Autor
Hagen Schönherr
Digitale hoch auflösende Zeitlupenkameras
Für die Film- und HDTV Fernsehproduktion
ISBN: 978-3-8366-3894-4
Herstellung: Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2010
Zugl. Hochschule Mittweida (FH), Mittweida, Deutschland, Diplomarbeit, 2005
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© Diplomica Verlag GmbH
http://www.diplomica.de, Hamburg 2010
II
INHALTSVERZEICHNIS
REFERAT
I
INHALTSVERZEICHNIS
II
1. 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
III
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
1
1. GEGENSTAND
DER
DIPLOMARBEIT
1911 ist in einer euphorischen Veröffentlichung der Wiener Theaterzeitschrift ,,Der
Strom" zur ,,Wertung des Kinematographen" zu lesen:
1
,,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".
2
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"."
3
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
1
Polgar (1911), S. 55
2
Stiftung Deutsche Kinemathek (1979), S. 87
3
Kossowsky (1925), S. 127
2
,,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.
3
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
4
1080i, 1080p
und 720p in dieser Diplomarbeit verwendet. Für Berechnungen von Datenmengen
wird der seit dem Jahr 2000 geltende IEC Standard 60027-2
5
angewendet. Angaben
in der Fachliteratur werden im Original übernommen.
4
vgl. EBU Tech 3299
5
IEC 60027-2, Second Edition, 2000-11: 1MB = 1.000kB = 1.024 KiB usw.
4
2.
KONVENTIONELLE ZEITLUPENKAMERASYSTEME
2.1
Filmkameras
Die Wissenschaft macht sich Zeitlupenaufnahmen zu nutze, um Bewegungsanalysen
verschiedenster Art zu erstellen. Als eine der ersten Zeitlupenaufnahmen gelten die
berühmten Bilderserien von Eadweard Muybridge. Der Eisenbahnbaron und spätere
Universitätsgründer Leland Stanford heuerte 1872 den Landschaftsfotografen an, um
am Beispiel von Rennpferden eine Bewegungsanalyse zu fotografieren. Er wollte
wissen, ob es im Galopp einen Moment gibt, in dem sich alle vier Pferdehufe in der
Luft befinden. Muybrigde verkoppelte 12 Fotoapparate, die zeitlich versetzt ausgelöst
wurden. Am 10. Juni 1878 fertigte der Fotograf die berühmte Fotoserie ,,The Horse in
Motion" an.
6
Spätere Filmkamerasysteme erreichten durch unterschiedliche Verfahren
Bildwechselfrequenzen bis in den Millionenbereich. Durch die hohen Stückkosten
dieser Spezialsysteme lag der Einsatzzweck überwiegend in der Militärforschung.
7
6
www.masters-of-photography.com; Stand: 22.09.05
7
Steinmetz (1994), S. 824
Abb. 1: Muybridge: The Horse in Motion
Quelle: www.masters-of-photography.com; Stand: 07.07.2005
5
Die Bildqualität spielte dabei eine untergeordnete Rolle, da die Auswertung rein für
wissenschaftliche Zwecke bestimmt war.
Die Filmindustrie nutzt Zeitlupenaufnahmen vor allem für
Wissenschafts-, Werbe- und Spielfilme. KODAK brachte
1932 die erste kommerzielle 16mm Zeitlupenkamera mit
Rotationsprisma auf den Markt. Die Kamera wurde für
Slow Motion Aufnahmen der Olympischen Spiele 1932 in
Los Angeles erstmals eingesetzt. Die Aufnahmen fanden
später in Werbefilmen eine weitere Verwertung.
8
Ein traditionsreicher Hersteller für Filmzeitlupenkameras
ist die kalifornische Firma Photosonics, die in den
dreißiger Jahren mit der Filmindustrie durch die
Herstellung von Spezialkameras für Disney
Animationsfilme in Kontakt kam.
9
Die für den Kriegsfilm ,,Tora, Tora, Tora" eingesetzte
35mm Photosonics 4E - Zeitlupenkamera brachte den
Durchbruch in den Spielfilmsektor. Die Kamera besitzt
ein Präzisionsdoppelgreiferwerk und erreicht
Bildfrequenzen bis 360 Bilder pro Sekunde. Die Version
4ER ist die konsequente Weiterentwicklung mit
Videoausspiegelung und Reflexsucher.
Für die Filmproduktion eingesetzte High Speed Filmkameras arbeiten typischerweise
mit zwei verschiedenen Aufnahmeverfahren. Der intermittierende Filmtransport
realisiert eine schrittweise Belichtung mittels Greiferwerk. Wegen der begrenzten
mechanischen Filmfestigkeit werden fast ausschließlich doppelseitig perforierte
Filmmaterialien eingesetzt und nur Filmgeschwindigkeiten bis 600 Bilder pro
Sekunde realisiert.
10
8
Steinmetz (1994), S. 824
9
www.photosonics.com/Sales_HTLM/history.htm, Stand: 5.08.2005
10
Locher (1983), S. 2
Abb. 3: Photo-Sonics 4E
Quelle: www.photosonics.com/
index.htm; Stand 6.08.05
Abb. 2: Aufnahme Photosonics
16mm-1PL
Quelle: www.photosonics.com;
Stand 6.08.05
6
Filmkameras für höhere Bildfrequenzen
haben einen kontinuierlichen
Filmtransport. Die Bildnachführung mittels
eines rotierenden Prismas bewirkt, dass
keine Relativbewegung des Lichtstrahls
gegenüber dem sich bewegenden Film
auftritt.
11
Gleichzeitig erfüllt das
Prismenprinzip die Funktion des
Verschlusses.
Einschränkend für die Filmproduktion ist
der ungenauere Bildstand
12
, dessen
Varianz mit höheren Bildfrequenzen immer weiter
zunimmt.
Der intermittierende Filmtransport bietet gegenüber
den Rotationsprismenkameras die bessere
Bildqualität. Die Firma AUDI verwendete die mit
Greiferwerk ausgestattete LOCAM
13
16mm
Zeitlupenkamera, um aus Zeitlupenfilmaufnahmen
auch Standbilder für Werbebroschüren heraus zu
vergrößern.
14
Die Firma Action Concept aus Hürth produziert nach
eigenen Angaben jährlich circa 27 Stunden TV
Serien und TV Filme auf 16mm Film.
15
Die auf Stunt Filmaufnahmen spezialisierte Filmproduktionsfirma integriert in jede
Serienfolge circa drei Zeitlupeneinstellungen, die ausschließlich auf Film mit
Photosonics Kameras gedreht werden. Als 16mm Negativfilmmaterial wird
ausschließlich Kodak Vision 500T (7279) verwendet.
16
11
vgl. Locher (1983), S. 2
12
Viander (2005), Email 11.07.2005
13
maximal 500fps
14
Steinmetz (1994), S. 827
15
Keller (2005), Email 19.07.05
16
Viander (2005), Email 17.06.05
Abb. 4: Hycam-Rotationsprismen-Kamera
Quelle: Weinberger AG, 1981
Abb. 5: intermittierender Filmtransport
der Redlake LOCAM Kamera
Quelle: Weinberger AG, 1981
7
Wegen ihrer Kompaktheit schätzen Filmemacher 16mm Locam Kameras.
17
Die
maximale Bildrate beträgt 500fps. Darüber hinaus existieren andere Fabrikate wie
HyCam, Milliken usw. die gelegentlich für Aufnahmen im Film- und TV Bereich
eingesetzt werden, aber eher für den industriellen Einsatz gedacht waren.
Kameratyp Photosonics
4ER
Photosonics
4B,C
Photosonics
Actionmaster 500
Red Lake
LOCAM
Format
Full 35mm
Full 35mm
Normal 16mm;
Doppelseitige
Perforation
18
Normal
16mm;
Doppelseitige
Perforation
Frame Raten
6 360fps
Phase Lock:
25 240fps
85 3250fps
19
Phase Lock:
100 1000fps
10 500fps
16 500fps
Belichtungsprinzip Intermittierend
Rotationsprisma Intermittierend
Intermittieren
d
Suchersystem Einschwenkbarer
Reflexsucher,
Videoausspiegelung
Einschwenkbarer
Reflexsucher
Reflexsucher,
Strahlteiler für
Videoausspiegelung
Objektiv Mount
Photo-Sonics
Bajonett
thread-
interrupted
bayonet
ARRI Bayonett
C Mount
Filmmagazine
(in ft)
500, 1000
darkroom load
1000
daylight load
200, 400, 1200
daylight load
200, 400
daylight load
Tab. 1: Eingesetzte Film High Speed Kameras für die Filmproduktion
Quelle: Weinberger (1981a), S. 4ff
17
Fromm (2005), Gespräch 4. Mai 2005
18
auch als Super16 Version bis 200fps
19
Synchron Geschwindigkeitskontrolle nur bis 2000fps
Abb. 8: Photo-Sonics 4C
Quelle: www.photosonics.com;
Stand: 6.08.05
Abb. 7: Photo-Sonics Actionmaster 500
Quelle: Lorenze (2004), S. 70
Abb. 6: Redlake Locam
Quelle: Weinberger (1981), S. 1
8
Neben den zwei vorgestellten Aufnahmeverfahren
existiert für Filmzeitlupenkameras noch das
Trommelprinzip. Nach eigenen Angaben ist die Cordin
Company weltweit der einzige Hersteller solch eines
Kameramodells. Nathan Nebecker, der Sohn des
Firmengründers, modifizierte eine ursprünglich für
militärische Anwendungen konzipierte
Trommelkamera.
20
Die ,,Millisecond" erreicht
Bildwechselfrequenzen bis 12.000 Bilder pro Sekunde
durch schnelle Rotation einer Trommel mit
inliegendem Filmstreifen.
21
Die Filmlänge ist durch den
inneren Umfang der Trommel bestimmt und beträgt
120 Filmeinzelbilder.
22
Die Belichtungssteuerung muss bei Trommelkameras sehr
genau sein, um Doppelbelichtungen zu vermeiden. Außerdem müssen sehr kurze
Belichtungszeiten gewählt werden, da sonst Bewegungsunschärfen zu erkennen
sind.
23
Der Objektivanschluss ist für ARRI PL
24
, PANAVISION PV
25
oder Nikon
Bajonett ausgelegt. Eine Videoausspiegelung ist vorhanden. Die Bildauflösung von
Trommelkamerasystemen wird entgegen den Herstellerangaben mit etwa 40
Lp/mm
26
beziffert. Dieser Wert entspricht nur der Hälfte der möglichen Auflösung
moderner Filmnegative.
27
Das Handling von Zeitlupenfilmkameras erfordert gut geschultes Fachpersonal, da
allein das Einlegen des Filmmaterials ein ,,mühseliges" Unterfangen ist.
28
Nicht zu
unterschätzen ist der Erfahrungsschatz der Zeitlupenkameraleute bei solchen teuren
Dreharbeiten, da Fehler bei der komplizierten Belichtungsmessung bzw. Beleuchtung
erst nach der Filmentwicklung ,,ans Licht kommen".
Die entscheidenden Kostenfaktoren liegen bei Zeitlupenfilmaufnahmen im
Filmmaterial, Beleuchtungsaufwand, Kopierwerk und der anschließenden Abtastung
20
www.millisecond.com; Stand: 03. Juli 2005
21
www.millisecond.com; Stand: 03. Juli 2005
22
Millisecond Kamera: 228cm
23
Locher (1983), S. 3
24
positive lock
25
Panavision (PV)
26
Locher (1983), S. 3
27
Slansky (2004), S. 82
28
Viander (2005), Email 11.07.2005
Abb. 9: Millisecond Trommelkamera
Quelle: www.millisecond-cine.com;
Stand: 3.07.05
9
für die digitale Postproduktion. Je nach Magazingröße und Filmgeschwindigkeit
können ganze Filmrollen für eine Aufnahme gebraucht werden.
Allein der Mietpreis für eine Photosonics Kamera mit erfahrenem Operator kann bis
zu 10.000 Euro pro Drehtag betragen.
29
2.2
Slow Motion Fernsehkameras
Fernsehübertragungswagen sind neben
Studiokameras mit festgelegten Bildraten
entsprechend der Fernsehnorm
30
mit so genannten
,,Superslomo" Kameras ausgerüstet. Gerade im
Sportbereich liefern die Zeitlupenaufnahmen
Wiederholungen von schnellen Ereignissen, wie
Torschüssen und zeigen dem Fernsehzuschauer
eindringlich emotionale Höhepunkte.
31
Ein Modell im SDTV
32
Bereich ist die LDK23 HS
von Thomson, die es erlaubt im PAL
33
Modus mit
150 Halbbildern und im NTSC
34
Betrieb mit 180
35
Halbbildern pro Sekunde aufzunehmen.
Die Übertragung der ,,Slomo" Aufnahmen von der
Kamera zur CPU
36
erfolgt mittels analogem
Komponentensignal in ,,Super Bandwith Modulation"
über ein Triax Koaxialkabel
37
. Die Ausgabe des
150i Videosignals aus der Kamerakontrolleinheit
erfolgt in Echtzeit durch die Aufteilung der Field -
Rate mittels Field Interleaving auf drei SDI Standardschnittstellen
38
.
29
Porta, Email 8. Juli 2005
30
50i oder 60i Betrieb
31
vgl. Professional Production (07+08/05), S. 32
32
standard definition television
33
phase alternation line
34
National Televisions Systems Committee
35
Wegen 59,94Hz exakt 179,82Hz
36
central processing unit
37
doppelt abgeschirmte Leitung zur Übertragung aller Kamerasignale
38
serial digital interface
Abb. 10: MK23-HS SuperSlomo
Kamerasystem
Quelle: Thomson (2005b),S. 3
10
Das grundlegende Verfahren basiert
auf dem von SONY erstmals zur
Olympiade 1984 eingesetzten Super
Motion System.
39
Die Kamera
liefert ein 180i Videosignal mit
20MHz Bandbreite, dass mittels
eines Digitalprozessors in drei 60i
Bildsignale aufgeteilt und in FBAS
40
zurückgewandelt auf einem 3
Kanal Videorekorder aufgezeichnet wird.
Mit dem MAV-555A Digital Disk
Rekorder (DDR) und der BVP-9500
Kameraserie wurde das SONY
Super Motion System digitalisiert.
Der Rekorder zeichnet die drei sich
zeitlich überlappenden SDI
Videoströme als Slow Motion
Sequenz im IMX Format
41
auf.
42
Die Wiedergabe erfolgt mit der
jeweiligen Bildfrequenz der
genutzten Fernsehnorm.
Sowohl das Kamerasystem von Thomson (LDK23HS), als auch das von SONY
(BVP-9500) erlauben Glasfaserübertragung zwischen Kamera und CCU
43
mittels
Adaptierung. Dadurch sind große Distanzen zwischen Kamera und CCU (COBRA
44
bis 7000m) möglich.
In heutigen SDTV Übertragungswagen sind Serversysteme wie LSM-XT von EVS mit
,,Triple Scan"
45
Signaleingängen weit verbreitet. Der Server erlaubt im ,,loop mode"
46
39
Weber (2002), S. 472
40
Farb-, Bild-, Austast-, Synchronsignal
41
MPEG2 Videostrom mit maximal 50Mb/s
42
SONY (2002), S. 13
43
camera control unit
44
Telecast Cobra-LD Fiber Optic Triax Camera extender
45
Field Interleaving auf drei SDI Standardschnittstellen
46
kontinuierliche unterbrechungsfreie Videoaufzeichnung
Abb. 12: Digitales SONY Super Motion System
Quelle: SONY (2005b), S. 16
Abb. 11: SONY Super-Motion_System
Quelle: Webers (2002), S. 471
11
die unterbrechungsfreie Daueraufnahme. Gleichzeitig kann der Operator ,,preserved"
Clips markieren. Die ,,Super Motion" Videosequenz lässt sich direkt von dem
LSM XT System ohne weitere Umrechnungsvorgänge ausspielen. Somit steht ein
Fernsehzeitlupensystem in Echtzeit zur Verfügung.
Für die HDTV Produktionen existieren mit der Thomson LDK6200 und der Ikegami
HDL-40HS derzeit nur zwei Kameramodelle von klassischen Broadcast Equipment
Herstellern. Die zur NAB2004 vorgestellte Ikegami Kamera arbeitet im 720p Format
und liefert 120 Vollbilder pro Sekunde. Zur Aufzeichnung über zwei HD SDI
47
Leitungen wird von IKEGAMI der HD LSM XT von EVS als Videoserver
empfohlen.
48
Wegen der höheren HDTV Auflösung soll an
dieser Stelle das LDK6200 Slow Motion
Kamerasystem näher betrachtet werden. Die
verfügbare Bildfrequenz beträgt bei 50Hz
Netzfrequenz 100Hz entweder im 1080i oder
720p Format.
Wie in der Übersicht verdeutlicht, verfügt die
LDK6200 über Bildfrequenzen in
Normalgeschwindigkeit. Der Hersteller
bewirbt den flexiblen Einsatz als
entscheidenden ökonomischen Vorteil für die
Ü-Wagen Betreiber, da die Kamera neben der
Slow Motion Funktion den herkömmlichen
Betrieb als LDK6000 Studiokamera
ermöglicht.
Die HD Bildübertragung der zweifachen
Zeitlupe zwischen Kamera und CPU
49
erfolgt
als Komponentensignal (Y, R-Y, B-Y)
47
high definition serial digital interface
48
www.ikegami.com/br/products/hdtv/hdl40hs.html; Stand: 22.04.05
49
camera processing unit
Abb. 13: LDK 6200 mit TriaxHDHS
Adapter Quelle: Thomson (2004), S. 25
1080i at 59.94 Hz
1080i at 50 Hz
1080i at 119.88 Hz
1080i at 100 Hz
720p at 59.94 Hz
720p at 50Hz
720p at 119.88 Hz
720p at 100Hz
Tab. 2: Bildfrequenzen LDK6200
Quelle: Thomson (2004), S. 7
12
zusammen mit Intercom und 2 Kanal Audio über TRIAX Verbindung. Rückkanäle
für Videosignale und Intercom werden ebenfalls darüber übertragen.
50
Die Aufzeichnung erfolgt in Echtzeit über zwei HD-SDI Verbindungen auf ein
geeignetes Serversystem. Die Firma Alfacam nutzt EVS HD LSM-XT Systeme zur
Slow Motion Bildaufzeichnung der LDK6200 Kamerasysteme.
51
Der dänische Ü-Wagenbetreiber Primevision besitzt derzeit keine einzige HD Slomo
Kamera, sondern setzt für HDTV Produktionen nach wie vor LDK23HS Systeme
per ,,upconvert" ein. Die abwartende Haltung begründet sich in dem Wunsch nach
einem Slow Motion Kamerasystem mit ,,triple speed" für HD Außenübertragungen.
52
Als einziger HDTV Broadcast Camcorder implementiert die AJ-HDC27FE Kamera
von Panasonic eine Zeitlupenfunktion. Die Aufzeichnung erfolgt immer mit 60 Bildern
pro Sekunde im 720p Format. Diese Bildwechselfrequenz ist gleichzeitig der
maximale Wert und entspricht bei 24p Wiedergabe einer 2,5 fachen Zeitlupe. Die
Bildwechselfrequenz ist zwischen 4 und 60fps variierbar.
53
Betreiber von Übertragungswagen haben insgesamt eine abwartende Haltung
gegenüber der Neuanschaffung von Slow Motion Kameras.
Die für das erste Quartal 2006
angekündigte ,,HD Super Slow Motion"
Kamera von SONY
54
mit 180
Halbbildern pro Sekunde im HD 1080
Format wird als gewünschte Kamera
für neue Investitionen gesehen. Über
Fibre Channel soll das Kamerasignal
zur CCU übertragen werden. Die CCU gibt drei HD SDI Ströme zur Aufzeichnung
auf Slow Motion Harddiskrekorder wie EVS HD LSM-XT aus. Tiefere technische
Details gibt SONY derzeit noch nicht bekannt.
50
Thomson (2004), S. 24
51
Fehervari (2005), Email 18.06.2005
52
Frewald (2005), Email 3.08.2005
53
Panasonic (2002); S. 6
54
Hochgürtel (2005), Folie 22
SMPTE Fiber Optic.
X3 HD SDI
3x Zeitlupe
Live
Bild
Camera Capturing Mode
1080 /180i
1080i
720p
Abb. 14: SONY HD Super SlowMo Konzept
Quelle: Hochgürtel (2005), Email 11.07.2005
13
3.
ANFORDERUNGEN AN DIE ZEITLUPENKAMERASYSTEME
3.1
Relevante Bildauflösungen für die Film- und Fernsehproduktion
Digitale Kamerasysteme speichern Bilder in einem Pixelraster ab, wohingegen
Filmmaterial Bildpunkte mit Gaußscher Korngrößenverteilung erfasst. Die Auflösung
von Bildwandlern wird mit ihrer Fähigkeit ein Raster, von schwarzen und weißen
Linien steigender Frequenz wiederzugeben, beurteilt. Die so genannte
Modulationstransferfunktion
55
zeigt die Beziehung zwischen steigender Auflösung und einhergehender
Kontrastabnahme.
56
Die Angabe der Güte in Linienpaaren pro Millimeter bezieht sich
auf einen Kontrast von mindestens 50 Prozent, um ein Linienpaar klar zu
unterscheiden.
57
Da Filmmaterialien aufgrund ihrer chemischen Herstellung für
unterschiedliche Empfindlichkeiten verschiedene Korngrößen haben, muss ein
Vergleich von Video und Film sehr differenziert betrachtet werden.
Für das Äquivalent des 35mm Filmformats werden Auflösungen von 4096 x 3072
Pixel
58
oder 4096 x 2160 Pixel der Digital Cinema Initiative empfohlen. Um die
Bildauflösungseigenschaften des 35mm Filmeinzelbilds auf digitale
Sensorspezifikationen anzuwenden, wurden folgende Eckdaten errechnet:
59
4096 x 2160 Pixel
5,9 µm x 5,9 µm Pixel
mit 0,25 µm CMOS Technologie
18 µm² (50% Füllfaktor)
Die digitale Kinokamera ,,Dalsa Origin" ist
eine aktuelle Entwicklung, die mit einem
4046 x 2048 Pixel Sensor ausgestattet
ist.
60
Allerdings entspricht die
55
MTF: prozentuale Angabe der Linienauflösung bei Hell - Dunkelkontrasten
56
Schmidt (2003), S. 49
57
Slansky (2004), S. 67
58
Für 35mm Vollformat 24x18mm
59
vgl. Slansky (2004), S. 128
60
Dalsa Corporation (2003), S. 9
Abb. 14: Filmmaterialabtastung und
Pixelraster Quelle: Schmidt (2002), S. 145
14
resultierende Farbbildauflösung nicht dem Pixelraster des Sensors. Durch das
Farbfilterfeld des Ein Chipsensors bedingt, ist eine Interpolation der Farbwerte
nötig.
61
Die von ARRI entwickelte digitale Filmkamera D20 verwendet beispielsweise einen
4:3 Sensor mit einer Auflösung von 2880 x 2160 Pixel. Die Videobildausgabe erfolgt
mit einer Auflösung von 1920 x 1080 Pixel. Diese digitale Filmkamera soll der Ersatz
für S16mm Filmkameras werden.
Bei der Abtastung von Filmmaterial wird davon ausgegangen, dass heutzutage
35mm Filmnegative unter Einsatz sehr guter Objektive 80 Lp/mm auflösen.
62
Allerdings muss, bedingt durch die Nyquistfrequenz
63
, mit höheren Werten
abgetastet werden, um Alaising
64
zu vermeiden.
65
Optische wie digitale Tiefpassfilter
sind oft nicht steil genug, schärfere, die Nyquistfrequenz überschreitende Strukturen
exakt zu filtern. So arbeiten derzeitige Filmscanner bei 4k Auflösung statt mit 4000
im ,,Oversampling"
66
Verfahren mit 6000 Abtastwerten pro gescanntem 35mm
Einzelbild.
67
Dies kann auf digitale Filmkameras übertragen werden, wo mittels
Tiefpassfilterung eine künstliche Unschärfe die native Auflösung einschränkt. Der
entscheidende Punkt ist demnach ein alaisingfreies digitales Farbbild mit einer
Auflösung von 80 Linienpaaren pro Millimeter.
In der Praxis wird im Digital Intermediate
68
Workflow allerdings derzeit noch
vorherrschend in 2K Auflösung mit gescanntem Filmmaterial gearbeitet. Komplette
4K Workflows bilden derzeit aus wirtschaftlichen Gründen noch die Ausnahme,
werden aber von der Fachwelt schon ausgiebig diskutiert.
69
Mit dem HD-CIF
70
Standard in einer festgelegten Auflösung von 1920 x 1080 Pixel
existiert ein internationales HDTV Austauschformat. Die Videoübertragung per HD-
61
Dalsa Corporation (2003), S. 12
62
Slansky (2004), S. 82
63
mindestens zweifache Abtastung der höchsten Signalfrequenz eines bandbegrenzten Signals
64
durch Unterabtastung periodischen Bildstrukturen hervorgerufene Überlappungsfehler
65
Abmayr (1994), S. 87
66
Überabtastung von analogen Bilddatenträgern
67
vgl. Slansky (2004), S. 82-83
68
Ersatz der klassischen Kopierwerksnachbearbeitung durch die digitale Filmpostproduktion
69
vgl. Maßmann, Senge (2004), S. 400 - 405
70
Common Interchange Format
15
SDI Schnittstelle erfolgen ebenfalls in HD CIF Auflösung. Dieses Bildraster kommt
der 2K Auflösung mit 2048 x 1536 Pixel sehr nah.
Bei HDTV Broadcast Camcordern konkurrieren zwei Bandformate mit
verschiedenen Bildauflösungen. Das von Panasonic entwickelte DVCProHD Format
mit einer Auflösung von 1280 x 720 Pixel und das HDCAM Format von SONY mit
einer Bildmatrix von 1920 x 1080 Pixel.
In Europa soll die Koexistenz von mehreren HDTV Standards wie in den USA
vermieden werden.
71
Derzeit gibt es nur die Empfehlung der EBU
72
mittelfristig das
720p/50 und langfristig das 1080p/50 Format als Fernsehstandard anzustreben.
73
Als mittelfristig anzustrebendes Bildformat bieten digitale Zeitlupenkameras mit HD
CIF Auflösung eine flexible Einsatzmöglichkeit, da sowohl der HD Fernsehstandard
mit 1080 Zeilenauflösung sowie die 2K Auflösung abgetasteter Kinofilmproduktionen
damit abgedeckt werden.
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
71
Schwahn, Schuch (2005), S. 1
72
EBU R115-2005 und Tech 3299
73
vgl. Hoffmann (2005), S. 24
16
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
Tab. 1: Bildfrequenzen europäischer HDTV Formate Quelle: EBU Tech 3299 und EBU R115-2005
Die Zukunftsperspektive im Hinblick auf die Migration von HDTV in Europa ist laut
EBU das 1080p/50 Format und vorläufig das 720p/50 Format.
74
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:
format
Wiedergabe
lfrequenz
Bildwechse
amera
Zeitlupenk
lfrequenz
Bildwechse
x
nz
bildfreque
Wiedergabe
( 1 )
für Kinoanwendungen gilt demzufolge:
fps
fps
Kamera
Speed
High
lfrequenz
Bildwechse
x
24
]
[
24
( 2 )
für HDTV entsprechend:
fps
fps
Kamera
Speed
High
lfrequenz
Bildwechse
x
50
]
[
50
( 3 )
74
Hoffmann (2005), Folie 24
17
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
75
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.
76
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.
77
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.
78
Durch die kontinuierliche
Forschungsarbeit bis in die 60er Jahre entstand eine Sammlung von relevanten
Bildraten zu den verschiedensten Sportarten.
75
vgl. Weber (2003), S. 468
76
vgl. Hochgürtel (2005), Folie 19
77
Plagenhoef (1981), S.147
78
Plagenhoef (1981), S.147
18
Die folgenden Übersichten enthalten neben den Quellendaten eine Umrechnung auf
die Wiedergabestandards von Kinofilm mit 24fps und HDTV mit 50fps. Bei NTSC
Wiedergabe wird von einer Bildfrequenz von ~60Hz ausgegangen.
Für eine HDTV Auswertung mit 50fps ist für einen zum Kinostandard mit 24fps
äquivalenten Zeitdehnungsfaktor die doppelte Geschwindigkeit erforderlich. So
müsste der Golfball mit 15625fps, der Kajakfahrer mit ca. 420fps oder das Pferd mit
625fps aufgenommen werden. Die Daten bieten einen verlässlichen erprobten Wert
im Sinne der Kinetikanalyse an und können als Grundlage für Zeitlupenaufnahmen
verallgemeinert werden.
Dem werden ergänzend Erkenntnisse des Massachusetts Institute of Technology von
1981 gegenüber gestellt, die auf der Arbeit mit einem SP2000 High Speed
Videosystem
79
beruhen.
80
79
Spin Physics Inc., San Diego
80
Miller (1981), S. 70
Action Bildwechselfrequenz
Zeitdehnung X
24
Umsetzung X
50
Swimming 64fps
2, 67
134fps
Football kicking, injuries
64 200fps
2,67 8,33
134 417fps
Kayak paddlers
200fps
8,33
417fps
Baseball pitch
200 500fps
8,33 20,83
417 1042fps
Horse running
300fps
12,5
625fps
Football, Soccer impact
500fps
20,83
1042fps
Tennis impact
2000fps
83,33
4167fps
Golf impact
7500fps
312,5
15625fps
Berechnung X
24
laut Angabe des Autors: 24fps Wiedergabe; (siehe Formel (2))
Berechnung X
50
bezogen auf 50Hz Netzumgebung; (siehe Formel (3))
Tab. 2: Auszug Table 1 Film Presentation Quelle: Plagenhoef (1981), S.147
Action Bildwechselfrequenz
Zeitdehnung X
60
Umsetzung X
50
Baseball throw
1000 fps
16,67
833fps
Tennis raquet
2000 fps
33,33
1667fps
Berechnung X
60
laut Angabe des Autors: 60fps NTSC Wiedergabe
Berechnung X
50
bezogen auf 50Hz Netzumgebung; (siehe Formel (3))
Tab. 3: Bildwechselfrequenzen mit Videosystem SP2000 Quelle: Miller (1981), S.70
19
In einer Veröffentlichung der Weinberger AG aus Zürich formuliert Prof. Karl Locher
relevante Bildwechselfrequenzen:
Bei Ermittlung von Durchschnittswerten im Bereich Sport von allen drei Tabellen
ergeben sich Bildaufnahmegeschwindigkeiten von 450 -1200 Bildern pro Sekunde
81
.
Dieser als relevant anzusehende Bildwechselfrequenzbereich sollte bei der
anschließenden Betrachtung der vorgestellten Zeitlupenkamerasysteme im
Hinterkopf behalten werden.
Gerade im Fernsehbereich ist die Fragestellung hinsichtlich des Fußballsports
interessant. Dort wären laut den Forschungsergebnissen von Plagenhoef
umgerechnet ca. 1000fps erforderlich. Selbst wenn von einem Idealwert zur
Bewegungsanalyse ausgegangen wird, erreichen heutzutage übliche
Fernsehzeitlupenkameras mit 120 Halbbildern vergleichsweise niedrige
Bildwechselfrequenzen.
Ausgehend von einem zukünftigen HDTV Standard mit 50fps Wiedergabe zeigen
sich auch bei anderen Ereignissen hohe erforderlicher Bildwechselfrequenzen von
mehreren Tausend Bildern pro Sekunde. So variieren die Forderungen
beispielsweise beim Tennis zwischen 1600fps bis 4000fps, aber insgesamt deutlich
über 1000 Bildern pro Sekunde.
81
Plagenhoef (400-1000fps); Miller (800-1600fps); Locher (200-1100fps)
Ereignis Bildwechselfrequenz
Zeitdehnung X
24
Umsetzung X
50
Bewegungsstudie Sport
100 300fps
4,17 12,5
209 625fps
Augenzwinkern
500fps
20,83
1042fps
Fallschirm öffnen
600fps
25
1250fps
Auto Crash, Kreissäge
1000fps
41,67
2084fps
Fallender Tropfen in Flüssigkeit
4000fps
166,67
8334fps
Platzen einer Seifenblase
5000fps
208,33
10417fps
Elektrischer Kurzschluss
10.000fps
416,67
20834fps
Gewehrkugel
100.000fps
4166,67
208333fps
Rissbildung in Glas
30.000 10
6
fps
1250 41667
62.500 2x10
6
fps
Berechnung X
24
: 24fps Wiedergabe; (siehe Formel (2))
Berechnung X
50
bezogen auf 50Hz Netzumgebung; (siehe Formel (3))
Tab. 4: Übersicht Einsatz von High-Speed-Kameras (Auszug) Quelle: Locher (1983), S. 6
20
Die Realität in der derzeitigen HDTV Produktion sieht demgegenüber relativ nüchtern
aus. Der ,,europäische HDTV Pionier"
82
Alfacam hat 24 LDK 6200 Slomokameras für
OB Productions
83
im Einsatz, die selbst für Opernaufzeichnungen eingesetzt
werden.
84
Bei World- oder European football championships arbeitet der belgische Ü
Wagenbetreiber derzeit immer mit 50% Slow Motion Aufnahmen, die in der Praxis
als ausreichend bewertet werden.
85
Für digitale Kinoproduktionen wird der Vergleich zu hochwertigen Filmkameras
gezogen. So sind Bildfrequenzen bis zur ,,4-fachen Nennfrequenz [...]
wünschenswert".
86
Umgerechnet bedeutet dieser Zeitdehnungsfaktor für die HDTV
Produktion mit 50fps, dass bis zu 200fps für Zeitlupen anzustreben sind.
Zusammenfassend lässt sich daraus in der Theorie eine Forderung nach 2K-
auflösenden digitalen Zeitlupenkameras mit Bildwechselfrequenzen von mindestens
100 bis 1200 Bildern pro Sekunde stellen. Diese Systeme würden dann sowohl die
Anforderung der HDTV wie der Kinofilmproduktion erfüllen. Bisherige praktische
Erfahrungen sind als Resultat der Begrenzungen der derzeit verfügbaren Slow
Motion Kameratechnik zu sehen.
Dass die Forderung nach einer Fernsehzeitlupenkamera mit nativer HDTV 1080
Bildauflösung, höheren Bildfrequenzen und progressiver Abtastung nicht
unbegründet ist, zeigt die gerade auf der IBC2005 vorgestellte NAC HD-HS300P
Kamera.
Bei voller HD CIF Bildauflösung
erreicht die Kamera 300 Bilder pro
Sekunde. Der japanische
Fernsehsender NHK setzt die
Kamera vor allem bei der HDTV
Übertragung von
Sportveranstaltungen ein.
82
Hein (2005), S. 22
83
outside broadcast
84
Fehervari (2005), Email
85
Fehervari (2005), Email
86
Slansky (2004), S.129
Abb. 15: NAC HD-HS300P Quelle: Autor (2005)
21
4. MARKTSITUATION
4.1
Digitale Zeitlupenkamerasysteme
In den Neunziger Jahren zeichnet sich der Beginn der Ablösung von
Filmzeitlupenkameras in der Fernsehproduktion durch die Markteinführung von
digitalen Zeitlupenkamerasystemen ab. Die japanische Firma NAC brachte 1993 die
digitale ,,Memrecam Ci" High Speed Farbvideokamera mit integriertem Rekorder
auf den Markt. Bei 572 x 434 Pixel
Wandlerauflösung sind Bildgeschwindigkeiten
bis 500 Bilder pro Sekunde realisierbar. Mit der
Auflösung ist die Kamera nahezu PAL Norm
kompatibel. Englische Fernsehingenieure und
der Kameramann Michael Brennan passten die
Kamera mit Fernsehzoomobjektiv und
elektronischem Sucher an die
Fernsehkameratechnik an.
87
Mittlerweile bieten auch andere etablierte High Speed Filmkamerahersteller wie
Photo-Sonics und Weinberger digitale Zeitlupenkamerasysteme für die
Filmproduktion an. Vision Research, PCO und Redlake (mit KODAK MASD
88
fusioniert)
89
sehen ebenfalls diesen wachsenden Marktsektor.
Hochauflösende digitale Zeitlupenindustriekameras bieten die Firmen Photron,
Mikrotron, IDTV Vision und Optronis an.
Für die Betrachtung in dieser Diplomarbeit kommen Kameras mit einer horizontalen
Sensorauflösung von mindestens 1280 Spalten in Frage. Diese Bildauflösung ist
prinzipiell für die HDTV Produktion geeignet, wenn von dem HDTV Standard mit 720
Zeilen ausgegangen wird.
Inwieweit eine 1280 Pixel Auflösung eines Bayer Pattern Sensors ausreichend für
eine 720p Darstellung ist, wird in Kapitel 5.4.2 bewertet.
87
High Definition (2004), S. 28
88
Motion Analysis Systems Division (MASD)
89
High Definition (2004), S. 28
Abb. 16: Adaption Memrecam von
Michael Brennan
Quelle: High Definition (2004), S. 29
22
Der Markt lässt sich in drei Gruppen von Herstellern digitaler Videozeitlupenkameras
einteilen. Die erste Gruppe hat für den Einsatz in der Filmproduktion Kamerasysteme
umfassend technisch modifiziert und an fernseh- bzw. filmtechnisches Zubehör
angepasst.
Die zweite Herstellergruppe bietet Industriekameras entweder geringfügig an die
Filmtechnik angepasst oder unmodifiziert an. Von der Bildqualität sollen die
Industriesysteme nach Herstellerangaben für HDTV- und Filmproduktionen geeignet
sein.
Die dritte Gruppe von Kameraherstellern sieht als beabsichtigten Marktsektor ihrer
Kameramodelle Industrieanwendungen wie Crashtestanalysen, Waffensystem-
analysen oder machine vision
90
. Einige dieser Kameratypen haben die technischen
Eckdaten für HDTV, bieten aber keine ausreichende Bildqualität für den Film und
Fernseheinsatz.
Modifizierte Systeme für Film- und Fernsehproduktion
Kamerasystem Systemanbieter
Auflösung
Modifikationen
Cine Speedcam
(Visario G1)
Weinberger
Deutschland
GmbH, BRD
1024 x 768
91
PL Mount
Echtzeit Videoausspiegelung
92
Anpassung an Filmzubehör
3/8" Gewinde
NAC HD-HS300P
NAC Image
Technology;
NHK, Japan
1920x1080
B4 Bayonett Mount
3 CMOS Sensoren mit Strahlteiler
Elektronischer Sucher
dual, single link HD-SDI Ausgänge
Studiokameradesign und Triax
Tornado
(NAC fx K3)
ARRIMEDIA, UK
1280 x 1024
PL Mount
Elektronische Ausspiegelung (FBAS)
Aufzeichnung Quantel eQ
Anpassung an Filmzubehör
Weisscam HS1
(PCO 1200hs)
Stephan Weiss,
PCO AG,
Deutschland
1280x720 (1024)
PL Mount
Elektronische Ausspiegelung (TFT)
Anpassung an Film- und
Videozubehör
Aufzeichnung, Steuerung über
Laptop oder Touchscreen
90
Produktionsprozesskontrolle von Maschinensystem
91
Interpolierte Auflösung 1536 x 1024
92
optisch / elektronische Videoausspiegelung über teildurchlässigen Spiegel (PAL/NTSC)
23
Die Weinberger AG aus Zürich beschäftigt sich seit 1946 mit High Speed Kamera
Systemen.
93
Auf dem Sektor der digitalen Zeitlupenkameras kooperieren die
Schweizer mit dem Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen in Erlangen. Das
1996 ausgezeichnete
94
digitale Industriekamerasystem ,,Speedcam 512"
95
erreicht
Bildfrequenzen bis 1000Hz. Die Weiterentwicklung als Farbkamera mit höherer
Auflösung ist das ,,Visario" Industriekamerasystem. Der Bayer Pattern CFA
96
Sensor
bietet eine maximale Bildauflösung von 1024 x 768 Pixel bei 1000fps. Die Auflösung
von 1536 x 1024 Pixel wird aus den Rohdaten nach Herstellerangaben verlustfrei
interpoliert.
97
In Kooperation mit der Band Pro Munich
GmbH entstand die für den
Filmtechnikmarkt modifizierte Cine
Speedcam. Die Zeitschrift TV Technology
zeichnete das Produkt auf der NAB 2004
mit dem TV Technology Award 2004 aus.
Gegenüber der ,,Visario" besitzt die ,,Cine
Speedcam" ein anderes Gehäuse, in dem
die optische Videoausspiegelung für den
elektronischen Sucher sowie ein 24V DC
Anschluss integriert sind. Die optische
Ausspiegelung des Sucherbildes führt zu
einem Lichtverlust von ca. 8 Prozent,
gewährleistet jedoch die zuverlässige
Bild- und Schärfebeurteilung durch die
Echtzeitdarstellung. Als Objektivanschluss
wird der in der Filmwelt weit verbreitete
PL Mount verwendet.
93
www.weinbergervision.com, Stand: 21.07.05
94
Fraunhofer Preis 1996
95
512 x 512 Pixel monochrom bei 1000fps
96
color filter array
97
Weber, Riner (2005), S. 7
Abb. 17: Cine Speedcam Kamerabody
Quelle: Weinberger (2005a), S. 8
Abb. 18: Cine Speedcam mit Cine Setup
Quelle: Weinberger (2005b), S. 1
24
Das Cine Speedcam System besteht
aus der eigentlichen Kamera und dem
von Weinberger vorkonfigurierten
Windows 2000 Computersystem. Der
Rechner ist mit proprietären Local Link
Anschlüssen für den Datentransfer zu
Kamera ausgestattet und in einem Flight
Case eingebaut. Auf dem PC ist die
hauseigene Kamerakontrollsoftware
,,Visart" vorinstalliert. Über eine PCI Karte
und die DPS Software kann derzeit ein
PAL/NTSC SDI Signal ausgegeben werden.
Der Tagesmietpreis liegt bei 2.500 Euro und mit Operator bei insgesamt 3.700 Euro.
Der Kaufpreis für die Basisversion mit 1GB internem Kameraspeicher beträgt
146.500 Euro.
98
Auf der IBC2005
99
in Amsterdam stellte der japanische Staatsfernsehsender NHK
100
die HDTV High Speed Kamera HD-HS300P vor.
Die Gemeinschaftsentwicklung von NHK,
NAC Image Technology, Panasonic
und Fujinon nutzt 3 CMOS Bildwandler
und gewinnt ein sofort verfügbares RGB
Bildsignal mittels Strahlteilerprisma.
Die Bildaufzeichnung erfolgt progressiv
mit maximal 300 Bildern pro Sekunde in
einen 24GB großen internen SDRAM
Speicher im unkomprimierten RGB 4:4:4
Format.
98
Band Pro Munich GmbH, Email 20.09.2005
99
International Broadcasting Convention
100
Japan Broadcasting Corporation
Abb. 19: Cine Speedcam drehfertig
Quelle: Autor (2005)
Abb. 20: HD-HS300P Zeitlupenkamera
Quelle: Autor (2005)
25
Bei einer maximalen Bildwechselfrequenz
von 300fps erlaubt diese Speichergröße
11 Sekunden Aufzeichnungsdauer. Eine
Aufteilung in bis zu 32 Speichersegmente
ermöglicht Aufnahmeserien. Die Kamera ist
über Standard HDTV Triaxverbindungen in
vorhandene Studiokameraumgebungen
integrierbar. Das auf der IBC vorgestellte
Modell nutzt Lemo Verbinder für das bis zu
2km lange Glasfaserkabel.
Neben dem Bildsignal werden Intercom-, Tally- und
Audiosignale sowie die Betriebsspannung für den
Kamerakopf übertragen. Ein Remotecontroller zur
Kamerakonfiguration und eine Slow Motion
Steuerung können an der CCU
101
betrieben
werden.
Als Ausgangssignale stehen dual link oder single
link HD SDI Signale in 1080p/60 oder 1080i/60
immer in 4:2:2 Unterabtastung simultan zur
Verfügung. Eine Aufzeichnung ist während der
Wiedergabe nicht möglich. Eine Datenschnittstelle
zur 4:4:4 RGB Rohdatenausgabe ist derzeit nicht
vorgesehen. Auf Nachfrage auf der IBC wurde
solch eine Entwicklung allerdings nicht
ausgeschlossen. Auch die simultane Wiedergabe-
und Aufzeichnungsoption hat NAC als Problem erkannt.
Der Münchner Kamerahersteller ARRI hat mit der digitalen Filmkamera D20
verstärktes Interesse an Digital Cinema signalisiert. Weitere Produkte wie der
ARRILASER zeigen die zunehmende Beschäftigung des traditionsreichen
Filmkameraherstellers mit dem Thema ,,Digitale Filmproduktion".
101
camera control unit
Abb. 21: Panasonic CCU - Videoschnittstellen
Quelle: Autor (2005)
Abb. 22: Kamerakontrollplatz (CCU,
Slomo Cont, OPE)
Quelle: Autor (2005)
26
Das Tornado Zeitlupenkamerasystem
ist die Systemkonfiguration einer digitalen
NAC High Speed Kamera durch den Film-
und Videotechnikverleih ARRIMEDIA. Die
Firma mit Sitz in Uxbridge bei London
gehört zur ARRI GmbH.
Als Kamera wird die NAC Memrecam
fx K3 eingesetzt. Tests zum Einsatz des
Nachfolgemodells fx K4 finden derzeit
statt. Das Tornado System ist
ausschließlich im Verleih von ARRIMEDIA und wird nicht zum Verkauf angeboten.
102
Vier verschiedene Systemzusammenstellungen sind im Verleihangebot.
SYSTEM A
SYSTEM B
SYSTEM C
SYSTEM D
NAC K3, Laptop
PC, 10m cable
NAC K3, Laptop PC,
10m cable,
tripod, SD monitor, matte
box, follow focus
NAC K3, Laptop PC,
10m cable, tripod, SD
monitor, matte box, follow
focus
VGA SDI Konverter
NAC K3, Laptop PC,
10m cable, tripod, SD
monitor, matte box,
follow focus
VGA SDI Konverter
eQ Quantel System
20" SD/HD monitor
1750 EUR/Tag
2190 EUR/Tag
2334 EUR/Tag
3940 EUR/Tag
Zu den Paketpreisen kommen noch Kosten für PL
Objektive und Personal (440 510 EUR/Tag) hinzu.
Zum Herunterladen der Videodaten aus der Kamera
ist immer ein PC System mit NAC FX-Link Software
nötig.
103
Um für TV Sportübertragungen einen
schnellen und qualitativ hochwertigen Workflow zu
realisieren, bringt ARRIMEDIA ein
Postproduktionssystem ,,to the front-line"
104
. Das
eigentlich für stationären Schnittbetrieb ausgelegte
102
Bill Lovell; Email 15.08.2005
103
Bill Lovell, Email 15.08.05
104
ARRIMEDIA (2005), S. 3
Abb. 23: TORNADO Kamera
Quelle: ARRIMEDIA (2004), S. 2
Abb. 24: zwei TORNADOs im Studio
Quelle: Lovell, Email 15.08.2005
27
High End System ,,eQ" von Quantel lädt die Rohdaten von dem an der Kamera
angeschlossenen PC System herunter. Das ,,Demosaicing"
105
der Bayer Pattern
Daten führt die ,,eQ" Software automatisch beim Import durch. Der im eQ
implementierte Algorithmus ist eine geschützte Eigenentwicklung von NAC, Quantel
und ARRI.
106
Zu beachten ist, dass neben den Mietkosten für das eQ System auch ein geschulter
eQ Operator benötigt wird.
Der Münchner Kameramann Stephan Weiss hat in Zusammenarbeit mit der
PCO AG die digitale High Speed Kamera Weisscam HS1 entwickelt.
Aus Angaben des Entwicklers zum
schnellen Workflow ,,im Fernsehbereich"
107
lässt sich die Fernsehproduktion als
vorwiegendes Einsatzgebiet ausmachen.
Als Entwicklungsziele standen freie
Bildrasterdefinition, unabhängige
Stromversorgung, Handlichkeit und
Stabilität des Hostsystems im Mittelpunkt.
Als Kameramodul im neu entwickelten
Gehäuse wird die PCO1200hs verwendet.
Die technischen Daten entsprechen somit
der ursprünglichen PCO Kamera. In der
PCO Software wurde jedoch der
,,Demosaicing" - Farbalgorithmus
108
verbessert. Nähere Angaben zur
Interpolationsmethode wurden nicht gemacht.
109
Mittels Free RoI ist die Bildauflösung auf 720p oder PAL einstellbar. Zur
Stromversorgung ist ein Anton Bauer Akku Anschluss auf dem Gehäuse integriert.
105
Interpolation der RGB Werte aus den Bayer Pattern Rohdaten des Sensors
106
Bill Lovell, Email 15.08.05
107
Weiss, Email 26.08.05
108
Interpolation der RGB Bilder aus Bayer Pattern Rohdaten
109
Weiss, Email 30.08.05
Abb. 25: Weisscam HS1
Quelle: Stephan Weiss, Email 26.08.2005
28
Es sind sowohl Verstellplatten aus dem Filmkamerazubehör wie BP-6 oder VCT
Schnappplatten aus dem Videobereich an das Kameragehäuse montierbar.
Als Suchersystem ist ein TFT Monitor mit
Touchscreen vorgesehen, der die
Kamerasteuerung direkt am Display ermöglicht.
Zur Realisierung der Grafikausspiegelung
konnten keine näheren Angaben gemacht
werden. Der zur Aufzeichnung und
Kamerasteuerung notwendige Windows basierte
Laptop zeigt die Softwareoberfläche mit Vorschaubild, die gleichzeitig auf dem TFT
Display ausgegeben wird. Laut Angaben von Weiss hat das Vorschaubild keine
Verzögerung und ist auch für Objektverfolgung geeignet.
110
Der Datentransfer
geschieht mittels Firewire Schnittstelle. Die aufgenommenen Sequenzen können als
8Bit TIFF Daten auf Wechselmedien überspielt werden.
Industriekamerasysteme für die Kino- und Filmproduktion
Hersteller Kamerasystem
Spezifikationen
NAC Image Technology, Japan
Memrecam fx K3
Memrecam fx K4
1280 x 1024 bei 1000fps
1280 x 1024 bei 1000fps
PCO AG, BRD
PCO.1200hs
1280 x 1024 bei 636fps
Vision Research Inc., USA
Phantom V5.1
Phantom V9.0
1024 x 1024 bei 1200fps
1632 x 1200 bei 1019fps
NAC Image Technology stellte neben Flugschreibern und Eyetrackingsystemen
ursprünglich Film- und Fernsehkameras her. Die Entwicklungslabore des 1958 in
Japan gegründeten Unternehmens befinden sich in Yokohama, die Konzerzentrale in
Tokio. NAC Kamerasysteme sind für eine breite Palette an industriellen und
militärischen Anwendungen ausgelegt. Die präzise Analyse von schnellen
Bewegungsvorgängen ist der Schwerpunkt dieser Zeitlupenkameras und der
dazugehörigen Auswertungssoftware.
Heutzutage präsentiert das Unternehmen zwei Hauptgeschäftsfelder: Low Light und
High Speed Kamerasysteme. Kameras der Memrecam Serie wurden, wie die
Beispiele der Modifikationen durch Brennan oder ARRIMEDIA zeigen, frühzeitig für
Filmproduktionen eingesetzt.
110
Weiss, Email 26.08.05
Abb. 26: PCO 1200hs
Quelle: PCO AG (2005)
29
Die NAC Deutschland GmbH unterhält eine
Niederlassung in Stuttgart. Aktuelle Kaufpreise der
Industriemodelle konnten nicht ermittelt werden, da
der Kontakt von NAC Japan während der Recherche
abgebrochen wurde.
111
Der ehemalige Ingenieur des Rüstungsunternehmens
Fairchild, Andy Jantzen, gründete 1950 die
,,Photographic Analysis Company". Die
Firmenausgründung Vision Research entstand
1992 mit dem Ziel der Entwicklung von digitalen
High Speed Kameras.
112
Der Mitbegründer und
Entwicklungsleiter Alexandru Aciu stellte 1998 den
ersten CMOS High Speed Sensor mit ,,Multiport"
Ausgängen und elektronischem
Synchronverschluss vor.
113
Die mit CMOS
Sensoren ausgerüsteten digitalen High Speed
Kameras Phantom v4.0 und v5.0 erhielten
regelmäßig Auszeichnungen für ihre innovative
Technologie.
114
Deutschlandvertretung ist die 1985 gegründete MAK Bildtechnik GmbH in Wolfsburg.
Das Dienstleistungsunternehmen hat sich auf High Speed Aufnahmen und den
Produktvertrieb von High Speed Ausrüstung spezialisiert. Sowohl das Kundenprofil
wie auch die Anwendungsbeispiele lassen den Schwerpunkt Industrieanwendungen
erkennen. Im englischsprachigen Raum werden dahingegen Phantom Kameras von
der Firma Green Door Films in der Nähe Londons auch für die Fernsehproduktion
eingesetzt.
115
Die Phantom v5.1 kostet je nach interner Speichergröße zwischen
45.000 und 74.000 Euro. Die Phantom V9.0 kostet je nach Speicherausstattung
zwischen 58.000 und 99.000 Euro.
111
Hiroyuki Enomoto; Email 04.08.05
112
http://www.visionresearch.com/history.html; Stand: 10.08.2005
113
http://oemagazine.com/fromTheMagazine/nov04/pdf/spieworld.pdf; Stand: 10.08.2005
114
R&D 100 Award des R&D Magazine 2000, 2002
115
Hadfield, Email 23.09.05
Speicher
In Mbyte
Phantom
V5.1
Phantom
V9.0
1024 45.000 -
1536 -
58.000
2048 49.000
3072 -
64.000
4096 60.000
6144 -
75.000
8192 74.000
12288 -
99.000
Tab. 5: Phantom Preisliste 8/2005
Quelle: Vöhringer, Email 11.08.05
Abb. 27: Phantom V9
Quelle: Vision Research, Inc (2005)
Abb. 28: Phantom V9 Anschlüsse
Quelle: Wittwer, Email 8.07.05
30
Hochauflösende Industriekamerasysteme
Hersteller Kamerasystem
Spezifikationen
Redlake MASD LLC, USA
MotionPro HS-3
1280 x 1024 bei 1000fps
Photron, BRD
1280PCI
Auslaufmodell, kein Ersatz
1280 x 1024 bei 500fps
Mikrotron, BRD
MC1311
1280 x 1024 bei 500fps
IDT Vision, USA
X-StreamTM XS-3
1280 x 1024 bei 614fps
Optronis, BRD
CamRecord600
1280 x 1024 bei 500fps
Die Einteilung in Industriekamerasysteme ist auf Basis gezielter Nachfragen bei allen
aufgeführten Firmen vorgenommen. Der Einsatzzweck der Kamerasysteme ist
gezielt auf die Industrieanwendung, wie Testumgebungen mit anschließender
Softwareauswertung der Videodaten, abgestimmt. Die Systeme werden nach
Herstellerangaben vereinzelt für die Film- und Fernsehproduktion eingesetzt, jedoch
müssen die Kunden die Systeme selbst dafür modifizieren.
Redlake bietet mit der MotionPro HS-3 eine
digitale High Speed Kamera an, die
hauptsächlich in der Crashtestanalyse eingesetzt
wird. Der Hersteller hatte früher die High Speed
Filmkamera LOCAM im Angebot, die wegen der
sehr guten Bildqualität auch für Filmproduktionen
zum Einsatz kam. Auf Nachfrage konnten keine
Einsätze der Kamera in der Filmproduktion
ermittelt werden.
Die deutsche Photron Vertretung VKT GmbH
bestätigte telefonisch, dass die hoch auflösende
Industriekamera 1280PCI ein Auslaufmodell ist.
Begründet wird die Geschäftsentscheidung
durch die ungenügende Bildqualität des Micron
M413 CMOS Sensors. Interessant daran ist,
dass dieser Sensor in fast allen
Industriekameras zum Einsatz kommt. Auch die beiden zur Filmproduktion
empfohlenen Kamerasysteme PCO1200hs und Weisscam HS1 verwenden diesen
Sensor.
Abb. 30: FASTCAM - X 1280PCI
Quelle: Photron USA, Inc. (2003)
Abb. 29: MotionPro(R) HS Series
Quelle: Redlake, MASD, LLC (2004)
31
Die Firma Mikrotron bietet digitale Zeitlupenkameras
mit Schwerpunkt in der Industrieanwendung an. Eine
modifizierte Kamera für die Film- und
Fernsehproduktion ist nicht im Sortiment. Die von den
technischen Eckdaten her einzige HDTV auflösende
Industriekamera MC1311 ist ebenfalls mit dem Micron
M413 Sensor ausgerüstet.
116
Den M413 nutzt auch die X-Stream
TM
XS-3
Kamera von Integrated Design Tools Inc. aus
Tallahassee, USA.
117
Die Kamera ist für rein
wissenschaftliche Zwecke bestimmt und für
Laborumgebungen konzipiert.
Die deutsche Firma Optronis aus Kehl hat mit
der CamRecord600 eine digitale Zeitlupen
Industriekamera im Angebot. Für die
Filmproduktion kann das Gehäuse mit PL-Mount
bestückt werden. Der Sensor mit einer
Bildauflösung von 1280 x 1024 Pixel ist ebenfalls
der Micron M413.
118
Die mit keinem Kameramodell aufgeführte Firma
Silicon Imaging ist zu beobachten, da Einsatzzwecke der angebotenen Kameras
auch in ,,HD Motion Capture" gesehen werden. Höchstauflösende Kamerasysteme
(von 2K bis 4K) mit ,,High Speed" Funktionalität sind angekündigt, aber noch nicht
verfügbar. Derzeitige Kameramodelle erreichen hohe Bildfrequenzen nur mit
Auflösungen weit unter HDTV Standards.
119
116
Scholz (Mikrotron), Email 08.08.2005
117
Myers (IDT Vision), Email 04.08.2005
118
Schoch, Email 12.09.2005
119
vgl. www.siliconimaging.com; Stand: 4.08.2005
Abb. 33: CamRecord 600
Quelle: Optronis GmbH (2005)
Abb. 32: X-Stream(TM) XS-3
Quelle: IDT Inc. (2004)
Abb. 31: MC1311
Quelle: Mikrotron GmbH