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Häufig gestellte Fragen

Digitale HD Highspeed Kamera, 10 000 Bilder/sek

Die grundlegenden Fragen, die immer wieder zum Thema digitale Hochgeschwindigkeitskameras und High-speed Kamera Systeme kommen. Nicht alles, aber doch einiges über Hochgeschwindigkeits- und Zeitlupenkameras mit der Expertise aus langjähriger Berufserfahrung.
Dies hier ist keine Werbeseite - Links zu verschiedenen Herstellern und Systemen finden Sie in [SloMo Links] - sondern sie soll ein bisschen Know How vermitteln. Denn auch wenn das Gebiet in den letzten Jahren einiges von seiner Exklusivität verloren hat - Wissen für gute Aufnahmen schadet keinesfalls.

Beispielaufnahmen:

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Und was gibt es hier zu sehen?
- Das ist doch nur eine Videokamera!

Einige typische Hochgeschwindigkeits-
kamera Daten:

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Sie sind schon eine Klasse für sich - professionelle digitale Hochgeschwindigkeitskameras, manchmal auch als elektronische High-speed Video Kameras bezeichnet, erreichen bei einer Vollbildauflösung (engl.: progressiv scan) HDTV Qualität oder besser 1 000 Bilder pro Sekunde. Somit mehr als 30 bis 40 mal schneller als eine normale Kamera. Durch Reduzierung der Auflösung (Binning) oder des Formats (Teilbereich des Sensors auslesen) ist systemabhängig eine maximale Aufnahmefrequenz von einigen 10 000 bis deutlich über 100 000 Bilder/sek möglich. Selbst mehr als 1 Million Bilder/sek sind so technisch noch machbar. (Übrigens: Oft findet man die englische Bezeichnung fps für frames per second, also Bilder pro Sekunde oder Hertz, abgekürzt Hz, für einmal pro Sekunde.)
Die Kombination mit Spezialstroboskopen erlaubt mittels Mehrfachbelichtung noch weit höhere Aufnahmeraten.
Es gibt Ein- und Mehrkanalsysteme und sogar schockfeste Versionen. (Und das schon seit dem letzten Jahrtausend.)

Angesichts des Aufwands und der Leistungsfähigkeit ist es besser von einem optischen Messgerät als von einer (Video-) Kamera zu sprechen.
Konsequenterweise verfügen verschiedene Hochgeschwindigkeitskameras zusätzlich über bildsynchrone analoge und digitale Messkanäle.

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Wieso braucht man für Highspeed Aufnahmen eine extra Kamera?
- Mein Smartphone macht doch locker 1000 Bilder pro Sekunde!

Ja, schon, aber auch mit der vollen oder wenigstens mit hoher Auflösung? Und die kleinen Pixel drücken auf die Lichtempfindlichkeit und Bildqualität und müssen mit reduzierten Erwartungen kompensiert werden.
Schon zur Jahrtausendwende haben professionelle Hochgeschwindigkeitskameras Megapixel Auflösung mit mehr als perfekt getakteten 1000 Bildern pro Sekunde erreicht und bei reduzierter Auflösung Größenordnungen mehr, um die vom Marketing beliebten Million Bilder pro Sekunde ins Spiel zu bringen. Außerdem wären da noch zu nennen die exakte Synchronisierung, externe Echtzeit-Schnittstellen, Fernsteuerbarkeit und ... (Was jetzt aber nicht die Freude am Smartphone vermiesen soll.)

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Wie kann die Kamera so schnell sein?
- Der Sensor muss ja sehr hochgezüchtet und optimiert sein!

CMOS FhG/CSEM Cam 2000 Sensor (1 000 x vergr.)

Ja, natürlich wird ein spezieller, auf Geschwindigkeitsbelange hin entwickelter Sensor eingesetzt. Die Leistungsfähigkeit von Hochgeschwindigkeitskameras rührt aber trotzdem weniger von der schieren Taktrate als von der Parallelisierung her. Handelsübliche CCD oder CMOS Kameras lesen den Sensor nur an einer Stelle aus. Ein Bild (Ladungen in der Sensormatrix) wird Pixel für Pixel aus dieser Auslesezeile vom Sensor in die Auswerteelektronik geschoben. Dann wird das restliche Bild geschlossen um eine Zeile verschoben, so dass die Auslesezeile wieder gefüllt ist und der Auslesevorgang startet erneut. Und so weiter, bis der Sensor regelrecht leer gelesen ist. Weil so aus einer flächig verteilten Information ein serieller Datenstrom wird spricht man von Serialisierung.

Sensoren von Hochgeschwindigkeitskameras sind dagegen gewöhnlich hochgradig parallel ausgeführt. Mehrbildrige Single Shot Kameras belichten den Sensor mehrmals an unterschiedlichen Stellen und/oder nützen ihn gleich als Speicher, der dann mit üblicher Geschwindigkeit ausgelesen wird. Bei Sequenzkameras weist der Sensor mehrere unabhängige Auslesekanäle inklusive Elektronik auf. Salopp gesprochen hat man mehrere Kameras verpackt in einem gemeinsamen Gehäuse. So verfügt z.B. der VGA Klasse CCD Sensor HS0512JAQ von EG&G Reticon (ca. 1995) über 16 solcher Auslesekanäle, während der HDTV Klasse CMOS FhG/CSEM Cam 2000 Sensor (ca. 2001) schon 32 analoge und der Megapixel CMOS Photobit PB-MV13 (ca. 2003) 10 digitale Kanäle bieten. Die Bilddaten werden zwischenzeitlich per Kanal-Architektur bzw. Bus in hochgradig parallel angebundene Speicherbänken abgelegt, aus denen sie dann mit normaler Geschwindigkeit ausgelesen werden.

Der Sensor läuft in der Regel mit einem festen Takt von einigen zehn bis wenigen hundert Megahertz bei Sensoren mit hoher Pixelzahl. Dadurch ist die maximale Ausleserate (Pixel pro Sekunde) bzw. die maximale Bildfrequenz (kompletter Sensor pro Sekunde) beschränkt. Will man schneller werden als diese Nennfrequenz, muss man die Zahl der auszulesenden Pixel pro Bild reduzieren. Die Ausleserate ist ja fest bzw. beschränkt. Das erreicht man durch schrittweise Verkleinerung des auszulesenden Bereiches. So kommt man dann in Regionen von etlichen tausend bis über eine Million Bilder pro Sekunde. Doch sollte man sich vor Augen halten, dass solche Spitzenwerte angesichts winziger Gucklöcher mehr dem Werbeprospekt dienen als der Anwendung. Abgesehen von den extremen Anforderungen an die Beleuchtung aufgrund der kurzen Belichtungszeiten.

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Digitale Hochgeschwindigkeitskamera: Wo wird so ein Gerät eingesetzt?
- Es ist doch sehr speziell!

Nein, ist es eigentlich nicht. Solche Kameras werden unter anderem eingesetzt in der Automobil- und Automobilzulieferindustrie (Crashtest, Airbagfertigung, Reifentechnik, Hydraulik ...), im Sondermaschinenbau (Verpackungsmaschinenbau, Werkzeugmaschinenbau, Robotik, Holzverarbeitung ...), in der Qualitätssicherung (Materialprüfung, zerstörende Prüfung, ISO 9000/CE Dokumentation, Falltests, Überwachung ...), in der Massenfertigung (Kabelverseilung, Steckverbindermontage, Abfüllanlagen, Schweißanlagen ...), bei Serviceeinsätzen und allgemeinen Einstellarbeiten, in der Druckindustrie und Chipkartenfertigung, bei Bestückungsanlagen, in der Medizin (Ganganalyse, Reha, Ergonomie, Gerichtsmedizin ...), im Sport (Training, Dokumentation und Unterricht, Materialforschung, Bewegungsanalyse ...), in der Werbe- und Unterhaltungsindustrie (Werbefernsehen, Spezialeffekte, Tierfilme und Dokumentationen, Musikvideos ...), in der Heizungs- und Feuerungstechnik, in der Tierforschung, im Berg-, Hoch- und Tiefbau, in der Sportartikelindustrie, in der Strömungslehre, Fluidmechanik und Particle Tracking Velocimetrie (PTV), in der Luft- und Raumfahrttechnik (Triebwerkstests, Satellitenfreisetzung ...), in der Transport- und Verpackungsindustrie, in der Wehr- und Sicherheitstechnik ... (Und nur so zum Spaß. ;-)

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Braucht man denn eine Kamera mit so vielen Bildern pro Sekunde wirklich?
- Camcorder und Smartphones können doch auch Zeitlupe!

Schon, aber rsie schaffen normalerweise nur 25 oder 30 Vollbilder/sek, unter Umständen sogar nur 50 oder 60 ineinander eingeschobene Halbbilder pro Sekunde. Dazwischen geht viel Information verloren. Hochgeschwindigkeitskameras füllen diese Lücken mit 20 mal, 40 mal und mehr Vollbildern. Von Hochgeschwindigkeitskameras spricht man demzufolge erst bei Aufnahmeraten von über 160 Bilder/sek und wenigstens einer Serie von drei Aufnahmen oder von 125 Bilder/sek bei einer Belichtungszeit von unter einer Mikrosekunde (vgl. z.B. EU 428/2009 Dual Use Verordnung Ausfuhrliste Abschnitt C, 6A003 oder US Commerce Control List ECCN 6A003).

Praxisbeispiel: An einer Drehmaschine soll die Auswirkung verschiedener Drehmeißel auf die Spanablösung analysiert werden. Das Werkstück rotiere mit 3 000 U/min, das wären vermeintlich lächerliche 50 Umdrehungen pro Sekunde. Trotzdem, bei 25 Bilder/sek nimmt man nur jede zweite Umdrehung auf. Mit 1 000 Bilder/sek nimmt man schon alle 18° ein Bild auf, also 20 Bilder pro Umdrehung.

Gas- und Partikelausstoß eines Igniters

Wobei wir schon beim nächsten Knackpunkt sind: Das aufzunehmende Objekt hält ja nicht zur Zeit der Aufnahme in schönster Pose inne, sondern bewegt sich weiter. Ein einzelnes Bild gibt also die BEWEGUNG des Objekts WÄHREND EINER ZEITSPANNE, nämlich der Belichtungszeit, wieder. (Das als Unterschied zum Daumenkino ;-)

Die Aufnahme rechts zeigt ein Bild aus einer Sequenz, die mit 1 000 Bilder/Sekunde aufgenommen wurde. Man sieht die Ausstoßwolke eines Anzünders (ca. Fingerspitzengröße), so wie sie z.B. zum Auslösen des Treibsatzes eines Airbags oder einer Pulverrakete eingesetzt wird, ca. 3 Millisekunden nach der Zündung.
Während die Gaswolkenwirbel bei der Belichtungszeit von 1/10 000 Sekunde noch scharf abgebildet werden, sind die ausgeblasenen glühenden Partikel wegen der Bewegungsunschärfe nur noch als Streifen erkennbar. Die bereits reduzierte Belichtungszeit ist nicht kurz genug, um ihre Bewegung einzufrieren.

Praxisbeispiel: Obiges Werkstück habe einen Durchmesser von 100 mm, die Belichtungszeit sei 1/1 000 sek. Dann entsprächen 18° etwa 15,7 mm mit denen sich die Werkstückoberfläche während eines Bildes weiter dreht. Wenn das schon zu viel ist, muss eben die Belichtungszeit verkürzt (und/oder die Aufnahmefrequenz erhöht) werden. Wie das geht, finden Sie unter [SloMo Tipps].

Bei der Bewegungsanalyse darf man das sogenannte Abtasttheorem nicht vergessen: Um eine (schwingende oder rotierende) Bewegung rekonstruieren zu können, muss die Aufnahmefrequenz mehr als doppelt so hoch sein wie die (Frequenz der) Bewegung selbst.

Praxisbeispiel: Ein Ventil oder Lautsprecher gebe den Kammerton »a« von sich, schwingt also mit 440 Hertz. (Das entspricht etwa dem »Ahhh« beim Zahnarzt.) Um die Bewegung der Membran zu verfolgen, muss man deshalb schon mit mindestens 880 Bilder/sek (1 Hz (Hertz) = 1/sek) aufnehmen. In der Praxis eher noch mit viel mehr.

Ein kurzer Vergleich mit militärischen Anforderungen zeigt mit welch hohen Aufnahmefrequenzen man dort rechnen muss.
Praxisbeispiel: Das Geschoss eines Standard-Sturmgewehrs soll beim Verlassen des Laufs aufgenommen werden. Die Mündungsgeschwindigkeit v₀ erreicht Werte bis etwa 1 000 m/sek. Somit bewegt sich das Projektil während 1/1 000 Sekunde um etwa bis zu einem Meter und man erhält einen Strich als Abbild der Kugel, falls man die Belichtungszeit nicht reduziert. Mit einer Belichtungszeit von 1/10 000 Sekunde reduziert sich die Strichlänge auf immer noch mehrfache Projektillänge. Das legt nahe, dass, wenn man den Einschlag verfolgen will, man zumindest Aufnahmefrequenzen von etlichen tausend bis einigen zehntausend Bilder/sek benötigt.
Nebenbei: Pistolen und Revolver feuern ihre Kugeln üblicherweise deutlich unterhalb der Schallgeschwindigkeit (ca. 340 m/sek) ab, verschiedene Granaten von Artilleriegeschützen und Panzerkanonen erreichen dagegen mehr als 1 600 m/sek und drehen sich dabei noch um die Längsachse.

Also - die benötigte Aufnahmefrequenz nicht unterschätzen, speziell nicht bei rotierenden Objekten und Explosionen.

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Wie lange kann man aufnehmen?
- Camcorder können doch auch ewig auf wechselbare Speicherkarten oder Netzlaufwerke speichern!

Das Problem ist nicht das Speichermedium an sich. Man kann auch eine Festplatte einbauen oder die Kamera per USB oder Ethernet etc. anschließen. Und das wird auch gemacht. Die Bilddaten fallen allerdings so schnell an, dass die üblichen Schnittstellen sie nicht mehr in Echtzeit aus dem deshalb notwendigen Pufferspeicher abziehen können. Ein Megapixel Sensor generiert bei 1 000 Bilder/sek immerhin schon gut 1 Gbyte an Daten pro Sekunde. Deswegen ist der USB-Anschluss an schnellen und Hochgeschwindigkeitskameras hoher Auflösung auch nicht besonders verbreitet. Siehe auch [SloMo Bild].

Mit moderaten Ansprüchen an Auflösung und Aufnahmefrequenz kann es möglich sein ein einfacheres Kamerasystem zu wählen, welches in der Lage ist die Bilddaten über einen längeren Zeitraum direkt auf die Festplatte des Steuerrechners, gewöhnlich ein Notebook, zu schreiben. Das geht bei sogenannten Langzeitrekordern etwa mit VGA Auflösung und 100 bis 200 Bilder/sek, mit USB 3.0 sogar bis 800 Bilder/sek. Mit der CoaXPress Schnittstelle (und teurer! Infrastruktur) kann man mehr als 300 Bilder/sek bei Megapixel Auflösung erreichen.
In der anderen Richtung, wenn man bei einigermaßen vernünftiger Auflösung extrem hohe Aufnahmefrequenzen haben will, wird selbst die Anbindung des Pufferspeichers an den Sensor zeitkritisch. Er wird dann nicht mit separaten Bausteinen realisiert, sondern Speicherzellen oder Speicherbereiche werden direkt auf dem Sensor und sogar um die Pixel gruppiert. Natürlich ist die Aufnahmedauer dann noch beschränkter.

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Ist die Aufnahmedauer von höchstens ein paar Sekunden nicht viel zu kurz?
- Bei der Maschine, die ich überwachen will, kommt es erst nach Minuten oder sogar Stunden zum Fehler!

Platzender wassergefüllter Ballon aufgenommen mit 1000 Bilder/sek

Eigentlich nicht - denn was schnell ist, ist auch meistens schnell vorüber. Abgesehen davon beschreiben digitale Hochgeschwindigkeitskamerasysteme ihren Bildspeicher in einer Endlosschleife. Je nach Ausbau, Aufnahmefrequenz und Auflösung wird er z.B. alle 4 Sekunden überschrieben. Das System kann stunden- und tagelang in diesem Zustand als Transientenrekorder lauern. Erhält es dann ein Triggersignal wird die eigentliche Aufnahme erst veranlasst, der Überschreibvorgang des Bildspeichers also gestoppt. Was dabei dann tatsächlich aufgenommen wird kann man mit der Triggerposition vorwählen. Wenn man es so ausdrücken will - man kann sozusagen in die Vergangenheit zurück sehen.

Praxisbeispiel 1: In einer Flaschenabfüllanlage zerbrechen Flaschen an einem bestimmten Ort, aber in ungewissen Zeitabständen. Man sucht die Ursache. Die Kamera wird auf den interessierenden Bereich gerichtet und der Triggereingang des Kamerasystems mit einem Mikrofon beschaltet. Den Triggerzeitpunkt stellt man auf 100%, d.h. Endposition. Das Kamerasystem lässt man im Aufnahme-Modus den Bildspeicher (hier z.B. ausgebaut auf 2 Sekunden) ständig überschreiben. Zerbirst eine Flasche, löst das Geräusch den Trigger aus. Die Aufnahme wird sofort gestoppt und im Bildspeicher des Kamerasystems befinden sich die 2 Sekunden Vorgeschichte, die vor dem Trigger auslösenden Geräusch aufgenommen wurden.

Praxisbeispiel 2: Das Startverhalten eines Sprinters beim 100-Meter-Lauf soll analysiert werden. Man stellt den Trigger des Kamerasystems mit z.B. 1 Sekunde Bildspeicherausbau auf 25% ein, schließt den Triggereingang an die Startpistole an und aktiviert den Aufnahme-Modus. Im Kasten hat man dann die 0,25 Sekunden vor und die 0,75 Sekunden nach dem Startschuss.

Manche Hochgeschwindigkeitskameras erlauben es den Bildspeicher sequentiell zu nutzen. Diese Partitionierung bedeutet, man kann einige kurze unabhängig voneinander ausgelöste Aufnahmen nacheinander machen, ohne dass der Bildspeicher gleich von nur einer einzigen Sequenz voll geschrieben wird. Mehr zur Bestimmung des Speicherbedarfs findet man unter [SloMo Daten].

Und noch etwas zur Dauer: Wenn Sie sich die 4 Sekunden, die Sie mit 1 000 Bilder/sek aufgenommen haben, ansehen, tun Sie dies logischerweise verlangsamt - das ist ja der Sinn und Zweck der Zeitlupe. Bei einer Abspielgeschwindigkeit von z.B. 1 Bild/sek gibt das regelrechte Spielfilme von immerhin fast 67 Minuten Dauer, mit aber meist ziemlich dünner Handlung. Deshalb bieten die Systeme üblicherweise die Möglichkeit die Sequenzen vor der Abspeicherung auf ein dauerhaftes Medium zu schneiden

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Ist die Auflösung nicht zu gering?
- Smartphones und digitale Fotoapparate können doch auch etliche Megapixel!

Nein eigentlich nicht, denn an Fotos hat man andere Ansprüche. Man benötigt oft Detailvergrößerungen, da die Digital-Fotoapparate oft nur sehr begrenzte Brennweiteneinstellungen haben. Zudem werden die Bilder oft (nicht verlustfrei) komprimiert abgelegt, um der Datenflut Herr zu werden. Somit haben sie dann eigentlich gar nicht die genannte und beworbene Auflösung. Meist nutzt man die Hochgeschwindigkeitskameras im technisch-wissenschaftlichen Bereich und dort ist man dann auch eher zu Konzessionen bereit, bzw. legt sein Augenmerk auf die zeitliche Auflösung und geringe Verfremdung und Artefakte durch Kompressionsalgorithmen. Für filmreife Qualität wird dann auch mit deutlich niedrigeren Bildfrequenzen aufgenommen, um den Bewegungseindruck nicht zu verlieren. Und natürlich mit massiver Nachbearbeitung.
Und irgendwie muss man die Daten auch weg schaufeln: Ein unkomprimiertes Megapixel-Bild hat mindestens 1 Mbyte, bei True Color eher noch mehr. Und ganz pragmatisch: Wo kann man sich solche Aufzeichnungen aus echten Megapixelbildern mit Datenraten von Gbyte/sek denn noch flüssig ansehen und handhaben?
Daneben bedingt eine höhere Auflösung aber auch kleinere Pixel, da der Sensor allein schon wegen der abbildenden Optik nicht beliebig groß werden darf. Kleinere Pixel sind aber wiederum anfälliger gegenüber Rauschen und benötigen gern mehr Licht.

VGA, traditionelle und neue TV Formate

Sinnvoller ist also ein Vergleich mit der Fernseh- und Videotechnik, da auch sie primär im Bewegtbildbereich angesiedelt ist, und jeder wohl einen (Röhren-) Fernseher in Reichweite (oder in Erinnerung ;-) hat. Die SD (engl.: standard definition) Auflösung eines PAL oder SECAM Fernsehers beträgt 720 Spalten x 576 Zeilen, während bei der NTSC Variante 720 Spalten x 480 Zeilen erreicht werden. Wobei man das Zeilensprungverfahren (engl.: interlaced) noch berücksichtigen müsste: Man sieht nicht ein einzelnes Bild, sondern zwei zeilenweise, kammartig ineinander eingeschobene Halbbilder. (Wenn Sie je Gelegenheit haben sollten, spulen Sie doch einmal ein Videoband im Einzelbild-Modus an eine Überblendung, dann sehen Sie das ganz deutlich. (Nun gut, das bleibt uns ja mit dem rollierenden Verschluss praktisch erhalten ;-) Aber es hat funktioniert. Und eigentlich nicht schlecht.

Mit echten Vollbildern (engl.: progressive scan, full frame) einfacher digitaler Hochgeschwindigkeitskameras mit Auflösungen bis hin zu VGA (640 Spalten x 480 Zeilen) liegt man dann eigentlich doch ganz gut. Und die aktuellen Megapixel-Systeme bieten zum Teil noch höhere Qualität als HDTV (ready 1280 Spalten x 720 Zeilen progressiv oder full 1920 Spalten x 1080 Zeilen progressiv) und erreichen oder übertreffen sogar Hochgeschwindigkeits-Filmkameras. Speziell wenn die Auflösung für Digital Cinema (2K: 2048 x 1080, 4K: 4096 x 2304) und Ultra HD (3840 x 2160) angestrebt wird - bei entsprechend moderaten Aufnahmefrequenzen und hohem finanziellem Aufwand ist das aktuell schon erreichbar.

Praxisbeispiel: Der Bewegungsablauf beim Speerwurf soll analysiert werden. Die Größe des interessanten Bereiches beträgt 5 m x 5 m. Könnte man die Biege- und Drehbewegung des Speers noch sehen? Bei optimaler Abbildung repräsentiert jedes Pixel bei einem Schwarz/Weiß Sensor mit z.B. 512 x 512 Pixel eine Fläche von weniger als 10 mm x 10 mm, so dass man eine Aufschrift auf dem Speer noch erkennen, wenn nicht sogar lesen könnte.

Erfahrungsgemäß lässt sich sagen, dass Auflösungen von ca. 256 x 128 in Schwarz/Weiß üblicherweise für die meisten technische Auswertungen noch Bilder angemessener Qualität liefern. Für Film/TV (engl.: broadcast) Anwendungen liegt der Einstieg (weit) jenseits von 512 x 512 Pixel und mit Echtfarben, d.h. mit wenigstens 8 bit eher noch 10 bit pro Farbkanal des Sensors.

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Braucht man nicht viel Erfahrung und aufwändiges Zubehör?
- Schließlich macht man Spezialaufnahmen!

Im Normalfall braucht man kein spezielles Zubehör für die meisten industriellen oder für viele wissenschaftlichen Aufnahmen. (Film und Fernsehen ist eine ganz andere Sache.) Oftmals kann man gängige C-Mount Objektive (2/3 Zoll Format oder größer) verwenden und mit entsprechenden Adaptern (ca. € 50,- im nächsten Fotofachgeschäft) auch handelsübliche Foto Objektive. Und selbst bei Sonderanforderungen, z.B. Aufnahmen unter beengten Verhältnissen, schlecht erreichbaren Stellen oder unter Wasser kann man auf das Angebot der Foto- und Videoindustrie zurückgreifen. Als Beleuchtungsquelle für technische Aufnahmen tut es oft auch schon ein 500 W Halogenstrahler aus dem Baumarkt um die Ecke. Info zum Drumherum finden Sie in [SloMo Tipps].

Selbstverständlich gehört auch kompetente Unterstützung seitens des Herstellers zum System dazu. Die Anforderungen an das fotografische Grundwissen halten sich im Bereich technischer Aufnahmen (Einstellarbeiten ...) aber in Grenzen. Und die Systeme bringen in der Regel einfach zu bedienende Steuersoftware (wenn überhaupt nötig!) mit.

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Ist die Bedienung nicht sehr kompliziert und das System zu anfällig für den Industrieeinsatz?
- Man arbeitet ja mit einer Spezialkamera an/mit einem Windows-PC oder Linux-Rechner!

Nein, die Kamerasysteme sind in der Regel auf ihr Einsatzgebiet hin ausgelegt. So gibt es transportable Geräte in einem Koffer (sogar völlig ohne Notwendigkeit für einen extra Steuerrechner) oder welche, basierend auf einem robusten Industrierechner wie für industrielle Steueranlagen und Telekommunikationsanlagen. Oder die kompakte und stabile Kamera bietet autarken Betrieb und wird nur bei Bedarf von einem Notebook oder einer Fernbedienung aus kontrolliert.
Auch komplett Crashtest taugliche Systeme sind verfügbar, spezifiziert für hohe Beschleunigungsbelastungen, um die Anforderungen der Automobilindustrie bei Anbord-Crashtests und in der Luftfahrt zu erfüllen.
Manche Systeme können ohne Maus und Tastatur nur mit der Fernbedienung gesteuert werden, oft zusätzlich über Ethernet Anschluss oder andere Netzwerke. Manchmal ist der Bildspeicher der Kamera praktisch autark und behält seinen Bildspeicherinhalt auch während eines Rechnerabsturzes, eines kurzen Stromausfalls oder die ganze Kamera kann sogar mit einem Akku betrieben werden.

Bedenken Sie, dass bei einem großen Auto-Crashtestversuch mehrere Dutzend Kameras möglicherweise unterschiedlicher Hersteller innerhalb und außerhalb des Fahrzeuges über etliche Aufstellungsorte verteilt sicher funktionieren müssen. Und das beinhaltet auch die Bedienbarkeit.

Salopp gesprochen: Wer einen Videorekorder oder Camcorder bedienen kann, kommt auch mit den Systemen für industrielle Anwendungen zurecht.
Und was die Robustheit angeht: Manche Kameras und Systeme fahren auf Crashtestschlitten mit, teilweise drei mal pro Tag - über Monate und Jahre ohne Ausfall.

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Kann man eine Hochgeschwindigkeitskamera nicht kleiner bauen?
- Es gibt doch winzige Webcams und Überwachungskameras!

Konzepte für Hochgeschwindigkeitskameras

Im Prinzip schon. Aber im Gegensatz zu einer vergleichsweise einfachen Videokamera - Smartphones eingeschlossen - ist eine Menge aufwändiger Elektronik nötig, um die anfallenden Datenmengen (bis zu und über Gbytes pro Sekunde) zu kanalisieren. Wenn die Daten nicht mehr übertragen werden können, müssen sie in der Kamera zwischengespeichert werden. Soll die Kamera auch noch »intelligent« oder »smart« sein (d.h. mit Bildverarbeitungskapazität, verschiedenen Speichermodi und anderen Fähigkeiten), erzwingt das - einfach gesagt - die Integration eines praktisch vollwertiger PCs unter Umständen mit Massenspeicher und Stützakku. Das braucht Platz - und schlimmer noch - produziert viel Abwärme. Aktuelle Spitzenmodelle können gut 100 W und mehr erreichen - in einem Gehäuse von der Größe eines Schuhkartons.

Im Bild links einige Realisierungsmöglichkeiten von digitalen Hochgeschwindigkeitskamerasystemen mit grobem Funktions- und Größenvergleich. Natürlich gibt es auch Mischformen und Spezialfälle. So kann bei sehr schnellen Kameras der Bildspeicher im Sensor integriert sein. Die Auflösung und die Speichergröße sind dadurch allerdings sehr begrenzt.
Die grüne Karte soll eine PC-Einsteckkarte (Framegrabber, DSP-Karte ...) darstellen, die rote Leitung die Anschlussmöglichkeit (Bilddaten und Steuersignale).

Legende: RAM = Bildspeicher; µC = Mikrocontroller oder Prozessor; A/D = Analog zu Digital Wandlung (oft schon im Sensor integriert)
Die Standardanbindung kann z.B. (Gigabit) Ethernet, FireWire oder CameraLink sein. Sogar die HD-SDI Anbindung eines Massenspeichers wäre möglich. Die spezielle Anbindung ist jeweils herstellerspezifisch.

Wenn die Kamera auch noch hohe mechanische Belastungen (Schock, Vibration) dauerhaft und wiederholt aushalten soll, verzichtet man nach Möglichkeit auf eine aktive Kühlung per Lüfter. Nur das Gehäuse wirkt als passiver Kühlkörper und bestimmt maßgeblich die (Oberflächen-) Größe. Abgesehen davon erzwingen allein die gewünschte Robustheit und Schockfestigkeit auch entsprechende Materialstärken, Arretierungen und Befestigungsmöglichkeiten, siehe die Explosionszeichnung einer crashfesten digitalen Hochgeschwindigkeitskamera unter [SloMo HYCAM].
Daneben muss man auch beachten, dass aufgrund der in der Regel wesentlich kürzeren Belichtungszeiten gegenüber herkömmlichen Kameras, die Pixel nicht zu klein und damit zu lichtunempfindlich werden. Das lässt die Hochgeschwindigkeitskamerasensoren wachsen und damit auch die Kameras und Objektive größer werden. (Und so ihren Preis nicht unbedingt niedriger.)

Trotzdem, oder gerade deshalb, gibt es für die unterschiedlichen Anwendungsfälle die verschiedensten Systeme. Beispielsweise solche mit einem oder mehreren abgesetzten kleinen Bildaufnehmern (Kameraköpfen) angeschlossen an einem Basisgerät mit dem Großteil der Kamera- und Steuerelektronik.

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Wo geht die Entwicklung hin?
- Man will doch immer höhere Auflösung!

Schon, auch die Leistungsfähigkeit der Halbleiter wird weiter zunehmen, aber es wird wie gehabt Begrenzungen durch den Datendurchsatz geben. So wird wohl die Verarbeitung und Darstellung der Bildinhalte zu einer Änderung der Zielsetzung führen: von der Jagd nach Geschwindigkeit hin zu mehr Lichtempfindlichkeit, weniger höhere Aufnahmefrequenzen, dafür größerer Dynamik/Farbtiefe und besserer Bildqualität - Full HD 1920 x 1080p und Filmwirtschaft lassen grüßen. Die Systemintelligenz wird zunehmend im Kamerakopf integriert werden - wie im Camcorder. Ultraschnelle Kameras mit Millionen Bilder/sek sind eher etwas für den militärischen Forschungsbereich, kleine (robuste) Kameras etwas für die Industrie und Automotive Anwendungen.
Verbesserte, rauscharme Sensoren erschließen neue Anwendungsgebiete, z.B. in der Mikroskopie, Biologie und Fluidtechnik.

Gerade deswegen wird es zu einer weiteren Diversifizierung kommen - und es wird auch einen wachsenden Markt für kleinere Kameraköpfe geben. Sie können leicht in ein Crashtest-Auto oder eine Maschine eingebaut werden und für Mehrkanalsysteme wandern dann Ansteuerung, Systemintelligenz und der Speicher (wieder) in eine gemeinsame Steuereinheit. Stichwort: Abgesetzter Kamerakopf.
Des weiteren kommen vermehrt Kameras aus dem Bildverarbeitungsbereich (auch: »Machine Vision«), die interessante Leistungen für zahlreiche Anwendungsfälle zeigen. Oft reicht VGA-Auflösung oder etwas darüber bei einigen hundert Bildern pro Sekunde. Und diese Kameras sind im Anschaffungspreis gegenüber den traditionellen Hochgeschwindigkeitskameras vergleichsweise günstig. Außerdem warten sie mit moderaten Datenmengen für die Bildverarbeitung in Echtzeit auf und können fallweise als Langzeitrekorder ihre Daten direkt auf Festplatte schreiben.
Bei der Vernetzung steht die GigE Vision Schnittstelle (Gigabit Ethernet für »Machine Vision«) zwar hoch im Kurs - eine um Steuerparameter erweiterte Gigabit Ethernet Anbindung - allerdings ist sie primär nur für Standardkameras in der industriellen Bildverarbeitung gedacht, aber es gibt auch damit ausgerüstete (industrielle) Hochgeschwindigkeitskameras. Bei Power over Ethernet (PoE) oder USB wird dagegen eine stromhungrige Kamera durch das Nicht-Vorhandensein einer entsprechend potenten Gegenstelle (Strom vom Notebook Akku?!) schnell ausgebremst. Interessanter für hohe Datenraten sind professionelle Studiotechnik Schnittstellen wie HD-SDI und vom Consumer Bereich USB 3.0 und der aufwändige CoaXPress Framegrabber Ansatz.

Und nicht zuletzt: Aus dem Unterhaltungselektronikbereich bedienen verschiedene bekannte Hersteller, insbesondere Casio (z.B. EXILIM EX-F1), mit Camcordern, Fotoapparaten und Smartphones (z.B. Samsung Galaxy S9 und oder IPhone 11 und neuer) das untere Preis- und Leistungssegment des Hochgeschwindigkeitskameramarkts. (Für weitere Information und Links siehe [SloMo Links].)

Mehr und mehr findet der professionelle Einsatz von Hochgeschwindigkeitskameras als Messgeräte mit entsprechender Auswertesoftware statt. Man sieht sich die Aufnahmen nicht nur an, sondern lässt Bewegungsparameter wie Ort, Geschwindigkeit, Beschleunigung ... automatisch ermitteln. Dem tragen integrierte Messkanäle Rechnung, die bildsynchron analoge oder digitale Signale aufnehmen und speichern können. Den Rest erledigt entsprechende Auswertesoftware zumindest teilweise automatisch.

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Warum ist das Hochgeschwindigkeitskamerasystem so teuer?
- Eine gute Videokamera sogar mit PC und Framegrabber kostet doch auch nur ca. € 2 500,-!

Nun, ein solches Kamera/PC-System macht 50 bis 60 Halbbilder/sek. Mit 1 000 Vollbilder/sek ist man also 20 bis 40 mal schneller - da ist der Preis doch mehr als gerechtfertigt. Außerdem sind hochwertige Hochgeschwindigkeitskameras echte Kamerasysteme - besser: Messgeräte - und keine zusammengeschusterten 0815-PCs mit Framegrabbern. Ganz abgesehen davon muss man so ein System ja nicht gleich kaufen, man kann es auch beim Hersteller oder einem Dienstleister für ca. € 500,- bis 1 500,- pro Tag mieten. (Oder man baut sich während ein paar Tagen schlechten Wetters aus Webcams oder Mobiltelefonen eine eigene Multi-Sensor Kamera - siehe [SloMo]. ;-)

Einstiegspreise für digitale Hochgeschwindigkeitskameras

Technologiesprünge führen dazu, dass die Kurve Leistungsdaten zu Kosten im Bild links nicht gleichmäßig und gerade verlaufen. Bis ca. VGA Auflösung und ca. 100 bis 200 oder sogar 600 Bilder/sek kann man die Bilddaten direkt in Echtzeit über gängige Schnittstellen (Ethernet, FireWire, CameraLink, USB 3.0 ...) in den Rechner und auf seine Festplatte bringen, auch streamen genannt. Bei höheren Datenraten (schnellere Kamera, höhere Auflösung) muss man den Speicher in der Kamera integrieren oder die Kamera über eine spezielle Schnittstellenkarte (Framegrabber, DSP, ...) an den Rechner anbinden, siehe Bild links oben. Bei Bildraten ab einigen 100 000 Bilder/sek ist selbst das nicht mehr ausreichend. Der Speicher wird im Sensor unmittelbar um die Pixel gruppiert.
Sonderanforderungen für militärische Anwendungen, Crashtests oder Broadcast (Film- und Fernsehen) treiben die Kosten hoch.

Der Einstiegspreis bei Neugeräten mit VGA Auflösung, monochrom und etwa 500 Bilder/sek, liegt noch unter ca. € 10 000,-. Mit niedrigeren Aufnahmeraten, etwa um die 200 Bilder/sek, sind die oben erwähnten € 2 500,- wieder im Bereich des Möglichen. Beispielsweise gibt es einige Camcorder und Fotoapparate im Bereich der Unterhaltungselektronik, die bei VGA-Auflösung einige hundert (Halb-/Voll-) Bilder/sek und darüber für kurze Sequenzen liefern und dabei zum Teil deutlich unter € 1 000,- oder sogar € 500,- kosten. Oder eben die eingangs erwähnten Smartphones.
Allerdings muss man dann schon ziemlich starke Abstriche in der Auflösung (oft nicht klar im Datenblatt genannt, aber bei angehobenen Aufnahmeraten drastisch unter der Vollauflösung), der Bildqualität, der Stabilität der Aufnahmerate, den Einstellmöglichkeiten und der Variabilität machen. Ganz zu schweigen von den fehlenden Anschlussmöglichkeiten für Steuersignale. Auch wird man die Fernbedienbarkeit der professionellen Systeme wohl vermissen. Die Oberklasse - Megapixel bei mindestens 1 000 Bilder/sek - kostet schon etliche Zehntausend Euro. Schnelle (Single-Shot) Kameras im einige 100 000 Bilder/sek Bereich kosten einige hunderttausend Euro. (Die Preisliste ist natürlich nach oben offen. ;-) Außerdem sollte man das Drumherum, speziell den Aufwand für die Beleuchtung und die Kosten für Steuer- und Auswertesoftware, nicht vergessen.
Es existiert ein kleiner Miet- und Gebrauchtgerätemarkt - einfach einen Hersteller oder Dienstleister nach Vorführ-, Demo- oder Gebrauchtsystemen fragen. Für weitere Informationen und Links siehe [SloMo Links].

Handoptimierter Farbsensor

Der CCD Schwarz/Weiß Chip HS0512JAQ von EG&G Reticon wird geöffnet und ein RGB-Farbstreifenfilter auf Glassubstrat wird hochgenau (±1/4 Mikrometer) vollflächig auf den sensitiven Bereich geklebt und zwar unter optischer Kontrolle durch den laufenden(!) Sensor. Der verbliebene Hohlraum im Keramikgehäuse wird zum Schutz der offenliegenden Silizium Schaltkreise und der Bonddrähte mit Spezial-Polymer vergossen und im Ofen ausgehärtet. (Durch diesen Aufwand wird auch die Beschleunigungsfestigkeit für Crashtestanwendungen gewährleistet.)

Klicken Sie auf das Bild links, um zu sehen was während der Operation passiert.

Im Ernst: Die Bauteile, vor allem die Sensoren, sind Sonderentwicklungen mit hohem technischen Aufwand bei kleiner Serie und geringer Ausbeute, sowie mehrfach selektiert und damit sehr kostspielig. Allein der Sensor kostet oft schon viel mehr als eine komplette hochwertige Videokamera. Und natürlich sind die Entwicklungs- und Fertigungskosten für das Komplettsystem ebenfalls nicht unbedeutend. Denn mit normalem Video haben die Kamerasysteme überhaupt nichts zu tun. Sie liefern digitale Bilder in einem eigenen Format. Die Kameraköpfe würden mit einem Videorekorder oder einem CCIR (= TV)-Monitor gar nicht funktionieren. Erst eine extra Elektronik in der Kamera oder im Steuerrechner generieren das Norm-Videosignal.

Einmal bemerkte ein Fachbesucher nach dem Laborrundgang:

Das ist nicht »High Tech«, Sie bauen »Highest Tech«.