Digitale hoch auflösende Zeitlupenkameras

Diplomarbeit von Hagen Schönherr

Einleitung:

1911 ist in einer euphorischen Veröffentlichung der Wiener Theaterzeitschrift ‘Der Strom’ zur ‘Wertung des Kinematographen’ zu lesen:

‘Solcherart scheint mir die Kinematographie als optisches Phänomen etwas durchaus Verwandtes dem akustischen Phänomen, das wir Musik nennen. […] diese Schwingung hat die mysteriöse Kraft, unseren ganzen inneren Menschen in Bewegung zu setzen […]. Beim Kinematographen […] tritt etwas Ähnliches ein. Eine […] Befruchtung aller übrigen Sinne durch die Reizung des einen optischen Sinnes’.

Alfred Polgar, 1911.

Dieser Auszug zeigt das Bestreben der Filmemacher schon in Frühzeiten der Kinofilmproduktion Geschichten mit großer visueller Kraft im Film umzusetzen. Emotionen sollen beim Zuschauer nicht nur hervorgerufen, sondern auch dramaturgisch gelenkt werden. Die Filmtechniker suchen nach immer neuen technischen Gestaltungsmitteln. Der Chemnitzer Filmpionier und Kameramann Guido Seeber baut die später berühmten Babelsberger Filmstudios mit auf. Vor allem in den zwanziger Jahren dreht er mit den Regisseuren Fritz Lang, G.W. Pabst oder den Schauspielerinnen Greta Garbo und Asta Nielsen Filmklassiker wie ‘Die freudlose Gasse’. In einem Interview im Jahre 1925 kommt die frühzeitige Nutzung von an der Kamera mechanisch erzeugten Filmeffekten zur Sprache:

‘Ich steigere oder mindere gern je nach der Handlung der betreffenden Szene das Drehtempo. So habe ich z.B. einmal eine Jazzbandkapelle gedreht, deren Neger blitzartig in die Luft sprangen, aber ganz langsam gleichsam auf die Erde ‘niederschwebten’.

Guido Seeber, 1925.

Das angesprochene Zeitlupenprinzip ‘verlangsamt’ für die menschliche Wahrnehmung zu schnell ablaufende Prozesse durch eine gewollte Differenz zwischen Aufnahme- und Wiedergabebildfrequenz.

Die Filmaufnahme wird dafür mit hohen Bildwechselfrequenzen durchgeführt. Die als Zeitlupenaufnahme bezeichnete Bildsequenz wird anschließend mit der Normalgeschwindigkeit des Wiedergabemediums – bei Kinofilmen 25 Bilder pro Sekunde – abgespielt. Als resultierender Effekt ist der gefilmte Vorgang nun zeitlich ‘gedehnt’. Dieser ungewohnte Blick auf Prozessabläufe lässt die Aufnahmen besonders eindringlich beim Zuschauer wirken. So erhalten beispielsweise gefilmte Explosionen eine noch größere bildliche Wucht, da physikalische Kräfte quasi plötzlich ‘sichtbar’ werden.

Diese Zeitlupenaufnahmen waren bis heute fast ausnahmslos Filmkameras vorbehalten. Videosysteme konnten die von Film realisierbaren Bildfrequenzen und dessen gute Abbildungseigenschaften bisher nicht erreichen. Allerdings sind derartige Spezialaufnahmen wegen des hohen Filmmaterialverbrauchs und den damit verbundenen Kosten sehr teuer.

Inzwischen drängen digitale Videokamerasysteme mit hohen Bildwechselfrequenzen aus dem Industriebereich auf den Film- und Fernsehtechnikmarkt. Die Nennauflösungen der Bildwandler erreichen inzwischen die gerade in der Diskussion stehenden HDTV Auflösungen.

Den entscheidenden ökonomischen Vorteil sehen die Hersteller in der digitalen Videoaufzeichnung. Durch die sofortige Verfügbarkeit können Aufnahmen direkt am Set kontrolliert und gegebenenfalls sofort wiederholt werden.

Digitale Zeitlupenkamerasysteme erscheinen nicht nur durch diesen Vorteil geradezu prädestiniert Zeitlupenfilmkameras abzulösen.

Die vorliegende Diplomarbeit untersucht, inwieweit heute auf dem Markt befindliche hoch auflösende digitale Zeitlupenkameras für den Einsatz in der Film- und Fernsehproduktion geeignet sind.

Wie sich im Verlauf der Recherche zeigte, genügt eine alleinige Gegenüberstellung der technischen Daten nicht, eine objektive Bewertung durchzuführen.

Die Diplomarbeit gibt dem Rezipienten ein Werkzeug zur generellen Beurteilung von digitalen Zeitlupenkamerasystemen in die Hand. Dies wird erreicht, durch eine umfassende Betrachtung des Themas bis hin zu technologiebedingten Problemen für die Filmproduktion.

Der Systembetrachtung voraus geht eine Erörterung der grundlegenden Qualitätsanforderungen an Zeitlupenaufnahmen. Ein Marktüberblick stellt die zur Filmproduktion empfohlenen Systeme mit ihren technischen Spezifikationen vor. Bisher realisierte Filmprojekte werden exemplarisch vorgestellt. Die Erläuterung der Kamerasystemkomponenten im Einzelnen schafft die Bewertungsgrundlage.

Die recherchierten Systeme werden anhand ihrer technischen Parameter im Hinblick auf die Anforderungen der jeweiligen Zielanwendung eingeordnet.

Abschließend wird beurteilt, inwieweit die neue Kameratechnologie für die Filmproduktion verwendbar ist.

Als HDTV Standards werden die durch die EBU empfohlenen Formate 1080i, 1080p und 720p in dieser Diplomarbeit verwendet. Für Berechnungen von Datenmengen wird der seit dem Jahr 2000 geltende IEC Standard 60027-2 angewendet. Angaben in der Fachliteratur werden im Original übernommen.

Inhaltsverzeichnis:

	REFERAT	I
	INHALTSVERZEICHNIS	II
	GEGENSTAND DER DIPLOMARBEIT	1
2.	KONVENTIONELLE ZEITLUPENKAMERASYSTEME	4
2.1	Filmkameras	4
2.2	Slow Motion Fernsehkameras	9
3.	ANFORDERUNGEN AN DIE ZEITLUPENKAMERASYSTEME	13
3.1	Relevante Bildauflösungen für Film und HDTV	13
3.2	Erforderliche Bildwechselfrequenzen für Zeitlupenaufnahmen	15
4.	MARKTSITUATION	21
4.1	Digitale Zeitlupenkamerasysteme	21
4.2	Einsatz in der Film und TV Produktion	32
5.	DAS DIGITALE ZEITLUPENKAMERASYSTEM	39
5.1	Systemkomponenten	39
5.2	Technische Spezifikationen der recherchierten Kameras	41
5.3	Bildaufnahme	42
5.3.1	Objektivwechselstellen	42
5.3.2	Bildsensor	45
5.3.3	Bildwechselfrequenzen und Shutter	49
5.3.4	Dynamikumfang	52
5.3.5	Trigger und Aufnahmekapazität	55
5.4	Bilddatenaufzeichnung	58
5.4.1	Datenhandling	58
5.4.2	Farbbilderzeugung	63
5.4.3	Dateiformate	68
5.4.4	Metadatenintegration am Beispiel Timecode	73
5.4.5	Hostsysteme	77
6.	ANALYSE DER PRODUKTIONSPRAXIS	83
6.1	HDTV Formatanpassung	83
6.2	Farbraumkonformität	90
6.3	HDTV Aufzeichnungsträger	97
6.4	High Definition Postproduktionsumgebungen	102
6.5	Outside Broadcast Produktionen	105
6.6	Besonderheiten bei digitalen Zeitlupenaufnahmen	110
6.6.1	Beleuchtungsaufwand	110
6.6.2	Oszillieren der Beleuchtungsstärke	119
6.6.3	Adäquates Monitoring	127
7.	BEWERTUNG DER SYSTEME	139
7.1	Allgemeiner Beurteilungskatalog	139
7.2	Cine Speedcam	141
7.3	Tornado	143
7.4	NAC HD-HS300P	145
7.5	Weisscam HS1, PCO1200hs	146
7.6	Industriekamerasysteme	147
8.	AUSBLICK	148
	Glossar	IV
	Literaturverzeichnis	V

Textprobe:

Kapitel 3.2, Erforderliche Bildwechselfrequenzen für Zeitlupenaufnahmen:

Mit dem Begriff von Zeitlupen- oder auch mit High Speed Aufnahmen bezeichneten Filmsequenzen werden die unterschiedlichsten Bildwechselfrequenzen in Verbindung gebracht.

Im Film- und Fernsehbereich wird der Begriff auf leichte Zeitlupeneffekte bis 150fps von herkömmlichen Filmkameras oder auf Slow Motion Aufnahmen von Fernsehkameras mit 100Hz bezogen. In der wissenschaftlichen Anwendung kann die Bezeichnung ‘High Speed’ Bildwechselfrequenzen von 10.000fps oder mehr meinen. Um Zeitlupenaufnahmen als Begriff zu definieren Bedarf es der näheren Betrachtung von relevanten Bildfrequenzen für die Aufnahme von schnellen Vorgängen.

Ein wichtiger Punkt zur Beurteilung benötigter Bildfrequenzen rückt oft in den Hintergrund – die Bildwechselfrequenz der Wiedergabe als Basis des Zeitdehnungsfaktors. Die EBU empfiehlt folgende Wiedergabebildfrequenz für anzustrebende europäische HDTV Standards:

Bildfrequenz – Format – Spezifikation – Anwendung:

50fps 720p/50 1280x720; progressiv Sport, Fernsehspielfilm, 50fps 1080p/50 1920x1080; progressiv noch in Erprobungsphase, 50 fields/s 1080i/50 1920x1080; interlaced Fernsehspielfilm, Dokumentationen, 25fps 1080p/25 1920x1080; progressiv Kinofilm.

Die Zukunftsperspektive im Hinblick auf die Migration von HDTV in Europa ist laut EBU das 1080p/50 Format und vorläufig das 720p/50 Format. Je nachdem wie der derzeitige Formatkonflikt ausgehen wird, der wichtigste Punkt im Hinblick auf High – Speed – Aufnahmen erscheint eindeutig. Die Bildwechselfrequenz ist bei allen Standards mit 50 progressiven Einzelbildern pro Sekunde festgelegt.

Der 1080i/50 Standard stellt die gleiche Anforderung an die zeitliche Auflösung, nur dass hier die Hälfte der Bildinformation durch das Zeilensprungverfahren ungenutzt bleibt.

Der Kinofilm hat traditionsgemäß eine Bildwechselfrequenz von 24 Bildern pro Sekunde.

Ausgehend davon ist der Zeitdehnungsfaktor zu berechnen:

x Wiedergabebildfrequenz gleich Bildwechselfrequenz Zeitlupenkamera geteilt durch Bildwechselfrequenz Wiedergabeformat.

für Kinoanwendungen gilt demzufolge:

x24 gleich Bildwechselfrequenz High Speed Kamera (fps) geteilt durch 24 fps.

für HDTV entsprechend:

X50 gleich Bildwechselfrequenz High Speed Kamera fps geteilt durch 50 fps.

Mit der Thomson Slow – Motion Studiokamera LDK 6200 bei maximalen 120 Halbbildern pro Sekunde ist physisch nur ein Zeitdehnungsfaktor von 1:2,4 bei 50fps Wiedergabe erreichbar. Gegenüber einer dreifachen, interpolierten Slow Motion Wiedergabe von Studiorekordern wird damit nur ein vergleichbarer Zeitdehnungsfaktor erreicht.

Selbst die Bildwechselfrequenz der geplanten SONY ‘HD Super Slow – Motion’ im 180i Modus entspricht bei 50fps Wiedergabe nur einer dreifachen Zeitlupe. Bei HDTV Produktionen mit progressiver Bildabtastung nutzt das Zeilensprungverfahren nur die halbe vertikale Auflösung der 1080 Zeilen aus. Die progressive Videoumwandlung kann darüber hinaus noch zu Bildartefakten führen.

Die Forderung nach höheren Bildraten liegt nahe. Erfahrungen zu benötigten Bildwechselfrequenzen für Bewegungsvorgänge bei Lebewesen wurden überwiegend in der Bio- und Sportwissenschaft gesammelt. Stanley Plagenhoef forschte an der University of Michigan in den 50ger Jahren zur Kombination von Anatomie und Biomechanik. Der Bewegungsanalyse von Sportlern mit High Speed Kameras galt sein Hauptaugenmerk. Seiner Meinung nach reichen zur Aufnahme eines Schwimmers schon 64fps aus, aber im Kontrast dazu werden für den Abschlag eines Golfballs mindestens 7000fps empfohlen. Durch die kontinuierliche Forschungsarbeit bis in die 60er Jahre entstand eine Sammlung von relevanten Bildraten zu den verschiedensten Sportarten.