Theorie Highspeedkamera

Transkript

1 mobillab Metrohm Theorie Highspeedkamera Worum geht es? Das menschliche Auge und Gehirn verarbeiten etwa 16 bis 18 Bilder pro Sekunde als aufeinanderfolgende Bilder. Alles was rascher abläuft sehen wir nur noch zusammenhängend und können keine einzelnen Details mehr erkennen, sondern sehen einen Film oder ein Video. Mit einer Highspeed-Kamera ist es möglich Bilder viel rascher aufzunehmen als mit einer normalen Videokamera oder unserem Auge. Ziele Prinzip des Sehprozesses und der Digitalfotografie verstehen Sehprozess mit Digitalfotografie vergleichen Filme als schnelle Abfolge von Einzelbildern verstehen

2 Theorie Highspeed-Kamera Seite 2 Alltagsbezug Mit unserem Sehsinn sind wir in der Lage mehr als 18 aufeinanderfolgende Bilder pro Sekunde als Ablauf, als Film, wahrzunehmen. Das ist auch der Grund, weshalb die heute übliche Bildfrequenz bei Kinofilmen bei 24 Bildern pro Sekunde liegt. In den älteren Stummfilmen wurden 16 bis 18 aufeinanderfolgende Bilder pro Sekunde verwendet, weshalb diese teilweise etwas ruckartige Bewegungen enthalten. Ein Digital-Video produziert im Zeilensprungverfahren 50 Halbbilder pro Sekunde (25i = 25 Bilder interlaced). Die 25 Vollbilder werden dabei in jeweils zwei Halbbilder zerlegt, wobei das erste Halbbild alle Zeilen mit ungeraden Zeilennummern besitzt und das zweite Halbbild alle geraden Zeilen. Diese Halbbilder überträgt man nun mit der doppelten Frequenz, also 50 Hz, hintereinander und dabei ineinander verschachtelt (siehe Abb. 1). Unbewusst nehmen wir allerdings bis zu 60 Bilder pro Minute als Flimmern wahr, weshalb die Bildwiederholfrequenz von Röhren-Computerbildschirmen mindestens bei 75 Bildern pro Sekunde liegen sollte. Bei den heute gebräuchlichen LED- und LCD-Bildschirmen sind 60 Hz üblich. Andernfalls ermüden wir sehr rasch. Computermonitore benötigen keine Halbbilderdarstellung, sondern tasten das ganze Bild 75-mal pro Sekunde Zeile für Zeile ab. Diese progressive Abtastung verhindert das Auftreten von Bildflimmern. Abb. 1: Verschachtelung der Halbbilder 1 Will man den Effekt der Zeitlupe (= slow motion) erzielen, so zeichnet man die Bildsequenz sehr rasch auf und gibt sie langsam wieder. Die Photographie ist eine wunderbare Entdeckung, eine Wissenschaft, welche die grössten Geister angezogen, eine Kunst, welche die klügsten Denker angeregt und doch von jedem Dummkopf betrieben werden kann. 2 Heute lassen sich Video und Fotografie kaum noch voneinander unterscheiden. Videokameras können mit grosser Auflösung Einzelbilder, Fotokameras mit Serienbildern und Videofunktionen Filme aufnehmen. Früher hatten viele Künstler eine falsche Vorstellung von Bewegungsabläufen, weshalb sie z.b. ein galoppierendes Pferd nicht richtig darstellten. Es gab heftige Diskussionen, ob es bei einem Pferd im Galopp einen Zeitpunkt gibt, bei dem kein Fuss den Boden berührt. Eadweard James Muybridge ( ) konnte erstmals mit seinen am 19. Juni 1878 angefertigten Aufnahmen den Künstlern und Wissenschaftlern zeigen, dass es tatsächlich einen kurzen Zeitpunkt beim Galoppieren gibt, wo kein Fuss den Boden berührt Gaspard-Félix Tournachon (genannt Nadar) ( ), französischer Fotograf, Schriftsteller, Zeichner und Luftschiffer, 1856

3 Theorie Highspeed-Kamera Seite 3 Abb. 2: Pferd im Galopp 24 Aufnahmen mit kurzer Belichtungszeit Die Serienbilder erzielte er, indem er 24 verschiedene Kameras, einzeln durch Reissleinen vom Pferd auslösen liess. Erst zusammengesetzt ergeben sie eine dynamische Bewegung, einen Film (siehe Abb. 2 und 3). Abb. 3 Dynamischer Ablauf eines galoppierenden Pferdes (Video) Jetzt kann man wirklich sagen Ein Bild sagt mehr als tausend Worte. und sich fragen, wie viel sagen wohl 1000 Bilder pro Sekunde? (siehe Abb. 3)

4 Theorie Highspeed-Kamera Seite 4 Die Chronofotografie oder auch Serienfotographie bezeichnet heute nur noch ein Teilgebiet der Fotografie, das sich mit der Aufnahme schneller Bewegungen auseinandersetzt. Beispiele hierfür sind: Bewegungen von Menschen und Tieren, Gewehrkugeleinschlag, platzender Ballon uvm. Die ursprünglichen Serienaufnahmen lieferten wichtige Impulse für die Entwicklung der bewegten Bilder und waren damit u. a. Vorläufer des heutigen Kinofilms. Abb. 4: Hochgeschwindigkeitsaufnahme eines Luftgewehrschusses durch eine Glühbirne 3 Je nach Anwendung ist es entscheidend, den richtigen Augenblick der Aufnahme zu treffen und sehr kurz zu belichten oder mehrere Bewegungsphasen in einer Aufnahme darzustellen. Mit den Highspeed-Kameras hat die Chronofotografie neue Dimensionen der Zeitabläufe erschlossen und kann auf verschiedene Fragen Antworten geben: Wie ist es möglich, dass eine Katze immer auf ihren Füssen landet? Wie öffnet sich ein Airbag? Wie sieht die Flügelbewegung einer Fliege aus? Weshalb kann ein Kolibri in der Luft stehen bleiben? Wurde der Puck beim Eishockeytor mit dem Schuh angekickt? War das Wembley-Tor beim WM-Finale 1966 wirklich ein Tor? Was läuft bei einem Crash-Test genau ab Früher wurde eine rasche Bildabfolge mit Stroboskoplichtblitzen erzielt, welche auf einem einzigen Bild aufgenommen wurden. Heute sind die Kameras selbst so schnell, dass mit ihnen mehrere tausend Bilder pro Sekunde aufgenommen werden können. 3 Schuss_gluehbirne.jpg

5 Theorie Highspeed-Kamera Seite 5 Theoretische Hintergründe 1. Sehprozess Das menschliche Auge ein sehr kompliziertes Organ besteht aus Muskeln, Fasern, Häuten, Nerven und Blutgefässen. Es besitzt die zwei wichtigsten optischen Bauteile, um Bilder von Gegenständen zu erzeugen: ein Linsensystem und die Netzhaut (siehe Abb. 5). Das Linsensystem besteht aus Hornhaut (Schutz gegen aussen), Augenflüssigkeit (in der vorderen Augenkammer), Augenlinse und Glaskörper und wirkt gesamthaft als Sammellinse. Die Brennweite dieses optischen Systems liegt normalerweise bei 23 mm was einem Brechwert von 43.5 dpt entspricht. 4 Abb. 5: Bestandteile des menschlichen Auges 5 Um von unterschiedlich weit entfernten Gegenständen ein scharfes Bild auf der Netzhaut entstehen zu lassen, muss die Krümmung der Augenlinse verändert werden können (Akkomodation). Dies ist möglich, da die Augenlinse an sogenannten Ciliarmuskeln aufgehängt ist. Iris und Pupille sorgen für die richtige Intensität des einfallenden Lichtes, indem sie wie eine Blende wirken. Die Registrierung des Lichtes erfolgt durch lichtempfindliche Zellen, die Stäbchen und Zäpfchen, in der Netzhaut. Von den hell-dunkel-empfindlichen Stäbchen befinden sich in der Netzhaut etwa 120 Millionen, während von den farbempfindlichen Zäpfchen nur etwa 6 Millionen vorhanden sind. Abb. 6: Bildentstehung im menschlichen Auge 6 Sobald von einem Gegenstand Licht auf das Auge trifft, wird dieses durch das optische System gebrochen und auf der Netzhaut entsteht ein verkleinertes, umgekehrtes, seitenvertauschtes und reelles Bild des Gegenstandes. Durch die Stäbchen und Zäpfchen in der Netzhaut wird die Bildhelligkeit in elektrische Impulse umgewandelt, die zum Gehirn weitergeleitet werden, wo sie zu optischen Eindrücken verarbeitet werden (siehe Abb. 6). Der Sehprozess ist ein komplexes Zusammenspiel zwischen den Informationen, die unser Auge aufnimmt und dem was unser Gehirn aus diesen macht. Grundsätzlich registriert unser Auge einfallendes Licht so, als ob es von einem Punkt geradlinig in unser Auge gelangt, unabhängig davon, ob es auf seinem Weg reflektiert oder gebrochen wird. Aus diesem Grund sind wir auch in der Lage Gegenstände an Orten zu sehen, an denen sie in Wirklichkeit gar nicht sind, wie z.b. hinter Spiegeloberflächen. Hinzu kommt, dass die optischen Eindrücke im Gehirn verarbeitet und ausgewertet werden, so dass Erfahrungen und Stimmungen mit einfliessen. Verschiedene Personen können denselben Gegenstand zwar betrachten, aber die optische Wahrnehmung kann stark voneinander abweichen. 4 Dioptrie: Brechkraft einer Linse; 1 dpt = Kehrwert der Brennweite in Meter 5 Basiswissen Schule Physik, PAETEC-Verlag, S Basiswissen Schule Physik, PAETEC-Verlag, S. 283

6 Theorie Highspeed-Kamera Seite 6 Wir sind beispielsweise auch in der Lage folgenden Text zu lesen, obwohl bis auf die Anfangs- und Endbuchstaben viele Buchstaben vertauscht wurden. Afugrnud enier Sduite an enier Elingshcen Unvirestiät ist es eagl, in wlehcer Rienhnelfoge die Bcuhtsbaen in eniem Wrot sethen, das enizg wcihitge dbaei ist, dsas der estre und lzete Bcuhtsbae am rcihgiten Paltz snid. Der Rset knan ttolaer Bölsdinn sien, und du knasnt es torztedm onhe Porbelme lseen. Das ghet dseahlb, wiel wir nchit Bcuhtsbae für Bcuhtsbae enizlen lseen, snodren Wröetr als Gnaezs. Untersuchungen haben z.b. auch gezeigt, dass kleine Kinder in Abb. 7 kein intimes Paar erkennen, sondern neun Delphine, weil in ihrem Gedächtnis keine Verbindung mit einer solchen Szene vorhanden ist. Abb. 7: optische Täuschung Abb. 8: Pupille im grellen Licht (links) und im Dunkeln (rechts) 7 Alle Gegenstände, die wir betrachten, besitzen eine unterschiedliche Helligkeit. Dies bedeutet, dass die in Richtung Augen fallende Lichtintensität sehr verschieden ist. Das Auge reguliert die einfallende Lichtintensität mit der Iris und der Pupille (siehe Abb. 8). Hinzu kommt, dass die Stäbchen empfindlicher sind als die Zäpfchen, welche erst bei genügender Lichtintensität ansprechen. Für das Farbensehen sind die drei Zäpfchenarten verantwortlich. Eine Zäpfchenart reagiert empfindlich auf rotes, langwelliges Licht, die zweite auf grünes Licht mit mittlerer Wellenlänge und die dritte auf blaues, kurzwelliges Licht. Ist die Lichtintensität, wie beispielsweise nachts zu gering, so sehen wir nur mit den hell-dunkel-empfindlichen Stäbchen. Somit lässt sich auch der Spruch Nachts sind alle Katzen grau nun physikalisch verstehen. 17 Die minimale Lichtenergie, die das Auge noch aufnehmen kann liegt bei 2 10 J und das Auflösungsvermögen des Auges liegt bei ca. 1/60 Grad. Betrachtet man also zwei Punkte in einer Entfernung von 1 m, die einen Abstand von 0.2 mm voneinander haben, so kann man diese gerade noch als getrennte Punkte wahrnehmen. Diese Anordnung entspricht einem Winkel von 1/60 Grad. 7 Basiswissen Schule Physik, PAETEC-Verlag, S. 284

7 Theorie Highspeed-Kamera Seite 7 2. Prinzip der Digitalfotografie Bei der Digitalfotografie verwendet man im Gegensatz zur analogen Fotografie eine digitale Fotokamera oder eine Kamera mit digitaler Rückwand. Anstatt des Aufnahmemediums Film befindet sich ein elektronischer Bildwandler (= Bildsensor) und ein digitales Speichermedium in der Kamera. Die erste wirkliche Digitalkamera wurde 1991 von der Firma Dycam hergestellt und besass den Namen Model ¾. Diese Kamera war erstmals mit einem lichtempfindlichen CCD- Sensor (charge-coupled-device-sensor) und einem Speichermodul ausgestattet, wodurch die direkte Übertragung der Bilder auf den Computer möglich war. Dieses Modell hatte einen schwarz-weiss-aufnahmemodus und eine Auflösung von 376 x 284 Bildpunkten. Bei der Digitalisierung wird ein reales Bild in eine Vielzahl von Bildpunkten, so genannten Pixeln, zerlegt. Dabei muss jedem Pixel genau ein Farbwert zugeordnet werden. Um den Farbwert zu bestimmen wird zunächst das Bild abgetastet und Bildfunktionswerte werden an bestimmten Stellen gemessen. Die Abtastung erfolgt beispielsweise in Quadraten, in denen die Werte gemessen und gewichtet werden. Der errechnete Mittelwert wird dann dem entsprechenden Pixel zugewiesen. Speichert man schlussendlich alle Farbwerte und die zugehörigen Ortskoordinaten in einem zweidimensionalen Array, so ist damit das digitale Bild vollständig beschrieben (siehe Abb. 9). Abb. 9: Digitalisierung eines kontinuierlichen Bildes Zusammengefasst kann man sagen, dass das Prinzip der Digitalisierung darin besteht, dass ein Bild in Bildpunkte zerlegt wird und die Farben in einen digitalen Wert umgewandelt werden. Abb. 10: Prinzip der Digitalisierung Erhöht man die Bildfrequenz, d. h. die Anzahl Bilder pro Sekunde (Frames per Second = fps) immer weiter, so gelangt man bei mehr als 1000 Bildern pro Sekunde zu Highspeed-Aufnahmen. Natürlich sind für diese grosse Anzahl Bilder eine schnelle Speicherung und eine grosse Speicherkapazität unumgänglich. Die Digitalisierung besitzt also zwei Aspekte: Zerlegung eines Bildes in Bildpunkte (Diskretisierung) und Umwandlung der Farbinformation in einen digitalen Wert (Quantisierung).

8 Theorie Highspeed-Kamera Seite 8 3. Bildverarbeitung im Gehirn und in der Kamera Abb. 11: Bildverarbeitung im Gehirn und in der Kamera Lichtstrahlen treffen auf das optische Linsensystem des Auges, wo sie gebrochen werden und auf der Netzhaut ein Bild des Gegenstandes erzeugen. Die Sinneszellen in der Netzhaut wandeln die optischen Impulse in elektrische Impulse um und leiten diese über den Sehnerv ans Gehirn weiter, wo die Impulse ausgewertet werden. Bei der Kamera treffen ebenfalls Lichtstrahlen auf das Linsensystem, werden dort gebrochen und auf dem Fotosensor registriert. Die angegliederte Elektronik macht aus den eintreffenden elektrischen Impulsen ein Bild (siehe Abb. 11). Die Highspeed-Kamera Die Highspeed-Kamera von Nikon ist eine normale Digitalkamera mit hoher Lichtempfindlichkeit und rascher Bildauslösung und -speicherung. Wichtig bei den Aufnahmen ist die Lichtintensität, denn je rascher eine Bildsequenz aufgenommen wird, umso mehr Licht muss vorhanden sein. Man muss also unbedingt für eine ausreichende Beleuchtung sorgen. Bei den Aufnahmen muss die Kamera unbedingt auf einem Stativ befestigt werden! Die Digitalkamera im mobillab zeichnet während 3 Sekunden im Zeitlupenmodus auf. Bilder pro s Auflösung Wiedergabe 120 fps 1280 x s / 30 Bilder pro s 400 fps 786 x s / 30 Bilder pro s 1200 fps 416 x s / 30 Bilder pro s

9 Theorie Highspeed-Kamera Seite 9 Anwendungen: Die Anwendungsmöglichkeiten von Highspeed-Aufnahmen sind sehr vielfältig. Es können beispielsweise folgende Vorgänge beobachtet werden: tropfender Wasserhahn Wasser füllt ein Glas, aber wie? ein Tropfen Farblösung tritt in Wasser ein und verteilt sich dort Wie rasch erfolgt die Neutralisation von Essig (inkl. Phenolphthalein) mit einer Sodalösung? Funktion eines Stossdämpfers bei einem Velo oder einem Mofa Kopfball Luft- oder wassergefüllten Ballon anstechen Eiswürfel trifft auf dem Boden auf Entzündung eines Gasfeuerzeuges oder eines Streichholzes (Funken, Flamme) Abbrechen einer Spaghetti Zerreissen eines Wollfadens Platzen eines Popcorns Auflösung einer Brausetablette in Wasser (inkl. Blasenbildung) Absprung beim Hochsprung Insekten- oder Vogelstart Flug von Insekten oder Vögeln Vibrationen einer Maschine Abperleffekt verschiedener Oberflächen Verformung eines Balls beim Auftreffen auf dem Boden Beispiele: Abb. 12: Pfeilschuss Abb.13: Kafferahmtropfen Videobeispiele auf :

10 Theorie Highspeed-Kamera Seite 10 Quellen und Links: Basiswissen Schule Physik, PAETEC-Verlag, S. 282ff Casio, Triff den perfekten Moment!, Davidhazy Andrew, Introduction to Digital Stroboscopic Motion photography, Eadweard Muybridge, Gaspard-Félix Tournachon (genannt Nadar) ( ), französischer Fotograf, Schriftsteller, Zeichner und Luftschiffer, 1856 Glühbirne; Schuss_gluehbirne.jpg, High speed photography, Mobillab nach Kuiper Pieter, Milk drop, drop_(speed_photo).jpg, O Hare Mick, Do try this at home, The Times, September 27, Preiss Walter, High-speed imaging, high-speed cameras, High-speed Vision, Slow Motion and High Preiss Walter, WP's High-speed Imaging Links, /e/slomolnk.html, Speed Video - what's that?, Stroboskop,