WP's SloMo: Zeitlupe und Hochgeschwindigkeitskameras im Vergleich

SloMo - Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, High-speed Kameras

High-speed Vision, Slow Motion und High Speed Video - was ist das?

Die Erfindung bzw. die Entdeckung liegt länger zurück als man vielleicht denkt:

Feuchtes Zündholz 200 mal verlangsamt

Die erstmalige Erwähnung des Einsatzes der Hochgeschwindigkeitsfotografie verdanken wir einem der ersten Pioniere der Fotografie, William Henry Fox Talbot. Sie geht auf das Jahr 1852 zurück. Die damals verfügbaren langsamen Verschlüsse und die Objektive mit kleiner Öffnung genügten für Lichtbilder von ruhenden Objekten, verwehrten aber noch das Studium bewegter Objekte. Fox Talbot war daran interessiert Fotografien von bewegten Objekten zu machen und suchte nach geeigneten Methoden. Die Alternative zu langsamen Verschlüssen und Objektiven war der Einsatz einer Lichtquelle mit hochintensiven und kurzen Blitzen, mit der die Objekte beleuchtet werden konnten.

Um so eine Aufnahme zu machen war eine Kamera mit einem offenen Verschluss nötig, die in einem abgedunkelten Raum auf das Objekt gerichtet war. Es war bereits bekannt, dass die Leydener Flasche, der Vorläufer unseres heutigen Kondensators, eine hohe Spannung für eine plötzliche Entladung speichern konnte, um einen kurzen, intensiven Funken zu erzeugen.

Bei einer Vorführung für die Royal Society spannte Fox Talbot eine Ausgabe der Times auf ein Rad, das sich mit hoher Geschwindigkeit drehen konnte. Mit einem Funken beleuchtete er die Zeitungsseite kurz und fotografierte einen kleinen Ausschnitt der sich schnell bewegenden Zeitung. Auf dem entwickelten Negativ konnte der Zeitungstext problemlos gelesen werden, die Bewegung des Objekts war erfolgreich eingefroren worden und die Hochgeschwindigkeitsfotografie war geboren.

Gemäß High Speed Photography and Photonics, S. 9, herausgegeben von Sidney F. Ray, 1997, Focal Press (SPIE Neuauflage 2002 ISBN 0-8194-4527-4).

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Die Geschichte

Chronofotografie und Zeitlupenkamera

Das neue Medium Fotografie reizte schon bald zum Einsatz im Unterhaltungsbereich aber auch in der Wissenschaft. Eine alte Frage wurde schon früh mit per Reißleinen zeitversetzt nacheinander ausgelösten Plattenkameras enträtselt.

Pferd im Galopp
Eadweard Muybridge: Zeitversetzte Aufnahmen mit kaskadierten Plattenkameras

Denn schon lange hatte man vermutet, dass es beim Galopp eines Pferdes eine Phase gibt, in der kein Huf den Boden berührt. Doch erst Eadweard James Muybridge erbrachte 1878 den fotografischen Beweis. Damit legte er den Grundstein für die fotografische Bewegungsanalyse basierend auf dem Prinzip der Zeitdehnungskamera.

Fotografie und Stroboskopie

Der wohl mit Abstand bekannteste High-speed Fotograf und Pionier dürfte Dr. Harold Eugene Edgerton (1903-1990) gewesen sein. In seiner Tätigkeit als Professor am MIT hat er viele Hochgeschwindigkeitskameras und andere Spezialkameras entwickelt. Auch viele der dafür nötigen Stroboskope und Beleuchtungseinrichtungen entwarf er selbst.
Zahllose seiner Aufnahmen kann man z.B. mit dem Begriff »edgerton« bei einer Internet-Bildsuche finden.
Daneben brachte er noch zahlreiche weitere bahnbrechende Aufnahmetechniken voran.

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Faszination der Bewegung

Hochgeschwindigkeitsfotografie

Der mit solchen Spezialaufnahmen verbundene Aufwand, die nötige Geduld und die erforderlichen Feinarbeiten und Tricks, sind nicht zu unterschätzen.

P.M. Titelseite: Explodierende Glühbirne
Spezialeffekte, P.M. 8/1984

Viele Leute meinen, sie hätten schon einmal eine Glühbirne explodieren sehen. Doch selbst wenn man davon etwas mitbekäme, richtig sehen könnte man es nicht. Der Vorgang läuft für das menschliche Auge einfach viel zu schnell ab. Einen interessanten Einblick vermittelt die inszenierte Aufnahme des englischen Fotografen Jay Myrdal.

Zur perfekten Illusion hat er dazu drei Aufnahmen von verschiedenen Zeitpunkten und Situationen übereinander gelegt. Zuerst ein Foto mit einer langer Belichtungszeit von einigen Sekunden, welches nur die Lampenfassung und die spezielle Glühwendel ohne Glaskolben zeigt. Die beiden anderen Fotos wurden dann mit dem aufgesetzten Glaskolben aufgenommen, der mit einer Luftgewehrkugel zerschossen wurde. Im zweiten Foto wurden die weg fliegenden Splitter durch einen längeren Blitz (Dauer 1/200 Sekunde) nur verwischt aufgenommen, während im dritten Foto ein extrem starker Kurzzeitblitz (Dauer 1/10 000 Sekunde) ihre Bewegung einfror und sie gestochen scharf abbildete.

Für die Aufnahme auf dem Titelbild waren mehr als 50 Versuche nötig. Den Aufwand der dahinter steckt, kann man erst erahnen, wenn man sich bewusst macht, dass jede Glühbirne erst mühsam und mit größter Sorgfalt präpariert werden musste. Die Glühbirnen wurden dafür regelrecht zerlegt. Man löste zunächst den Glaskolben vorsichtig vom Lampensockel. Dann wurde die Glühwendel durch eine handgefertigte Spezialglühwendel ersetzt, die verdeckt an einen außerhalb des Bildes stehenden Transformator angeschlossen wurde. Die offene Glühbirne wurde mehrere Sekunden betrieben und die glühende Wendel durch einen Spezialfilter fotografiert. Danach erst wurde der Glaskolben wieder übergestülpt, bevor man ihn mit einer Luftgewehrkugel zerschoss.

Als Auslöser für die beiden Blitzgeräte für Foto zwei und drei diente ein Mikrofon, welches das Zersplittern registrierte. Um zu vermeiden, dass die Luftgewehrkugel noch mit auf die Fotos kam, verzögerte eine elektronische Schaltung das Startsignal für die Blitzgeräte um so viel, bis das Geschoss rechnerisch den Bildausschnitt verlassen haben musste.

Gemäß P.M. in: Die Kunst »unmögliche« Bilder zu schießen, Heft 8/84, Seite 56ff.

Time Slice und Kamera Array Technik

Der aufregende - zu deutsch - Zeitscheiben-Effekt, auch Bullet Time oder Time Morphing genannt, ist aus dem Spielfilm Matrix, sowie Werbefilmen und zahlreichen Dokumentarfilmen wohlbekannt. Das Objekt steht (mehr oder weniger) still, während es vom Blick des Zuschauers fixiert oder sogar umkreist wird. Anwendung findet auch der dramatische Zeiteffekt mit stufenlosem Übergang von Normalgeschwindigkeit auf Superzeitlupe und zurück.
Realisiert mit einer großen Anzahl gegebenenfalls im Bogen angeordneter (Foto-) Kameras, die geplant gleichzeitig oder verzögert, eine nach der anderen, ausgelöst werden. Und anschließend nicht endend wollender Bildverarbeitung und Nachbearbeitung.

Superzeitlupe

Der Übergang zu Bewegtbildern ist also fließend. Die eigentlich eher aus dem Studiobereich (Beleuchtung!) kommende Technik primär für technisch-wissenschaftliche Aufnahmen verbreitet sich auch im Außenbereich - im TV und im Film. Beispielsweise bemerkt man bei Sportübertragungen dann oft das Flackern (Pumpen) der künstlichen Beleuchtung. Zur Wahrung des Bewegungseindrucks werden hauptsächlich Aufnahmefrequenzen von einigen hundert Bildern pro Sekunde eingesetzt.

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Die Techniken von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen

Überblick

Innenansicht Film-Hochgeschwindigkeitskamera
Stalex Film-Hochgeschwindigkeitskamera: 3 000 Bilder/sek

Demnach gibt es verschiedene Konzepte, um Aufnahmen schneller Vorgänge zu machen. Auswahlkriterien sind z.B. Aufnahmefrequenzen, Lichtempfindlichkeit, Einzelbilder/Sequenzen, Auflösung/Farbtiefe, Archivierungsmöglichkeit, Auswertung sofort vor Ort, Mobilität ... und natürlich der Aufwand und die Kosten.

Ab Frequenzen von über 160 Bilder/sek und wenigstens einer Serie von drei Aufnahmen oder von über 125 Bilder/sek bei einer Belichtungszeit von unter einer Mikrosekunde spricht man von Hochgeschwindigkeits-Kinematografie bzw. Hochgeschwindigkeits-Videografie, kurz: High Speed Video. (Zu den Werten vgl. z.B. EU 428/2009 Dual Use Verordnung Ausfuhrliste Abschnitt C, 6A003 oder US Commerce Control List ECCN 6A003.)

Dabei ist man keineswegs nur auf den sichtbaren Bereich des Spektrums beschränkt. Es gibt auch spezielle Hochgeschwindigkeitskameras, die im Infrarotbereich aufnehmen können. Damit lässt sich z.B. die Erwärmung durch Biegebeanspruchung sichtbar machen. Auch sind Hochgeschwindigkeitskameras für Anwendungen im Röntgenbereich erhältlich, z.B. für die Analyse des Bewegungsapparats.

Eine Menge sehr spezieller Ausrüstung kommt zum Einsatz. Beispielsweise dreht ein sogenannter flight follower die Kamera mit einer abgeschossenen Granate mit, um das Projektil für einige Zeit bzw. Bilder zu verfolgen.

Generell kann man sagen: Einzelbildsysteme (= Foto) eignen sich nur bedingt zum Einsatz in der Bewegungsanalyse. Kinematografische (= Film, Ciné) Systeme liefern höchste Qualität, aber benötigen (extrem) viel Licht - gehen Sie von etlichen 10 kW bei einem Crashtest mit 1 000 bis 3 000 Bilder/sek aus - und die Filme müssen erst noch entwickelt werden. Aufnahmen von Festkörpersystemen (= CCD, CMOS) sind sofort verfügbar und auswertbar sowie leichter archivierbar, beginnen aber erst seit etwa der Jahrtausendwende die hohe Auflösung von Filmsystemen zu bieten.

Schauen Sie auch einmal hier nach - einige ausgewählte und gebündelte Links zu Hochgeschwindigkeitsaufnahmen mit Hintergrundinfo:

MEHR

Hochgeschwindigkeitsfotografie

Verwendet werden standardmäßige Foto- oder Videokameras. Der richtige Zeitpunkt wird üblicherweise mit einem automatischen Trigger (Lichtschranke, Mikrofon, elektrischer Kontakt, etc.) und viel Geduld ermittelt. Mit kurzen Belichtungszeiten werden Bewegungen eingefroren. Laserblitzer erlauben z.B. Belichtungszeiten unterhalb Femtosekunden (= 1/1 000 000 000 000 000 sek; wirklich zu viel des Guten für übliche Anwendungen). Aber die Auswertung eines Bewegungsablaufs ist kaum möglich, da zwischen den einzelnen Aufnahmen zu viel Zeit vergeht.
Manchmal ist Abhilfe mittels Stroboskopieeffekt und Mehrfachbelichtung oder Kaskadierung von Kameras möglich. Es besteht auch die Möglichkeit bei einer Aufnahme mit vergleichsweise extra langer Belichtungszeit die Bahnen von am Objekt befestigten Leuchtmarkierungen zu verfolgen.
Typischer Einsatz: Forschung, Werbung.

Stroboskopie

Spezielle Blitzgeräte mit kurzer Blitz- und Wiederaufladedauer ermöglichen vor allem bei zyklischen Bewegungen (Schwingungen, Rotation) gewisse Aufschlüsse. Die maximale Blitzfrequenz herkömmlicher Lampen-Stroboskope liegt aber kaum über 1 000 Blitze/sek, bei einer kürzesten Belichtungszeit von ca. 10 bis 30 Mikrosekunden. LEDs (Leuchtdioden) sind hierbei schneller. Und es muss natürlich sonst dunkel sein. Ruhende Partien drohen zudem überbelichtet zu werden.
Dabei kann es neben einem Standbild auch zum bekannten Kutschenrad-Effekt, siehe [SloMo Freq.], kommen.
Wenn allerdings zwischen den wahrnehmbaren Blitzen etwas signifikantes passiert - das Auge kann nur etwa 10 bis 15 Bilder/sek auflösen - hat man verloren.
Typischer Einsatz: Einstellarbeiten an Maschinen.

Standard Film- und Videotechnik

Professionelle TV-, Film- und Videokameras erreichen Belichtungszeiten von unter 1/100 000 sek, allerdings nur bei einer Bildfrequenz von 16 bis 24 Bilder/sek (Film) bzw. 25 Bilder/sek (= 50 Halbbilder/sek; PAL, SECAM) und knapp 30 Bilder/sek (= 59,94 Halbbilder; NTSC). Die kurzen Belichtungszeiten frieren die Bewegungen zwar ein, die niedrige Bildfrequenz führt aber zur ruckhaften Bildwiedergabe.
Bei der sogenannten Super Motion im Fernsehen wird mit der dreifachen Nennfrequenz, also 75 Bilder/sek bei PAL, aufgenommen.
Im Film arbeitet man mit schnell laufenden 16 mm und 32 mm Filmkameras, die ca. 125 bis 250 Bilder/sek liefern.
Typischer Einsatz: Zeitlupe bei Sportübertragungen, sogenannte Slow Motion; Spezialeffekte im Film.

Überarbeitete/erweiterte Film- und Videotechnik

Modifiziert man Standardkameras, speziell durch Übertaktung, und reduziert man ihre Auflösung (Halb-/Teilbilder, Mehrfachbelichtung) erreicht man Bildfrequenzen um ca. 250 Bilder/sek bei noch erträglicher Qualität. Als Aufzeichnungsmedium sind vor allem in den USA entsprechende Videorekorder auf dem Markt gewesen.
Im Prinzip fallen auch die Smartphones mit Hochgeschwindigkeitskameraoption unter diese Kategorie. Auch hier werden die hohen Bildraten mit einer Teilauslesung des Bildsensors erreicht.

Die Grenzen zu echten Hochgeschwindigkeitskameras sind natürlich fließend. Speziell in letzter Zeit gelangen vermehrt Sensoren aus dem Bildverarbeitungssektor mit entsprechenden Bildfrequenzen (einige wenige 100 Bilder/sek mit Auflösungsreduktion) auf den Markt. Zum Teil erlauben diese Systeme, falls die Datenrate nicht zu hoch ist, also Auflösung und Bildfrequenz im Rahmen bleiben, die Bilddaten ohne Zwischenpufferung über längere Zeit direkt auf die Festplatte des Steuerrechners, z.B. eines Notebooks, zu schreiben. Bei den gängigen Schnittstellen wie USB 2.0 oder 3.0, FireWire IEEE 1394, CameraLink, Gigabit Ethernet ... funktioniert das derzeit mit ca. VGA-Auflösung und ca. 100 bis 200 Bilder/sek. Inzwischen sind fallweise ca. 800 Bilder/sek möglich.
Um allerdings eine tonfrequente Schwingung optisch zu analysieren (z.B. ein quietschendes Ventil) braucht man jedoch Frequenzen weit darüber.
Typischer Einsatz: Biomechanik (Lokomotion, Bewegungsanalyse), Einstellarbeiten an Maschinen.

Hochgeschwindigkeits-Film- und Videotechnik

Spezielle Mechaniken/Optiken und Elektronik - Getriebe, Greifmechaniken für intermittierenden Stop-and-Go-Betrieb und Rotationsprismen zur Bildnachführung für kontinuierlichen Betrieb - und in neuerer Zeit segmentierte und schnelle CCD oder CMOS Bildsensoren, erlauben ca. 500 bis über 5 000 Bilder/sek in Megapixel-Qualität, bei Teilbelichtung und/oder Auflösungsreduktion auch weit über 10 000 Bilder/sek bis über 1 000 000 Bilder/sek.
Aufzeichnungsmedien sind 16, 35 und 70 mm Filme bzw. elektronische Speicherprodukte und sogar magnetisches Bandmaterial. Die Filmkameras zeigen bis etwa zur Jahrtausendwende und teilweise auch noch heute eine unschlagbare Auflösung, aber die digitalen CCD/CMOS Systeme sind wesentlich einfacher zu handhaben, benötigen keine Anlaufphase, arbeiten quarzstabil und die Aufnahmen sind sofort verfügbar.

HYCAM von innen
Hochgeschwindigkeitscamera HYCAM

Links: Funktionsschema der »analogen« Redlake HYCAM Rotationsprismenkamera. Sie macht bis zu 10 000 Bilder/sek auf 16 mm Film, bzw. 38 000 Bilder/sek im 1/4-Format. Der Film läuft kontinuierlich durch und wird für die einzelne Aufnahme nicht angehalten.
Für die Erklärung der Funktionsbaugruppen und der Legende bitte auf die Abbildung oder [SloMo HYCAM] klicken.

Mehr zu Video-Hochgeschwindigkeitsaufnahmen - einige Aufnahmen und Antworten auf häufig gestellte Fragen:

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Und hier in Weinberger-Service eine bildliche Aufstellung einiger klassischer digitaler Hochgeschwindigkeitskameratypen.

Sensor Chip im Keramikgehäuse
High-speed Matrixsensor Schaltkreis

Rechts: Frame-Transfer CCD Sensor HS0512JAQ von EG&G Reticon: 512 x 512 Pixel bei mehr als 1 000 Bilder/sek, mit reduzierter Auflösung über 4 000 Bilder/sek; 16 Segmente = 16 parallele Auslesekanäle anstatt, wie üblich, nur eines einzigen.
Das dunkle Quadrat in der Mitte ist die optisch aktive Fläche mit einer Seitenlänge von 8,19 mm, Pixelgröße 16 x 16 Mikrometer². Das braune Rechteck ist das Keramikgehäuse in das der Sensor, überdeckt von einer Glasplatte, eingeklebt ist. Die metallischen Anschlüsse glänzen goldfarben, die Sensorelektronik silbern.

Die Aufnahmedauer beträgt üblicherweise nur bis zu einigen Sekunden, bedingt durch den großen Bild- bzw. Speicherbedarf und den erforderlichen schnellen Zugriff.
Typischer Einsatz: Automobilindustrie (Crashtest), Sportbiologie (Bewegungsanalyse), Industrie (Einstellarbeiten).

Ultra-Hochgeschwindigkeitskameras

In Trommelkameras wird ein auf einem rotierenden Zylinder aufgespannter Film am Objektiv vorbei geführt. Die Aufnahmefrequenz kann 100 000 Bilder/sek deutlich überschreiten. Obwohl der Trommeldurchmesser bis über einen Meter betragen kann, ist die Anzahl der Bilder jedoch vergleichsweise gering, da lediglich eine Trommelumdrehung genutzt werden kann. Es gibt auch Konstruktionen bei denen der Film durch CCD oder CMOS Sensoren ersetzt ist.

In einer Drehspiegelkamera ruhen die Bildaufnehmer, normalerweise ein in einer Art Trommel aufgespannter Film. Mit einem schnell rotierenden Spiegel werden die im Teilkreis angeordneten Bildaufnehmer belichtet, oft sogar über separate Optiken. So verfügt jedes Einzelbild über ein eigenes Objektiv. Je nach verwendetem optischen System sind Aufnahmefrequenzen von über 1 Million Bilder/sek möglich. Der Rekord liegt angeblich bei über 30 Milliarden Bilder/sek. Damit, so wird jedenfalls behauptet, sei die Ausbreitung eines Lichtstrahls verfolgbar.
Die Apparatur kann zwar vorher auf Aufnahmegeschwindigkeit gebracht werden (= Synchronisierung), die Aufnahmeauslösung (= Triggerung) jedoch ist schwierig, da die Filme selten aus mehr als um die hundert Bildern bestehen. Die Kameras und Zubehör füllen oft leicht einen Raum.
Typischer Einsatz: Laborforschung (Entladungen, Zündungen, Nuklear- und Teilchenphysik).

Single Shot, Fast Framing und Sequenzkameras

Speziell entworfene Kameras, die im kurzen zeitlichen Abstand (fallweise Mikrosekunden bis herab zu Nanosekunden und weniger) eine kurze Sequenz von typisch weniger als 10 aufeinander folgender Aufnahmen machen. Dann nennt man sie auch High-speed Framing oder nur Fast-Framing Kameras. Echte Single Shot Kameras machen nur ein einziges oder sehr wenige Bilder, aber mit extrem kurzer Belichtungsdauer und geringem zeitlichem Abstand zwischen den einzelnen Aufnahmen. Sie sind mit mehrfach belichteten oder mehrfach vorhandenen standardmäßigen Videokamera-Sensoren oder Fotofilm ausgestattet. Oft wird der Sensor während der Aufnahme gleich als Bildspeicher benutzt.
Natürlich kann man auch gewöhnliche Einzelbildkameras oder phasenversetzt angesteuerte Videokameras kaskadieren. So finden selbst Sofortbild(!)-Kameras, manchmal mit jeweils eigener Optik in ein und dasselbe Gehäuse integriert, Verwendung.
Gelegentlich werden auch Hochgeschwindigkeitskameras mit längeren Aufzeichnungsmöglichkeiten als Sequenzkameras bezeichnet. Wohl, um der auf wenige Sekunden begrenzten Aufnahmedauer Rechnung zu tragen.
Typischer Einsatz: Zündvorgänge, militärische Forschung, Fotofinish im Sport.

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