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

Stroboskop
SpeedFlash IV (LED-Stroboskop)

Dem Stroboskopeffekt entkommt man nicht so leicht. Besonders nicht mit einer Hochgeschwindigkeitskamera. Beleuchtungsquellen von denen man es nie erwartet hätte, beginnen auf einmal zu blinken. Man scheint gar kein Stroboskop zu brauchen. ;-)

Die Nenn- oder Effektivspannung von 230 V des Stromnetzes pendelt 50 mal pro Sekunde zwischen den um √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). Eventuell sogar mit 100 Hertz, da es pro Schwingung zwei Nulldurchgänge geben kann.

 

Warum Beleuchtungen flackern können

Kutschenradeffekt

Rollierender Verschluss Artefakte

Ruckelnde Wiedergabe

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Warum Beleuchtungen flackern können

Die üblichen Glühlampen und vergleichbare Leuchtmittel sind zu träge, als dass die Frequenz des Wechselstromnetzes sichtbar werden würden. Und natürlich sind unser Augen 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.

Abtasttheorem (Nyquist-Shannon-Kotelnikov)
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, also dem zeitlichen Versatz.
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 unter Kunstlicht oder direkt bei den LED Scheinwerfern von Rennwagen, da diese gepulst betrieben werden.

Erst wenn man die Belichtungszeit der Videokamera (stark) reduziert, schmälere grauen Flächen und breitere weiße in der obigen Abbildung, kann man sie auch zum Flackern bringen. Bei geschickt aufeinander abgestimmten Frequenzen (synchronisiert) 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. Glühbirnen oder Halogenlampen mit 50 Hz tun es wegen ihrer Trägheit normalerweise beim Einsatz für technische Aufnahmen aber auch.

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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 oder wenigstens ein oder mehrere Speichensegment(e) 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.

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Rollierender Verschluss Artefakte

Durch den Einsatz eines rollierenden Verschlusses (engl.: rolling shutter), wie ihn zahlreiche Videosensoren aufweisen, können ganz skurrile Aufnahmen entstehen. Anders als beim globalen Verschluss (engl.: global oder freeze frame shutter), wird ein Einzelbild (engl.: frame) nämlich nicht zu ein und demselben Zeitpunkt aufgenommen, sondern eine Art Vorhang senkt sich verhältnismäßig langsam über den Sensor. Während man seit der Röhrenfernseher Ära im Zeilensprungverfahren (engl.: interlaced) zwei solcher um 1/50 Sekunden auseinanderliegende Halbbilder (engl.: fields) kammartig ineinander schiebt, sind es nun etliche zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommene Bildstreifen aus denen sich jede einzelne Aufnahme zusammensetzt. Selbst ein Progressive-Mode 100 Hz oder 200 Hz Bildschirm kann diesen Effekt nicht nachträglich unterdrücken.
Als Ergebnis werden drehende Propellerblätter sichelförmig, verschwinden zeitweise oder scheinen zu springen. Es gibt auch künstlerische Anwendungen, bei denen z.B. Wasser in Spiralform zu Boden zu laufen scheint.

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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 und viel weißer Zwischenraum) dafür sorgen, dass Bewegungen abgehackt wirken, weil von Bild zu Bild, also von Foto zu Foto, zu viel Ortsveränderung stattfindet und damit zu viel ausgeblendet wird. (Wobei wir wieder beim Daumenkino wären.)

Das manchmal seltsame Aussehen und das vermeintlich eigenartige Verhalten von kleinen Wasserwellen in Filmen oder im Fernsehen rühren wiederum vom Abtasttheorem her.

 



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Stand: V9.0, 2017-03-02


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