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WP's Bildspeicher digitaler Hochgeschwindigkeitskameras

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 Band in der Steuereinheit oder direkt auf die Festplatte eines Steuerrechners.

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. Also gut 1 1/4 CD-ROM pro Sekunde. Diese Masse an Daten will erst einmal übertragen und dann noch gespeichert sein.
Selbst das zur Zeit favorisierte 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. Die nächsten Flaschenhälse sind dann der PCI Bus im Rechner mit einer nominellen Transferrate von 132 Megabyte/sek (33 MHz bei 32 Bit Breite), die sich die Einsteckkarten teilen, und die Schreibrate des Massenspeichers. Dauerhaft 100 Megabyte/sek sind für eine normale Festplatte mehr als eine Herausforderung. Deswegen auch die Einführung des PXI Busses mit doppeltem Takt und doppelter Busbreite und aktuell des PCI Express Busses (PCI Express x1; 500 Megabyte/sek) mit knapp vervierfachtem Datendurchsatz gegenüber PCI und natürlich RAID Systeme. Inzwischen erreichen PCIe2 und PCIe3 5 bzw. 8 Gigabyte/sec. Und bezahlbare Flashdisks (Solid State Disks, Massenspeicher ohne bewegliche Teile) ergänzen die konventionellen Festplattenlaufwerke.
Selbst mit »professionellen« Schnittstellen wie z.B. HD-SDI (High Definition Serial Digital Interface) aus der Studiotechnik, gelangt man nur in den Genuss von Brutto-Übertragungsraten von 185 oder 371 Megabyte/sek. Hier behindert unter Umständen die erlaubte Kabellänge (ca. 100 m) und die Anbindung von Speichermedien und deren Kosten.
Mit der Verbreitung von USB 3.0 (5 Gigabit / 625 Megabyte pro Sekunde) kann sich hier zumindest preislich etwas tun.

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.

Die 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. Bei CMOS Sensoren, die ähnlich DRAMs aufgebaut sind, eher die Reduzierung des Aufnahmeformats.
So nutzen beispielsweise SpeedCam +500/+2000/lite (CCD) Zeilenbinning, SpeedCam 512/PRO (CCD) Spaltenbinning und SpeedCam Visario (CMOS) Formatanpassung.

Während beim Binning der Bildausschnitt gleich bleibt, und die Einsparung an auszulesenden Pixel über eine Auflösungsreduktion erkauft wird, spart man bei der Formatanpassung Pixel durch eine Verkleinerung des Auslesebereichs 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 zoomen - das Bild wird pixeliger. Binning macht das ganze ohne Standortänderung.

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

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.

• 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 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 am ergiebigsten. Die interlaced Verfahren können aber im Bereich der Standardbildverarbeitung (»Machine Vision«) die Datenraten reduzieren und wegen der »Doppelbelichtung« und des eventuell optimierten Füllfaktors die Lichtempfindlichkeit steigern.

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 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.

Bei SpeedCam +500/2000 und SpeedCam PRO 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. SpeedCam Visario Systeme dagegen wandeln die Bilddaten bereits im Kamerakopf und speichern sie dort 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, wie SpeedCam +500/+2000 und SpeedCam Pro.

Zur Erklärung der Diagramme:
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 SpeedCam +500 und SpeedCam PRO bei ca. 50 Bilder/sek und bei SpeedCam Visario bei ca. 10 Bilder/sek.
Zum besseren Verständnis sind die Reduktionsstufen mit eingezeichnet.
(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 seine CD- oder DVD-Laufwerke und natürlich das LAN.

Manche Hochgeschwindigkeitskameras verfügen über eine Festplatte oder eine Flashkarte 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.

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.

Visualisierung und Archivierung

Die Bilddaten der Kamera werden abhängig von der Philosophie des jeweiligen Herstellers mehr oder weniger stark geschönt ausgegeben. Beispielsweise mit Kontrast- oder Kantenanhebung. 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 CD oder DVD gespeichert und archiviert. Bei Airbags z.B. zehn Jahre im Rahmen des Produkthaftungsgesetztes und weitere drei Jahre um die juristische Einspruchsfrist abzudecken. Insgesamt also dreizehn Jahre. Da kommt dann einiges zusammen.