Infoseite // Wann werden bei einer Belichtungszeit von 1 ms die Photonen gespeichert?

Frage von Stéphane:


Hallo!

Ich hätte eine etwas technischere Frage in Bezug auf die Belichtungszeit. Ich möchte Bewegungen filmen und im Physikunterricht per Videoanalse untersuchen. Als Beispiel nehme ich jetzt einmal den "freien Fall". Aufgenommen werden 50 Vollbilder pro Sekunde, also 50p. Nach einer halben Sekunde ist ein frei fallender Körper bereits eine Höhe von 1,226m durchfallen. 20 ms später ist er um weitere 10cm gefallen.

Benutzt man nun die maximal mögliche Belichtungszeit (20ms), dann wird der fallende Körper verschmiert dargestellt, und die Länge der verschmierten Spur beträgt in diesem Frame 10 cm. Benutzt man aber nun eine Belichtungszeit von 1ms, dann wäre es intressant zu wissen WANN der Sensor diese 1 ms belichtet wird, bevor er ausgelesen wird. Ist es gleich in der 1. von den 20ms, oder der 10., oder etwa der letzten?

Und wird der Sensor bei jedem Frame zum exakt gleichen Zeitpunkt belichtet, oder kann das ändern?

Ich hoffe jemand weiss die genaue Antwort.
Mit freundlichen Grüssen
Stéphane



Antwort von HT:

Benutzt man nun die maximal mögliche Belichtungszeit (20ms), dann wird der fallende Körper verschmiert dargestellt, und die Länge der verschmierten Spur beträgt in diesem Frame 10 cm. Benutzt man aber nun eine Belichtungszeit von 1ms, dann wäre es intressant zu wissen WANN der Sensor diese 1 ms belichtet wird, bevor er ausgelesen wird. Ist es gleich in der 1. von den 20ms, oder der 10., oder etwa der letzten? Tja, das wissen wohl nur die Entwickler der Kamera wirklich. Die Integration sollte eigentlich immer zur selben Zeit gestartet werden, nur unterschiedlich früh ausgelesen. Also wäre es die erste von den 20 ms. Was aber keinen Unterschied macht ... Und wird der Sensor bei jedem Frame zum exakt gleichen Zeitpunkt belichtet, oder kann das ändern? ... solange er zum gleichen Zeitpunkt belichtet wird, was er wird. Ob das nun die erste von den 20 ms Sekunden ist oder nicht macht keinen Unterschied, das wäre ein einmaliger Offset zum Beginn des Videos und das fällt einzig ins Gewicht, wenn die Aufnahme auf die ms Sekunde genau gestartet wird. Was nur bei teueren Kameras möglich ist.

Was viel eher von interesse ist: Viele Sensoren werden Zeile für zeile, also nacheinader ausgelesen. Wenn die Kamera also hochkant steht, was beim freien Fall Sinn macht, kann es sein dass grade Linien plötzlich krumm werden.



Antwort von TheBubble:

Benutzt man aber nun eine Belichtungszeit von 1ms, dann wäre es intressant zu wissen WANN der Sensor diese 1 ms belichtet wird, bevor er ausgelesen wird. Ist es gleich in der 1. von den 20ms, oder der 10., oder etwa der letzten? Wenn die Kamera nicht mit einer externen Quelle synchonisiert wurde und keine besonderen Angaben gemacht werden, dann bleibt das für Dich erstmal unbekannt.

Allerdings dauert das tatsächliche Auselesen eines Sensors eine Weile, es ist kein sofortiger Vorgang. Daher müsstest Du auch die Effekte berücksichtigen, die ohne "global shutter" auftreten (viele Videokameras haben heute keinen "global shutter").
Und wird der Sensor bei jedem Frame zum exakt gleichen Zeitpunkt belichtet, oder kann das ändern? Ich würde davon ausgehen, dass die Zeitabstände zwischen aufeinandefolgenden Auslesevorgängen der gleichen Sensorzelle, im Rahmen einer vernünftigen Tolleranz, nahezu gleich lang sind, bei größeren Abweichungen würde es vermutlich unangenehm auffallen.

Da es aber ohnehin schwierig sein wird, die Kamera zu synchronisieren, kannst Du auch versuchen die Beleuchtung zu synchronisieren. Versuche es doch mal mit einem exakt ausgelösten Blitzlicht und Fotos, bei einem sonst ausreichend abgedunkelten Versuchsaufbau.



Antwort von Jott:

Mit 50 Bildern pro Sekunde kommst du nicht weit bei Fallversuchen, das reicht nicht. Inzwischen können auch billige Kamera kurz (Burst) mehrere hundert Frames pro Sekunde aufnehmen, zum Beispiel die Nikon 1. Leih dir so was aus, und du wirst glücklich.



Antwort von cebros:

Wenn es sich um einen üblichen CMOS-Sensor, wie in den meisten Camcordern und DSLRs handelt, dürfte der Rolling Shutter zum Problem werden. Da wird nämlich nicht der gesamte Sensor gleichzeitig belichtet (und auch ausgelesen), sondern zeilenweise fotlaufend. Ein fallender Ball wird so zum Beispiel zum Oval. Die Frage, wann genau vor dem Auslesen die Belichtung stattfindet, wird da zur Nebensächlichkeit.

Für solche Experimente wäre eine Kamera mit Global Shutter bzw. eine mit CCD-Sensor erforderlich. Wie gross die Verzögerung hier ist, dürften wie oben erwähnt nur die Entwickler wissen. Sie dürfte zumindest konstant sein.