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WP's Scan Frequenz (Abtasttheorem von Nyquist-Shannon-Kotelnikov)

Warum Beleuchtungen flackern

Die Nenn- oder Effektivspannung von 230 V des Stromnetzes pendelt 50 mal pro Sekunde zwischen den um Wurzel 2 höheren Scheitelwerten von ±325 V. Beleuchtungsmittel, die direkt am Wechselstromnetz betrieben werden, pumpen mehr oder weniger stark mit dieser Netzfrequenz von 50 Hertz (1 Hz (Hertz) = 1/sek). Üblicherweise ist eine Glühlampe zu träge, als dass diese Änderungen sichtbar wären. Und natürlich ist unser Auge zu langsam um solche Schwankungen wahrzunehmen. Auch eine Videokamera nimmt normalerweise keine Notiz von diesem Flackern.
Selbst sogenannte Gleichstromleuchten, bei denen eine Elektronik die Wechselspannung gleichrichtet und/oder glättet, können eine gewisse Restwelligkeit (engl.: ripple) aufweisen bzw. können höherfrequente Schwingungen zeigen, die eine Film- oder Videokamera nicht registriert, wohl aber eine ausreichend schnelle Hochgeschwindigkeitskamera.

Aufnahme und flackernde Beleuchtung

Das führt zu der häufigen Fehlermeldung: »Das Kamerabild flackert und flimmert!«.

Die Hochgeschwindigkeitskamera kann allerdings nichts dafür. Grund ist eine Auswirkung des sogenannten Abtasttheorems, siehe Bild links. Misst man eine veränderliche Größe mit mindestens ihrer doppelten Frequenz, so kann man deren Kurvenverlauf rekonstruieren.

In der Abbildung links hat die Videokamera knapp die halbe Frequenz der Lichtschwankung, während die Hochgeschwindigkeitskamera nochmals um Faktor vier bis fünf schneller ist. Die grauen Flächen stellen jeweils die Lichtmenge pro Bild dar. Die weißen Flächen geben die Auslesezeit bzw. die inaktiven Phasen wieder.
Deutlich ist zu sehen, wie bei der Videokamera sich Täler und Berge der Beleuchtungsintensität mehr oder weniger ausgleichen, die Videokamera integriert darüber. Das ist im Prinzip unabhängig von der Phasenlage.
Die Bilder der Hochgeschwindigkeitskamera werden dagegen deutlich unterschiedlich stark belichtet. Die Aufnahme flackert, wenn man sie in Zeitlupe abspielt. Das sieht man oft auch in Zeitlupensequenzen von Sportveranstaltungen.

Erst wenn man die Belichtungszeit der Videokamera (stark) reduziert, schmälere grauen Flächen und breitere weiße in der obigen Abbildung, kann man sie auch zum Pumpen bringen. Bei geschickt synchronisierten Frequenzen muss das aber nicht zwangsweise der Fall sein.

Bei einer Aufnahmefrequenz von mehreren 100 Bilder/sek kann man das deutliche Pumpen von Leuchtstoffröhren aufnehmen. Deshalb ist eine derartige Beleuchtung für Hochgeschwindigkeitskameras wenig geeignet.
Lediglich Lampen, die direkt an einer Batterie (Gleichspannung) betrieben werden, sind sicher vor Hochgeschwindigkeitskameras. Halogenlampen mit 50 Hz tun es wegen ihrer Trägheit normalerweise beim Einsatz für technische Aufnahmen aber auch.

Kutschenradeffekt

Die bekannte optische Täuschung - die Kutsche fährt vorwärts, ihre Räder drehen sich rückwärts - ist ebenfalls eine Konsequenz des Abtasttheorems. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Filmbildern dreht sich das Rad um etwas weniger als eine volle Umdrehung weiter. Oder um mehrere volle Umdrehungen, wobei die letzte nicht ganz vollendet ist. Das ist eine Abart des Stroboskopeffekts, bei dem man durch Aufnahmen ganzzahliger Vielfacher einer Umdrehung ein stehendes Bild eines rotierenden Objekts erreichen will. Das Gehirn interpretiert diese einzelnen Bilder dann falsch als Pseudobewegung oder eben Stillstand.
Den selben Effekt können Sie auch bei rotierenden Propellern oder Rotoren von Hubschraubern wahrnehmen.

Ruckelnde Wiedergabe

Dafür gibt es zwei Ursachen, von technischen Defekten einmal abgesehen. Zum einen kann die Wiedergabegeschwindigkeit so gering sein, dass kein flüssiger Ablauf gewährleistet ist. Dem Auge muss man über 14 Bilder/sek anbieten, damit es die Einzelbilder nicht mehr als solche auflösen kann und die Illusion aufrecht erhalten wird.
Zum anderen kann eine zur Bildfrequenz bzw. Bewegung sehr kurze Verschlusszeit (Belichtungszeit, shuter; in jedem frame x der obigen Abbildung jeweils nur eine einzige schmale graue Säule) dafür sorgen, dass Bewegungen abgehackt wirken, weil von Bild zu Bild zu viel Ortsveränderung stattfindet.