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Eine Auswahl digitaler Hochgeschwindigkeitskameras, Weinberger
1993 bis 2008
Die hier als typisches Beispiel wegen des
Vertrautheitsgrades gewählten SpeedCam Geräte sind eine Familie
volldigitaler, PC-basierter elektronischer (Video)
Hochgeschwindigkeits-Kamerasysteme der 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 realisiert ist.
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.
Weitere Informationen zu anderen Systemen und Herstellern können
Sie im Bereich [SloMo Links] dieser
Site 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
werden auch gerne im Profibereich als normalschnelle digitale
Videokameras (25 oder 30 Bilder/sek) zum Filmen eingesetzt. Ihre
Bildqualität lässt nichts zu wünschen übrig, und sie sind unter
Umständen preisgünstiger als übliche Videokameras für den
professionellen Fernseh-Einsatz. Und alle Geschwindigkeiten sind
möglich - 25, 30, 50 oder 60 Bilder/sek, auch 24 Bilder/sek wie bei
Kinofilmen.
Im Bereich sehr hoher Bildfrequenzen von etlichen 10 000
Bilder/sek haben die Filmkameras 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 mindestens 10 mal weniger
Pixel.
Die Auflösung ergibt sich als Spaltenzahl x Zeilenzahl. Daten ohne Gewähr.
SpeedCam +2000 | SpeedCam +500, SpeedCam lite | SpeedCam 512, SpeedCam PRO, LT, G plus | SpeedCam Visario g1, g2, g3 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Dalsa CA-D1-0128A CCD | Dalsa CA-D1-0256A CCD | EG&G HS0512JAQ CCD | FhG/CSEM Cam 2000 Visario CMOS | ||||
Bildspeicher: 64MB, 128MB, 256MB | Bildspeicher: 64MB, 128MB, 256MB | Bildspeicher: 64MB, 128MB, 256MB, 512MB, 1GB | Bildspeicher: 1GB, 2GB, 4GB, 8GB; ... 48GB (g3) | ||||
Auflösung |
Frequenzbereich [in Bilder/sek] |
Auflösung |
Frequenzbereich [in Bilder/sek] |
Auflösung |
Frequenzbereich [in Bilder/sek] |
Auflösung |
Frequenzbereich [in Bilder/sek] |
128 x 128 | 200 - 2 020 | 256 x 256 | 50 - 531 | 512 x 512 | 50 - 1 094 | 1536 x 1024 | 10 - 1 106 |
128 x 64 | - 4 040 | 256 x 128 | - 1 020 | 256 x 512 | - 2 031 | 1 024 x 768 | - 2 000 |
128 x 32 | - 6 400 | 256 x 64 | - 1 800 | 128 x 512 | - 3 188 | 768 x 512 | - 4 000 |
128 x 16 | - 11 200 | 256 x 32 | - 3 400 | 64 x 512 | - 4 457 |
512 x 192 256 x 96 (g3) 256 x 16 (g3) |
- über 10 000 - 40 000 (g3) - über 100 000 (g3) |
Dargestellt auflösungsunabhängig im 512 x 512 Vollbild-Format, d.h. gleich bleibender Bildausschnitt. | Kein Binning. Bildausschnitt nur abhängig vom Aufnahmeformat. |
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 gabt es
wahlweise Farb- und Monocolor-Versionen. Auch der Mischbetrieb am
selben Steuerrechner wurde möglich.
Das neue Jahrtausend wurde mit SpeedCam Visario (g1) eingeläutet.
Die Referenzklasse in 2001/2. Hier konnten sogar Kameras
unterschiedlicher Speicherausbauten parallel betrieben werden.
SpeedCam Visario g2 setzte 2004/5 die Entwicklung zur autarken und
crashfesten Kamera fort. In 2007 wurden mit der SpeedCam Visario g3
die Eckwerte Lichtempfindlichkeit, Dynamik und
Aufnahmegeschwindigkeit noch einmal erheblich gesteigert.
Zu Bild und Speicher [SloMo Bild]
Die SpeedCam Systeme, außer Visario, nutzen die volle
Auflösung des Kamerasensors bis etwa 10% über der
Nennaufnahmefrequenz (500 Bilder/sek bei SpeedCam +500 und SpeedCam
lite sowie 1 000 Bilder/sek bei SpeedCam 512 und SpeedCam
PRO). Bei externer Synchronisierung kann Visario etwa 1 100
Bilder/sek, lässt einen aber nicht mehr als die Nennfrequenz von
1 000 Bilder/sek selektieren. So ist noch etwas Reserve zum
Nachsteuern vorhanden. Bei allen Auflösungsstufen zeigt sich dieses
Verhalten. Auch bei der Maximalfrequenz.
Bei erhöhten Aufnahmefrequenzen werden stufenweise zwei, drei und
dann vier Zeilen bzw. Spalten zusammengefasst und ausgelesen
(sogenanntes 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. Bei SpeedCam
Visario 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 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 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
allerdings 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 Zusammenhang (mit 8 Bit
= 1 Byte; 1 KByte = 1024 Byte):
Speichergröße [Byte] =
= Auflösung [Pixel] × Farbtiefe [Byte/Pixel] × Aufnahmefrequenz
[Bilder/sek] × Aufnahmedauer [sek] =
= Spalten × Zeilen × 1 Byte × Aufnahmefrequenz ×
Aufnahmedauer
Also 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 die Systeme
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. (SpeedCam
Visario g1 ist allerdings hierbei etwas träge.) Das kann für
Aufnahmen von Anlaufversuche, beispielsweise von startenden
Motoren, interessant sein.
Die Konfigurationen von SpeedCam +500/+2000 und SpeedCam 512
Systemen sind im Prinzip gleich dem von SpeedCam PRO, siehe
folgende Beschreibung. Sie basieren allerdings auf einem
19-Zoll-Industrierechner mit passivem ISA-Bus Board, so wie es
Stand der Technik zur Zeit ihrer Entwicklung war. Fallweise sind
Versionen mit bis zu drei Kanälen pro Rechner möglich.
Betriebssystem ist MS-DOS.
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 es hat sogar Akku und Monitor eingebaut.
SpeedCam PRO Daten- und Steuerpfade
Die Steuereinheit des SpeedCam PRO (und LT, G plus) Systems
basiert auf einem 19-Zoll-Einschub mit CompactPCI-Bus (PCI-Bus für
industrielle Steueranlagen und Telekommunikation). Daten- und
Steuerpfade sowie anschließbare Peripheriegeräte entnehme man dem
nebenstehenden Bild. (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 (Intel Pentium oder Celeron CPU) 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 Kamerakopfes auf der jeweiligen ADMEM
(= A/D Umsetzung + 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 laufen
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.
Hochgeschwindigkeitskamera SpeedCam Visario g1 Daten- und Steuerpfade
Das SpeedCam Visario System 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
Funktionalität der ADMEM-Karte ist im Kamerakopf integriert. Je
nach Ausbau können also bis zu 8 GByte Daten in ihm
zwischengespeichert werden. Und wegen ihrer Fähigkeit bis zu 20
Kameraköpfe in Echtzeit zu steuern, 4 direkt und je 4 über bis zu 4
Linkboxen, heißt die dazugehörige PCI-Bus-Karte MULTICON. Diese
Geräte, speziell die MULTICON, übernehmen die Steuerungsaufgabe
innerhalb des Systems.
Ein Hauptmerkmal von Visario ist die Einkabellösung mit
Datenübertragung in Echtzeit: WideLink und LocalLink Kabel
übertragen Steuer-, Synchronisierungs- und Triggerdaten, letzteres
übernimmt zusätzlich die Stromversorgung. Die blauen und gelben
Steuerleitungen sind deswegen nur 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 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.
Visario ist über Ethernet und speziell über die Corba
Softwareschnittstelle vernetzbar bzw. fernsteuerbar. Das
Betriebssystem ist Windows 2000. Aktuell auch Windows XP.
Cine SpeedCam Funktionsblöcke
Das für den Einsatz in der Fernseh- und Filmbranche optimierte
Cine SpeedCam System (www.cine-speedcam.com)
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. Denn selbst die
Visario Standardkameras sind entsprechend selektiert. Die Cine
SpeedCam markiert jedoch einen Durchbruch für digitale
Hochgeschwindigkeitskameras im HDTV- und Filmeinsatz.)
Das Standardzubehör inklusive Linkbox ist dadurch nutzbar, trotz
der völlig anderen Gestaltung und des ganz in Schwarz gehaltenen
Äußeren.
Überdies verfügt der Kamerakopf über eine zusätzliche Echtzeit PAL
oder NTSC Sucherkamera/-bildschirm (engl.: Viewfinder) und
erweiterte Visualisierungs-, Trigger- sowie
Stromeinspeisungsmöglichkeiten.
Der Kontrollrechner im Cine SpeedCam Rack ist mit zusätzlichen
Echtzeit High-Definition Videokarten und mit schnellen SCSI
Puffer-Festplatten ausgerüstet um in kurzer Zeit die Sequenzen
aufzubereiten und auf HDTV Niveau abzuspielen.
(Die bekannte Cine SpeedCam Mark II oder kurz »Cine g2«, ist eine aufwändig selektierte, umgebaute und aufgerüstete Visario g2 mit überragender Bildqualität.)
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. Die Basissteuersoftware ist
im Speicher abgelegt.
Visario g2 verfügt über die Möglichkeit ein Livebild an der Kamera
direkt anzubieten. Die Kamera arbeitet also vergleichbar einem
Camcorder. 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 Kameras aus der
SpeedCam Mini-/MacroVis (oder Mikrotron Cube) Reihe in aufwändigen
Testaufbauten. Es gibt auch Drittanbieter für diese Art Strom- und
Signalverteiler außer dem Kameraherstellern.
Im einfachsten Fall genügt ein Tischnetzteil als Stromversorgung
und ein Notebook mit Internet Browser um die Kamera zu
betreiben. Eine Kamerasteuersoftware für die Grundfunktionen
befindet sich bereits auf der Kamera.
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. Auch SpeedCam MiniVis und MacroVis Kameras sowie Kameras von Drittherstellern können, von einer gemeinsamen Software gesteuert, integriert werden. Betriebssystem ist Windows 2000 oder XP.
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.
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 rüstet das Fraunhofer Institut IIS in Erlangen, Deutschland,
sein Kamerastudio mit einem weiteren Mulitkanalsystem nach.
Zu den SpeedCam Beispielaufnahmen:
TOUR
©WP (1998 -) 2012
http://www.fen-net.de/walter.preiss/d/slomodat.html
Stand: V8.4, 2012-03-02