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Hochgeschwindigkeitskamera

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Hochgeschwindigkeitskameras dienen dazu, Vorgänge aufzunehmen, die entweder extrem kurzzeitig sind oder extrem schnell ablaufen oder auch beide Bedingungen erfüllen (Zeitlupe).


Inhaltsverzeichnis

Anwendungen

Hochgeschwindigkeitskameras sind überall dort im Einsatz, wo Bewegungen oder Materialverhalten analysiert werden müssen, die für das menschliche Auge oder herkömmliche Kameras nicht zu erfassen sind. Anwendung finden diese Kameras unter anderen in folgenden Bereichen:

  • in der Grundlagenforschung, z.B um Theorien über Turbulenzen empirisch zu überprüfen, Particle Image Velocimetry (PIV)
  • in der Automobilindustrie, z.B bei Crashtests
  • in der Wehrtechnik, z.B um Verformung von Material unter Beschuss zu analysieren
  • in der Medizin, z.B. um Stimmlippenschwingungen aufzuzeichnen
  • in Produktionsstraßen z.B. bei der Fehlersuche bei maschinellen Verpackungsvorgängen
  • im Maschinen- und Apparatebau
  • Schweißtechnik, Laserschweißen
  • bei der Laborsimulation von Meteoriten-, Mikrometeoriten- oder Weltraummüll-Impaktvorgängen auf Planeten oder Satelliten

Abgrenzung zu herkömmlicher Kamera

Kinofilmkameras belichten 24 Bilder pro Sekunde, bei Fernsehfilmen benutzt man entweder 25 (PAL, SECAM) oder 29,97 (NTSC). Hochgeschwindigkeitskameras belichten bis zu 140.000 Bilder/s, indem sie den Film über ein Prisma laufen lassen, statt einen Verschluss zu verwenden. Dadurch kann eine Sekunde Aufnahmezeit auf über zehn Minuten Wiedergabezeit ausgedehnt werden. Die Belichtungszeit für jedes Einzelbild wird dabei sehr kurz (≤ 1/15.000 s), weshalb mit steigender Bildzahl immer stärkere Lichtquellen benötigt werden. Da derart hohe Bildfrequenzen meist bei extrem kurzen Vorgängen verwendet werden, kommen oft starke Blitzgeräte zum Einsatz.

Mit Hilfe von hochspezialisierten CCD-Kameras kann man sogar Frequenzen bis zu 200 Millionen Bilder pro Sekunde erreichen. Eine volle Sekunde wird hier jedoch nicht aufgenommen; die aufzunehmenden Vorgänge laufen meist innerhalb weniger Mikrosekunden ab.

Auflösung digitaler Hochgeschwindigkeitskameras

Digitale Hochgeschwindigkeitskameras haben einen beschränkten internen Speicher und eine beschränkte Auflösung. In der Aufprallanalyse ist zur Zeit eine Auflösung von 1024 x 768 Pixeln (Bildpunkten) üblich. Hochauflösende Kamerasysteme mit 1536 x 1024 Pixeln oder 1504 x 1128 Pixeln sind erst seit wenigen Jahren auf dem Markt und noch entsprechend teuer. Heutige hochauflösende Kamerasysteme verfügen meist über CMOS-Sensoren, die hohe Auflösung bei geringer Größe und bei geringer Leistungsaufnahme und Wärmeentwicklung ermöglichen. Jede digitale Hochgeschwindigkeitskamera kann die volle Auflösung nur bis zu einer bestimmten Aufnahmegeschwindigkeit liefern, in der Regel 500 oder 1000 B./s. Wird eine bestimmte Aufnahmegeschwindigkeit überschritten, muss die Auflösung reduziert werden, denn der Mikroprozessor der Kamera kann immer nur dieselbe Datenmenge pro Zeit bewältigen. Dabei sind mit heutigen HS-Kameras Frameraten von bis zu 250.000 B/s möglich, wobei dann die sichtbare Auflösung nur noch 128 x 16 Pixel beträgt. Ultra-Hochgeschwindigkeitskameras wie z.B. die Hyper Vision HPV-1 von Shimadzu haben eine konstante Auflösung von 312x260 Pixel bei einer Geschwindigkeit von bis zu 1Mio B/s. Allerdings werden hier nur bis zu maximal 100 Einzelbilder aufgenommen.

Synchronisation mehrerer Hochgeschwindigkeitskameras / 3D-Aufnahmen

Von modernen Hochgeschwindigkeitskameras wird in der Crash-Analyse neben der hohen Aufnahmegeschwindigkeit auch eine hohe Bildsynchronität zwischen mehreren Kameras erwartet. Für eine eindeutige Analyse eines Vorganges muss der Zusammenstoss aus mehreren Perspektiven festgehalten werden. Synchrone Aufnahme aus verschiedenen Perspektiven ist daher unerlässlich. Daher haben alle modernen Hochgeschwindigkeitskameras aus der Crash-Analyse vielfältige Synchronisationsmöglichkeiten. Als Grundvoraussetzung ist natürlich eine exakte Aufnahmegeschwindigkeit mit minimaler Abweichung der Periodendauer zwischen zwei aufeinander folgenden Bildern unerlässlich. Eine Hochgeschwindigkeitskamera arbeitet sehr präzise und muss für hohe Synchronität regelmäßig einer Kalibrierung unterzogen werden. In zunehmendem Maße werden auch Unfallsituationen einer 3D-Analyse unterzogen. Um eine 3D-Hochgeschwindigkeitsaufnahme zu erstellen, werden zwei oder mehr Hochgeschwindigkeitskameras gleichen Typs (der gleiche Kameratyp garantiert gleiche Verarbeitungsgeschwindigkeit der Synchronisationssignale) aus mehreren Perspektiven auf das zu filmende Objekt bzw. den zu filmenden Vorgang gerichtet. Der genannte Vorgang wird mit allen Kameras synchron aufgenommen. Anschließend wird mit einer grafikverarbeitenden Software am Computer aus den mehreren 2D-Aufnahmen eine 3D-Aufnahme errechnet. Für die Berechnung der 3D-Aufnahme ist das synchrone Ablaufen aller beteiligten Kamerasysteme unerlässlich. Selbst Abweichungen der Synchronität im Bereich von wenigen Mikrosekunden [µs] können das Ergebnis der 3D-Aufnahme stark verfälschen.

Belichtung bei digitalen Hochgeschwindigkeitskameras

Ein wichtiger Faktor bei allen Kameraaufnahmen und Fotografien ist die Belichtung. Im Bereich der Hochgeschwindigkeitsaufnahmen ist sie sogar noch wichtiger als in anderen Bereichen der Bilderstellung. Während die handelsüblichen Fotoapparate und Camcorder mit Belichtungszeiten im Millisekunden-Bereich [ms] arbeiten, liegen die Belichtungszeiten von Hochgeschwindigkeitskameras je nach Aufnahmegeschwindigkeit im Mikrosekunden-Bereich [µs]. Generell gilt auch, dass Hochgeschwindigkeitskameras wegen der sehr kurzen Belichtungszeiten viel Licht brauchen, um eine sinnvolle Helligkeitsdynamik und Schärfentiefe zu erreichen. Zu diesem Zweck werden die zu filmenden Objekte sehr stark ausgeleuchtet. Mitunter ist es so, dass die richtige Ausleuchtung der zu filmenden Objekte mehr Aufwand verursacht als der tatsächliche Filmvorgang und die anschließende Bildbearbeitung. Auch führt das intensive Licht für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen oft dazu, dass die zu filmenden Objekte während des Filmvorganges derart heiß werden, dass sie schmelzen oder in Brand geraten können. Besonders bei Crashtests der Automobilindustrie beim Einsatz von Crashtest-Dummys besteht immer die Gefahr, dass die Vinylhaut der Dummys bei langen Aufnahmevorgängen dahinschmilzt. Ein weiteres Risiko ist die Erhitzung der Fahrzeugteile und der Fahrzeugkarosserien. Wird ein zu testendes Fahrzeug zu lange dem intensiven Licht ausgesetzt, erhitzt es sich teilweise auf über 100°C. Zu erwähnen ist im Zusammenhang mit der Belichtung auch, dass schwarzweiß (monochrom) funktionierende Hochgeschwindigkeitskameras bei gleicher Belichtungszeit bis zu drei Mal empfindlicher sind als Farben-Kameras gleichen Typs. Somit müssen bei Farbkameras teilweise um den Faktor 3 längere Belichtungszeiten oder entsprechend stärkere Lichtquellen verwendet werden als bei Schwarzweißkameras.

Funktionsprinzip einer digitalen Hochgeschwindigkeitskamera

Ein Problem bei Aufnahmen mit Hochgeschwindigkeitskameras liegt darin, die Aufnahme im richtigen Moment zu starten, da die zu filmenden Vorgänge sehr kurz und oft schon vorbei sind, ehe sie mit dem menschlichen Auge wahrgenommen werden. Jede Hochgeschwindigkeitskamera verfügt daher über mindestens eine so genannte Trigger-Möglichkeit. Meistens ist dies ein extern eingespeistes elektrisches Signal. Hochgeschwindigkeitskameras verfügen meistens über einen so genannten Ringspeicher. Wird eine Kamera gestartet, so nimmt diese unentwegt mit den eingestellten Parametern auf, bis der Kamera über ein Trigger-Signal mitgeteilt wird, dass der aufzunehmende Vorgang nun stattgefunden hat und die Aufnahme abgeschlossen werden kann. Nach Erhalt des Trigger-Signals wird der noch verbleibende Ringspeicher mit Aufnahmen gefüllt und der Aufnahmevorgang beendet. In der Regel werden die Bilddaten, die vor dem Trigger-Signal im Ringspeicher gespeichert worden sind, verworfen. Lediglich die Bilder nach dem Trigger-Signal werden verwendet. Manchmal sind aber auch die Bilder vor dem Trigger-Signal (Pre-Trigger-Aufnahme) wichtig, und die nach dem Trigger-Signal werden verworfen. Zusätzlich, zu den elektrisch eingespeisten Trigger-Signalen, gibt es bei modernen Kameras auch die Möglichkeit ein Trigger-Signal über das aufgenommene Bild oder über die Position der Kamera einzuspeisen. Einige Hochgeschwindigkeitskameras verfügen über Bild-Trigger. Bei diesen Kameras wird ein Trigger-Signal durch bestimmte Aktionen im Bild ausgelöst. Die Bewegung von Objekten im Bild wird als Aktion durch die Firmware (Software) der Kamera registriert und löst die eigentliche Aufnahme aus (Trigger). Andere Kamerasysteme verfügen aber auch über GPS-Empfänger, die eine Aufnahme auslösen, wenn die Kamera sich an einer bestimmten Position befindet oder diese passiert.

Nach der erfolgreichen Aufnahme werden die aufgenommenen Daten weiterverarbeitet und archiviert. Dazu müssen die einzelnen Bilder aus der digitalen Hochgeschwindigkeitskamera ausgelesen und zusammengefügt werden.

Einsatz von Hochgeschwindigkeitskameras in Crashtests

Auch in der Automobilindustrie werden Hochgeschwindigkeitskameras für die Analyse von Crashtests eingesetzt. Hier werden zumeist sogenannte beschleunigungsfeste Kameras (crash-fest oder HighG-fest) verwendet, die aufgrund ihrer Robustheit gegenüber starken Schlägen und Erschütterungen auch Onboard (Im Fahrzeug oder mit im Versuchsaufbau) ihre Aufgaben erfüllen können. Die Automobilindustrie verwendet vorwiegend digitale Kamerasysteme. Im Bereich der Crash-Analyse werden die Hochgeschwindigkeitsaufnahmen mit 500 oder 1000 Bildern pro Sekunde durchgeführt, wobei 1000 Bilder pro Sekunde Standard sind. Bei einer Aufnahmegeschwindigkeit von 1000 fps ist der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Bildern (Periodendauer) 1 Millisekunde [ms] lang. Höhere Aufnahmegeschwindigkeiten als 1000 fps sind in Standard-Crashtests nur selten erforderlich und werden meist nur für die Aufnahme von Airbagausfaltungen oder noch schnelleren Vorgängen verwendet. Da der Speicher einer digitalen Hochgeschwindigkeitskamera begrenzt ist, kann eine solche Kamera auch nur begrenzt lange aufnehmen. Wenn eine Kamera z.B. 1500 Bilder in einer bestimmten Bildauflösung speichern kann ist eine Aufnahme mit 1000 fps nach 1,5 Sekunden [s] beendet. Würde man eine Aufnahme mit 10000 fps durchführen, ist die Aufnahme bereits nach 150 Millisekunden [ms] beendet. Will man einen Vorgang über längere Zeit hinweg aufnehmen und analysieren ergeben sich somit bei sehr schnellen Vorgängen und Aufnahmegeschwindigkeiten große Probleme.

Mechanische Belastbarkeit von Hochgeschwindigkeitskameras in Crashtests

In Crashtests der Automobilindustrie werden an Hochgeschwindigkeitskameras hohe Anforderungen bezüglich der mechanischen Belastung gestellt. Dazu werden Crash-feste Hochgeschwindigkeitskameras eingesetzt, welche eine hohe Beschleunigung von bis zu 100 [g] (100fache der Erdfallbeschleunigung) in alle Achsen über einen Zeitraum von bis zu 5 [ms] aushalten können. Zudem müssen diese beschleunigungsfesten (Crash-festen) Kameras eine solide Anbindungsmöglichkeit an die Umgebungsstrukturen bieten. Natürlich muss eine Crash-feste Hochgeschwindigkeitskamera auch ein gegen Schläge robustes Gehäuse aufweisen. Zudem spielen chemische Beständigkeit des Gehäuses und Schutz vor Staub und anderen Fremdkörpern eine wichtige Rolle. Auch die zu verwendenden Objektive müssen hohe Belastungen aushalten können. Sehr wichtig ist auch eine Unempfindlichkeit gegenüber der Umgebungstemperatur und der umgebenden Luftfeuchtigkeit. Die meisten digitalen Hochgeschwindigkeitskameras haben einen Temperatursensor im Gehäuse, der die Kamera zum Selbstschutz ausschaltet, wenn diese zu heiß wird.

Objektive und digitale Hochgeschwindigkeitskameras

Hochgeschwindigkeitskameras benötigen angemessene Objektive. In Crashtests werden für die so genannten Onboard-Aufnahmen (Mitfahrend im Versuchsaufbau bzw. im Fahrzeug) nicht nur Crash-feste Hochgeschwindigkeitskameras eingesetzt sondern auch Crash-feste Objektive. In der Regel sind es Standard-Objektive gängiger Hersteller, die von den Herstellern der Hochgeschwindigkeitskameras geprüft und für geeignet erklärt worden sind. Zoom-Objektive bzw. Objektive mit verstellbarer Brennweite können nicht Onboard eingesetzt werden, da diese grundsätzlich nicht Crash-fest sein können. Zoom-Objektive sind gegenüber Objektiven mit fester Brennweite wesentlich komplizierter aufgebaut und haben im Inneren eine empfindliche Feinmechanik zum Einstellen der Entfernungen zwischen den einzelnen Optik-Segmenten (Linsen) des Objektives. Die besagte Feinmechanik im Inneren eines Zoom-Objektives kann die hohen Beschleunigungen eines Crashtestes in der Regel nicht aushalten. Zudem sind Zoom-Objektive wesentlich größer und schwerer als Festbrennweitenobjektive, so dass das Gewicht und die Größe des Objektives durch höheres Kippmoment bzw. höhere Seitenkraft dessen Befestigung an der Kamera beschädigen kann. Für den stationären Einsatz werden Zoom-Objektive jedoch bevorzugt genommen, da diese eine hohe Flexibilität beim Einstellen des Bildausschnittes liefern.

Ganz wichtig im Bezug auf Objektive ist auch die Lichtstärke eines Objektives. Bei Hochgeschwindigkeitskameras in Crashtests gilt: Je größer desto besser! Die Lichtstärke gibt indirekt die Lichtdurchlässigkeit eines Objektives wieder. Da man bei Hochgeschwindigkeitskameras mit geringen Belichtungszeiten und hohem Beleuchtungsaufwand arbeiten muss sind Objektive mit hoher Lichtdurchlässigkeit zu bevorzugen. In der Regel werden Objektive mit Lichtstärken von 1:1,2 über 1:2,8 bis 1:4 eingesetzt. Bei Zoom-Objektiven muss darauf geachtet werden, dass die über die Blende eingestellte Lichtstärke über den gesamten Zoom-Bereich gleich bleibt. Zudem haben Zoom-Objektive aufgrund der höheren Anzahl an Linsen geringere Lichtstärken gegenüber den Objektiven mit fester Brennweite. Leider richtet sich der Preis eines Objektives sehr stark an dessen Lichtstärke. Teilweise wird jede noch so kleine Steigerung der Lichtstärke durch Verdoppelung oder Verdreifachung des Preises erkauft. Zoom-Objektive mit über den gesamten Zoom-Bereich gleich bleibenden Lichtstärken kosten teilweise bis zu 5 mal mehr als gleiche Zoom-Objektive mit gleitender (sich verändernder) Lichtstärke. Oft muss ein Kompromiss getroffen werden.

Was den Wert der Brennweite betrifft sollte man sich an den gegebenen Anforderungen und den gewünschten Bildausschnitten orientieren. Zu beachten ist lediglich, dass Objektive mit geringer Brennweite (<= 16 [mm]), also Weitwinkel-Objektive, das Bild an den Rändern stark verzerren und so eine Analyse der Aufnahme erschweren. Objektive mit zu großen Brennweiten (>= 200 [mm]), also Teleobjektive, können auch nur bedingt eingesetzt werden, da die Lichtintensität mit zunehmender Entfernung stark abnimmt und eine Belichtung mit Hochgeschwindigkeitskameras erschwert wird. In Crashtests werden Objektive mit Brennweitenbereichen von 4 [mm] bis ca. 100 [mm] eingesetzt, so dass Entfernungen von 0,3 [m] bis ca. 15 [m] zum zu filmenden Objekt problemlos abgedeckt werden.

Siehe auch

Weblinks

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