreibung

Auswahl digitaler Hochgeschwindigkeitskameras, ehemals Firma Weinberger 1993 bis 2008

Die hier wegen des Vertrautheitsgrades als typisches Beispiel gewählten SpeedCam Geräte sind eine Familie volldigitaler, PC-basierter elektronischer (Video) Hochgeschwindigkeits-Kamerasysteme der ehemaligen Firma Weinberger. Wie die meisten digitalen Hochgeschwindigkeitskameras sind sie als Komplettsysteme ausgelegt. Kamera (-kopf), Steuersoftware und je nach Typ auch Steuergerät/Rechner. Hier nun eine nicht vollständige Gegenüberstellung verschiedener Gerätegenerationen als eine Art Ahnengalerie, um zu sehen was wie möglich und zu realisieren ist.

Weitere Informationen zu anderen Systemen und Herstellern können Sie auch im Bereich [SloMo Links] dieser Präsenz finden.

Vergleicht man die Systeme, erkennt man die Entwicklung hin zu deutlich höheren Auflösungen bei moderat steigenden Aufnahmefrequenzen. Mit einer »3-K-Kamera« (1 000 x 1 000 Pixel im Quadrat bei 1 000 Bilder/sek) sind die Eintrittsanforderungen des hochwertigen »Massen-« Markts heutzutage erfüllt worden. Mit Auflösungen in der Megapixelklasse wird die Bildqualität von Hochgeschwindigkeits-Filmkameras erreicht, was die Ablösung dieser Technologie in weiten Bereichen ermöglicht.

Ganz interessant: Solche digitalen Hochgeschwindigkeitskameras wurden auch gerne im Profibereich als normalschnelle digitale Videokameras (25 oder 30 Bilder/sek bzw. 50 oder 60 Bilder/sek) zum Filmen eingesetzt. Ihre Bildqualität ließ nichts zu wünschen übrig, und sie waren unter Umständen preisgünstiger als übliche Videokameras für den professionellen Fernseh-Einsatz. Und alle Geschwindigkeiten waren möglich - 25, 30, 50 oder 60 Bilder/sek, auch 24 Bilder/sek wie bei Kinofilmen.

Technische Daten

Die Auflösung ergibt sich als Spaltenzahl x Zeilenzahl. Daten ohne Gewähr.

Technische Daten der SpeedCam Hochgeschwindigkeitskameras

Die SpeedCam 500+/2000+ Systeme kamen Anfang der 1990er zur Marktreife. Mitte der 1990er ergänzt durch SpeedCam Lite und SpeedCam 512.
Mit Einführung der SpeedCam PRO Serie mit LT (Einkanalvariante) und G plus (crashfester Steuerrechner) zum Ende der 1990er gab es wahlweise Farb- und Monocolor-Versionen. Auch der Mischbetrieb am selben Steuerrechner wurde möglich.
Das neue Jahrtausend wurde mit SpeedCam Visario (Generation 1) eingeläutet. Die Referenzklasse in 2001/02. Hier konnten sogar Kameras unterschiedlicher Speicherausbauten parallel betrieben werden. SpeedCam Visario g2 (2. Generation) setzte 2004/05 die Entwicklung zur autarken und crashfesten Kamera fort. In 2007 wurden mit der SpeedCam Visario g3 (Generation 3) die Eckwerte Lichtempfindlichkeit, Dynamik und Aufnahmegeschwindigkeit noch einmal erheblich gesteigert.
Es war also schon damals einiges möglich. (Und mehr als Ten Years After laufen sie immer noch ;-)

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Zusammenhang zwischen Aufnahmefrequenz, Aufnahmedauer und Auflösung

Wechselspiel Bild und Speicher {SloMo Bildspeicher]

Die SpeedCam Systeme nutzen die volle Auflösung des Kamerasensors bis knapp über die Nennaufnahmefrequenz (siehe obige Tabelle), damit bei externer Synchronisierung und speziell bei Taktschwankungen noch Reserve zum Nachsteuern vorhanden sind. Bei allen Auflösungsstufen zeigt sich dieses Verhalten. Selbst bei der Maximalfrequenz.
Bei erhöhten Aufnahmefrequenzen der CCD Sensoren werden stufenweise zwei, drei und dann vier Zeilen bzw. Spalten zusammengefasst und ausgelesen (Binning). Der Bildausschnitt bleibt gleich, nur die Qualität der Bilder wird reduziert. Bei starker Reduktion zeigen sie dann möglicherweise eine Art Balkenstruktur oder Treppen an Kanten. Die obige Tabelle gibt den Zusammenhang zwischen maximaler Auflösung und maximaler Aufnahmefrequenz wieder.
Beim SpeedCam Visario CMOS Sensor bleibt im Gegensatz dazu die Auflösung (d.h. die Bildqualität) erhalten, während sich der Bildausschnitt ändert, siehe Bild rechts und für Details [SloMo Bild].

Natürlich kann man bei starker Auflösungsreduktionen mit Binning kaum mehr von Qualität im herkömmlichen Sinne sprechen, aber die Ausbreitung eines Risses oder einer Wellenfront kann damit schon noch visualisiert werden. Erfahrungsgemäß verursacht eine Halbierung der Auflösung noch keinen deutlichen Qualitätseinbruch. Außerdem kann man den Kamerakopf ja um 90° kippen, um die hohe Auflösung in der Vorzugsrichtung der Bewegung zu erhalten.

Die benötigte Belichtungsintensität steigt wegen der Zusammenfassung der Zeilen/Spalten beim Binning nicht an, sondern bleibt in etwa konstant, also für 3 000 Bilder/sek mit einer Auflösung von 128 x 512 Pixel benötigt ein SpeedCam PRO System etwa soviel Licht wie für 1 000 Bilder/sek mit 512 x 512 Pixel.
Beim binninglosen SpeedCam Visario ist die Belichtungszeit dagegen nur eine Angelegenheit von Verschlusszeit (engl.: shutter time) bzw. Aufnahmefrequenz.

Die Aufnahmedauer ist abhängig von der anfallenden Datenmenge. Als feste Größe hat man den Speicherausbau, der Rest ist mehr oder weniger flexibel. Folgende Formel zeigt den generellen Zusammenhang (mit 8 bit = 1 byte; 1 kbyte = 1024 byte). Sie ist prinzipiell für alle digitalen Videokameras gültig.

Speichergröße [byte] =

Durchgespielt an den Hochgeschwindigkeitskamerasystemen aus obiger Tabelle reicht z.B. 1 Gbyte, der maximale Speicherausbau von SpeedCam PRO, für 1 Gbyte / (512 x 512 x 1 byte x 1 000/sek) = 4 Sekunden. Bei 2 000 Bilder/sek reicht er ebenfalls für 4 Sekunden, da hierbei die Spaltenzahl halbiert wird.
SpeedCam Visario und andere aktuelle Kameras arbeiten dagegen mit 10 bit oder 12 bit Farbtiefe pro Kanal. Hier beträgt der Farbtiefenfaktor dann 10/8 = 1,2 [byte/pixel] beziehungsweise 12/8 = 1,5 [byte/pixel].

Natürlich kann man auch freiwillig die Aufnahmefrequenz und/oder die Auflösung reduzieren. Ein Speicherausbau von 1 Gbyte reicht z.B. für 16 Sekunden mit 250 Bilder/sek bei 512 x 512 Pixel oder für 32 Sekunden mit gleicher Frequenz aber bei 256 x 512 Pixel.
Übrigens: Als undokumentierte Funktion erlauben viele Hochgeschwindigkeitskamerasysteme mehr oder weniger eingeschränkt das sogenannte Wobbeln (auch Sweep genannt). Legt man am SYNC IN Anschluss eine maßvoll veränderliche Frequenz an, wird sie als momentane Aufnahmefrequenz laufend übernommen. Das kann für Aufnahmen von Anlaufversuchen, beispielsweise von startenden Motoren, interessant sein.

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Systemaufbau

Zwei Welten nebeneinander: Rechner plus Kamera

Die Konfigurationen von SpeedCam +500/+2000 und SpeedCam 512 Systemen basieren auf einem 19 Zoll Industrierechner mit passivem ISA-Bus Board, so wie es Stand der Technik zur Zeit ihrer Entwicklung in den frühen 1990ern gewesen ist. Fallweise sind durch die damit verbundene Trennung von PC und Kamerasektion Versionen mit maximal drei Kanälen pro Rechner möglich, da die Kamerasektion über eigene Kommunikationskanäle verfügt. So können z.B. zum schnellen Abspielen Videodaten von der Festplatte auf die Speicherbänke des/der Framegrabber zurück gespeichert werden. Die Systemkonfiguration entspricht sonst im Prinzip dem Bild unten. Betriebssystem ist MS-DOS auf Intel 80486 Prozessoren.

Beim SpeedCam lite System fehlt der Rechnerteil und die damit verbundenen Möglichkeiten. Aber es ist für den (extremen) Feldeinsatz konzipiert - leicht zu bedienen und leicht zu transportieren und bietet sogar einen integrierten Akku und Einbaumonitor.

Zwei Welten vereint: Kamerasystem mit Rechner

SpeedCam PRO Daten- und Steuerpfade

Bei der Steuereinheit des SpeedCam PRO (und LT, G plus) Systems hat der Wechsel auf einen industriellen 19 Zoll Einschub mit passiven CompactPCI-Bus, wie er Mitte der 1990er aufkam, stattgefunden. Daten- und Steuerpfade sowie anschließbare Peripheriegeräte entnehme man dem Bild links. (Natürlich werden PC-übliche Anschlüsse wie LPT, COM ... unterstützt.)
Fallweise sind bis zu vier Kanäle pro Steuerrechner möglich.

Die anfallende Datenmenge von bis zu 256 Mbyte/sek pro Kanal kann nicht mehr in Echtzeit über einen PCI basierten Bus zum Rechnerteil transferiert werden, da dieser selbst theoretisch nur eine Kapazität von maximal 132 Mbyte/sek (33 MHz bei 32 bit Breite) bietet. Deshalb werden die Bilddaten jedes Kamerakopfs auf der jeweiligen ADMEM (= A/D Wandlung + Memory) Karte in DRAM Bänken zwischengespeichert und erst später über die MONCON (Monitor + Control) Karte auf die Festplatte des Rechners geschrieben. Alle Bilddaten, auch solche, die bereits auf der Festplatte gespeichert wurden, können am Rechner- und TV-Monitor beliebig oft abgespielt bzw. auf Video überspielt werden.

SpeedCam PRO Systeme sind über Ethernet fernsteuerbar und arbeiten mit Intel Pentium oder Celeron CPUs unter Windows 95.

Das auf den ersten Blick veraltete Konzept hat auch heute noch seine Berechtigung, erlaubt es doch den Kamerakopf vergleichsweise klein, leicht und einfach zu halten.
Teilt man die eigentliche Kamerasteuerung vom Rechner, erhält man zwar zwei Geräte, doch muss man den Rechner (z.B. Notebook) nur zur Parametrisierung und zum Herunterladen der Daten anschließen, während im Versuch die Steuereinheit alleine das System am Laufen hält. Für den Mehrkanaleinsatz in Crashtest-Fahrzeugen mit seinen Gewichtsbeschränkungen und seinem geringem Platzangebot ein nicht zu unterschätzender Vorteil.
Auch andere Anbieter nutzen diese Konfiguration weiterhin. Sie ist im industriellen Bildverarbeitungsbereich weit verbreitet.

Abgeschlossene und vernetzte Hochgeschwindigkeitskamerasysteme

Sternförmig vernetzt mit Steuerrechner und Verteilern

Hochgeschwindigkeitskamera SpeedCam Visario g1 Daten- und Steuerpfade

Das SpeedCam Visario System g1 ist ein Vertreter des zukunftsweisenden Konzepts hin zur intelligenten, autarken Kamera. Aber die Systemintelligenz ist noch nicht im Kamerakopf realisiert. Allerdings weicht es von den vorher beschriebenen Systemen ab: Die A/D Wandlung und Speicherung ist im Kamerakopf integriert. Je nach Ausbau können also bis zu acht Gbyte Daten in ihm zwischengespeichert werden. Und wegen ihrer Fähigkeit bis zu 20 Kameraköpfe in Echtzeit zu steuern, vier direkt und je vier über bis zu vier Linkboxen, heißt die dazugehörige PCI-Bus-Karte MULTICON. Diese Geräte, speziell die MULTICON, übernehmen die Steuerungsaufgabe innerhalb des Systems.

Ein Hauptvorzug von Visario ist die Einkabellösung mit Datenübertragung in Echtzeit: WideLink und LocalLink Kabel übertragen Steuer-, Synchronisierungs- und Triggerdaten, letzteres übernimmt zusätzlich die Stromversorgung (power over wire). Die blauen und gelben Steuerleitungen sind deswegen lediglich optional.
Bitte beachten Sie die Weiterleitungsrichtung der Steuersignale. Es gibt für sie keinen Pfad von der Kamera zur Linkbox oder zum Hostrechner zurück. Nur der Weg vom Hostrechner zur Linkbox und weiter zur Kamera existiert.
Die Linkbox kann fallweise den Steuerrechner ersetzen. Die Linkbox und ihre Kameras können autark, d.h. ohne Leitung zum Hostrechner, arbeiten. Für Einstellarbeiten liefert die crash-feste Linkbox PAL oder NTSC Livebilder, z.B. beim Einrichten im Rahmen der Vorbereitung eines Fahrzeugs zum Crashtest. Wie Systeme mit zentralem Steuerrechner anderer Hersteller auch, ist dieses Konzept vor allem für Mehrkanalsysteme in komplexen und/oder weitverzweigten Versuchsaufbauten geeignet.

Die Distanz zwischen Hostrechner und Linksplitter kann mit einem Lichtwellentransmitter (Glasfaser) auf einige 100 m ausgedehnt werden. Die Linkbox kann per Kabel als auch über Funk fernbedient werden. Für jede Kamera ist eine crashfeste Akkueinheit verfügbar, wahlweise als eigenständiges Gerät oder zum Aufsetzen auf jede Kamera. Sie erlaubt den Betrieb ohne externe Versorgungsspannung.
(Nebenbei: Mit SpeedCam Visario ist die Verwendung von Push-Pull Stecker im High-speed Kamera Sektor weltweit populär geworden.)

Visario ist über Ethernet und speziell über die Corba Softwareschnittstelle vernetzbar bzw. fernsteuerbar. Das Betriebssystem ist Windows 2000 oder XP auf gängigen PCI/AGP Motherboards größenabhängig im 19 Zoll Industrie-PC oder als Mini-ATX in leichter portabler Version.

Referenzklasse, teilautonom mit Steuerrechner

Cine SpeedCam Funktionsblöcke

Das für den Einsatz in der Fernseh- und Filmbranche optimierte Cine SpeedCam System basiert auf der Visario Architektur mit überarbeitetem Visario-Kamerakern und extra selektierten Sensoren. Die Anforderungen an die Bildqualität eines Kamerasystems für die Film- und Werbewirtschaft sind natürlich außerordentlich hoch. Das Geringste noch ist der Sensor ohne jeglichen Pixelfehler. Die Cine SpeedCam markiert einen Durchbruch für digitale Hochgeschwindigkeitskameras im HDTV- und Filmeinsatz und wurde international im Broadcast Markt prämiert - NAB2004, USA, Las Vegas.
Um den Ablauf beim Filmen zu unterstützen verfügt der Kamerakopf über eine zusätzliche Echtzeit PAL oder NTSC Sucherkamera/-bildschirm (engl.: Viewfinder) und erweiterte Visualisierungs-, Trigger- sowie Möglichkeiten zur Stromeinspeisung.
Die Visario Abstimmung ermöglicht das Standardzubehör der Gerätefamilie inklusive Linkbox zu nutzen, trotz der völlig anderen Gestaltung und des ganz in Schwarz gehaltenen Äußeren.

Der Kontrollrechner im Cine SpeedCam Rack ist mit zusätzlichen Echtzeit Videokarten hoher Auflösung und mit schnellen SCSI Puffer-Festplatten ausgerüstet, um in kurzer Zeit die Sequenzen aufzubereiten und auf HDTV Niveau abzuspielen.

Es gibt auch eine Cine SpeedCam Mark II oder kurz »Cine g2«, eine aufwändig selektierte, umgebaute und aufgerüstete Visario g2 mit überragender Bildqualität.

Autonome, intelligente Hochgeschwindigkeitskamera

SpeedCam Visario g2 Funktionsblöcke

Die Variante einer kompletten, echt autarken Hochgeschwindigkeitskamera stellt SpeedCam Visario g2 dar. Hier sind der Rechner und die Steuerschnittstellen (I/O wie Trigger, Synchronisierung und IRIG-B Zeitcode) zusammen mit einem modifizierten und überarbeiteten Visario-Kamerakern in einem crashfesten Kamerakopf integriert. Einfach und werbewirksam ausgedrückt handelt es sich um einen High-speed Camcorder, wenn man auch für die Parametrisierung gerne auf ein Notebook zurückgreifen wird. Denn auf ein integriertes Bedienpanel wurde aus Gründen der Robustheit verzichtet. Allerdings kann die Visario g2 direkt ein Livebild anbieten. Ihr eingebautes Betriebssystem ist Embedded Linux.
Der Hauptanschluss erfolgt über standardisiertes Gigabit Ethernet (100/1000Base-TX) direkt an einem Rechner oder am LAN.
Kaskadierbare, optional crashfeste Steuersignaleinheiten (Crashunit, Crashswitch) ermöglichen die Steuerung und Stromversorgung lokaler Visario g2 Gruppen und ausgewählter Kameras anderer Hersteller für verteile Testaufbauten. Es gibt auch Drittanbieter für diese Art Strom- und Signalverteiler außer den Kameraherstellern.
Im einfachsten Fall genügt ein Tischnetzteil als Stromversorgung und ein Notebook mit Internet Browser, um die Kamera zu betreiben. Eine Java Kamerasteuersoftware für die Grundfunktionen befindet sich bereits in der Kamera selbst.

Der Einbau einer Festplatte, einer Flash-Disk, eines Videoausganges (PAL oder NTSC) oder eines Glasfaseranschlusses (1000Base-FX) ist optional möglich. Ein integrierbarer crashfester Akku (inklusive Ladeelektronik), der die Kamera bis zu zwei Stunden komplett betriebsfähig hält, ist verfügbar.

Ein Mischbetrieb der unterschiedlichen SpeedCam Visario Kameras am selben Host-Rechner oder im LAN ist möglich. Über eine gemeinsamen Softwareschnittstelle gesteuert, können auch Kameras anderer Hersteller integriert werden. Das trägt der Konfiguration größerer Testeinrichtungen Rechnung. Betriebssystem für den Steuerrechner oder das Notebook ist Windows 2000 oder XP.

Autonome Referenzklasse-Hochgeschwindigkeitskamera

High-speed Kamera SpeedCam Visario g3

Funktional gleich aufgebaut und sogar im gleich großen Gehäuse untergebracht, bringt die völlig in Schwarz gehaltene und komplett neu entwickelte Oberklassen Hochgeschwindigkeitskamera SpeedCam Visario g3 eine Steigerung der Eckwerte - Aufnahmerate - Bildspeicher - Lichtempfindlichkeit/Dynamik - um den Faktor 10 gegenüber der SpeedCam Visario g2. 12 bit Farbtiefe pro Kanal und die Bildqualität heben sie über das Cine SpeedCam Niveau. Die Crashtesttauglichkeit bleibt dabei nicht auf der Strecke. Die Grenze des sinnvoll Machbaren wird allerdings erreicht - kompaktes stoßfestes Design kontra CamCorder Funktionalität, siehe [SloMo HYCAM].
Da die Schnittstellen gleich sind, können für Visario g2 und Visario g3 einheitliches Zubehör und selbst die gleichen Kabel verwendet werden. Auch Optionen der g2 wie u.a. interne Festplatte und crashfester Akku können genutzt werden.

2010 rüstete das Fraunhofer Institut (FhG) IIS in Erlangen, Deutschland, sein Kamerastudio mit einem weiteren Mulitkanalsystem nach, das auch Dritte nutzen können.