Periodische Änderungen des Lichtstroms von Lichtquellen und Leuchten können bei der Bildaufnahme entfernbare oder nicht entfernbare Artefakte verursachen - z. B. unterschiedlich helle Streifen in Fotos oder flimmernde Bereiche in Videoaufnahmen. Das menschliche Auge nimmt ein Bild im Wesentlichen kontinuierlich wahr, und es gilt das Talbot'sche Gesetz, d. h. oberhalb der Fusionsfrequenz registriert man nur den Mittelwert der Lichtmenge.

Kameras und Camcorder arbeiten jedoch mit Zeitabtastung, d. h. sie fangen Licht für ein bestimmtes Zeitintervall ein, das durch das Öffnen des Verschlusses gegeben ist.

Der Rolling Shutter arbeitet nach dem Prinzip des sukzessiven Auslesens einzelner Zeilen der Matrix des belichteten Bildsensors. Die einzelnen Zeilen des Sensors werden also mit einer gewissen Verzögerung belichtet. Die durch diesen Verschluss verursachten Bildfehler sind die Schrägstellung eines sich bewegenden Objekts (z. B. eines Fahrzeugs), die Verbiegung rotierender Teile (z. B. eines Propellers), das Herausfallen eines Teils des Objekts (eines Propellers, eines Blitzes am Himmel), das Auftreten unterschiedlich heller oder farbiger Streifen im vorbeiziehenden Licht - siehe Abb. 1, wo der Verschluss aufgrund der schrittweisen Belichtung einzelner Zeilen verschiedene Phasen des Lichtstroms erfasst hat. Ein mechanisches Analogon des Rolling Shutters ist der Schlitzverschluss einer Kamera, der Bilder von bewegten Objekten verlängern oder verkürzen kann.

Abb. 1: Foto einer Leuchte mit Schlieren, die durch flackernde Leuchtstofflampen mit Dimmer verursacht werden; aufgenommen mit einem Nokia 6303i Telefon mit elektronischem Rollladen; in Wirklichkeit ist die Szene ohne Schlieren

Der globale elektronische Shutter wird direkt auf dem Bildsensor in Form von maskierten Pixeln neben jedem belichteten Pixel implementiert. Bei einigen Sensoren ist die Hälfte der Matrix maskiert. Die Nachteile können höhere Kosten und eine größere Sensorgröße sein. Der Vorteil ist die synchrone Belichtung aller Pixel. Die beim Rolling Shutter erwähnten Nachteile der verzögerten Zeilenbelichtung treten nicht auf. Die Auslesung der Ladungen aus dem abgeschatteten Teil ist die gleiche wie beim Rolling Shutter, jedoch ohne den Druck auf die Übertragungsrate. Sein mechanisches Äquivalent ist der Zentralverschluss einer Kamera oder der rotierende Sektorverschluss einer Filmkamera. Einige hochwertige Digitalkameramodelle verfügen auch über einen mechanischen rotierenden Sektorverschluß. Modernere Digitalkameras haben ebenfalls einen mechanischen (zentralen) Verschluss. Der Vorteil, vor allem bei hohen Auflösungen, ist die Möglichkeit, einen einfacheren Sensor mit Rolling Shutter zu verwenden, ohne dessen Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Bei einigen Geräten hat der Benutzer die Wahl, den mechanischen Verschluss zu verwenden oder ihn offen zu lassen und nur den elektronischen Verschluss zu nutzen.

Ursprung des Flimmerns

Wenn der Verschluss geöffnet ist, wird das Licht in eine Ladung umgewandelt, die in die einzelnen Pixel des Sensors integriert wird. Wenn diese Zeit ein ganzzahliges Vielfaches der Beleuchtungsschwankungsdauer ist, ergibt die Integration einen mittleren Beleuchtungswert. In Ländern mit einer Netzfrequenz von 50 Hz ist es daher ratsam, Belichtungszeiten von 1/50 und 1/100 s zu wählen, in Ländern mit einer Netzfrequenz von 60 Hz Zeiten von 1/60 und 1/120 s [1]. Diese Zeiten können jedoch für sich schnell bewegende Aufnahmen zu lang sein. Wenn die Belichtungszeit kein ganzzahliges Vielfaches der Beleuchtungsschwankungsdauer ist, kann es zu einem Flimmern im Filmmaterial kommen, das sehr störend ist, vor allem wenn große helle Bereiche aufblitzen. Stellen Sie sich die Shutter-Funktion als Multiplikation des Bildsignals mit einer Rechteckwellenform vor; es ist möglich, die goniometrische Identität des Produkts für die ersten harmonischen Komponenten der beiden Wellenformen zu verwenden:

sin (2πf1)sin (2πf2) = ½cos [2π(f1 - f2)] - ½cos [2π(f1 + f2)]

Ein Element mit niedriger Differenzfrequenz ist für die Flimmerstörung unerlässlich.

Fortschrittlichere Kameras können das Flimmern erkennen und die erforderliche Belichtungszeit einstellen. Die meisten Kameras verfügen über eine Einstellung zur Flimmerunterdrückung, die als Anti-Flicker oder Fluoreszenzfrequenz bezeichnet wird, mit den Optionen 50 Hz/EU und 60 Hz/US, oder aus. Nach dem Shannon'schen Theorem muss ein Signal mit einer bestimmten Frequenz mit einer Frequenz abgetastet werden, die mindestens doppelt so hoch ist wie die der Abtastung, um aus den Abtastwerten rekonstruiert werden zu können. Abbildung 2 zeigt eine Situation, in der ein sinusförmiges Signal mit einer Frequenz von 100 Hz mit einer Frequenz von 330 Hz (blau) und mit einer Frequenz von 120 Hz (rot) abgetastet wird. Im ersten Fall ist die Bedingung fs > 2f erfüllt, und das ursprüngliche Signal kann aus den Abtastwerten rekonstruiert werden. Im zweiten Fall ist die Bedingung nicht erfüllt, es kommt zu Aliasing und die Rekonstruktion ergibt eine Wellenform mit einer Differenzfrequenz von 20 Hz.

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Abb. 2. Abtastung und Rekonstruktion von Signalen aus Abtastwerten und Niederfrequenzerzeugung

Blinkender Datensatz

Wenn das Filmmaterial bereits mit Flimmern aufgenommen wurde, gibt es in professionellen Videobearbeitungsprogrammen Softwarefilter mit Namen wie Antiflicker, Flicker-free oder DEflicker, die das Flimmern unter eine nachweisbare Grenze unterdrücken können. Sie werden auch für Zeitrafferaufnahmen verwendet. Flimmern im Fernsehsignal kann in Echtzeit unterdrückt werden, indem Hardware-Filter eingesetzt werden, die das Störsignal rekonstruieren und vom aufgezeichneten Signal abziehen, wobei die Ausgabe um einige Fernsehbilder verzögert wird. Sie werden z. B. bei der Übertragung von Sportspielen eingesetzt, die nur von Netzfrequenzröhren beleuchtet werden. Der Entwurf [2] stammt aus Japan, wo die Netzfrequenz im östlichen Teil 50 Hz und im westlichen Teil 60 Hz beträgt und das analoge Fernsehen mit 60 Halbbildern pro Sekunde übertragen wurde.

Die zeitlichen Artefakte im Film sind ein Beleg für das stroboskopische Phänomen. Im Englischen kann man auf den Wagenrad-Effekt stoßen, den man zum Beispiel aus Western kennt. Verglichen mit der Geschwindigkeit einer Postkutsche drehen sich die Räder langsamer, zur anderen Seite oder scheinen zu ruhen. Wenn die Postkutsche beschleunigt oder verlangsamt wird, kann der Eindruck eines komischen Richtungswechsels entstehen. Ein ähnliches Phänomen lässt sich auch bei Aufnahmen von fahrenden Traktoren beobachten. Im Sommer, wenn das intensive Licht eine kurze Belichtungszeit erfordert, sind die Details der Räder deutlich sichtbar. Siehe auch Abb. 2 für die niedrigen Frequenzen.

Bei der Aufnahme von rotierenden Objekten mit einer Kamera mit Rolling Shutter, z. B. einem Propeller, kann es zu paradoxen Situationen kommen, wenn sich der Propeller im Video sehr langsam bewegt, die falsche Anzahl von Blättern hat, gerissen ist, sich in eine Spirale dreht oder sich überhaupt nicht bewegt (was besonders bei Hubschraubern erschreckend ist).

Veränderbare Verkehrszeichen oder Verkehrsinformationstafeln werden manchmal mit LEDs im Multiplexbetrieb ausgeführt. Dabei werden die einzelnen Elemente zum Beispiel für ein Zehntel der Zeit mit der zehnfachen durchschnittlichen Intensität beleuchtet. Oberhalb der Spleißfrequenz nimmt man dann zwar das Gesamtbild wahr, mit Hilfe einer Kamera oder eines Fotoapparates sieht man jedoch ein Teilbild, aus dem das Schild nicht erkennbar oder der Text der Informationstafel unleserlich ist, insbesondere bei hoher Umgebungslichtintensität. In Verkehrszeichenerkennungssystemen werden daher spezielle Bildsensoren eingesetzt.

Barcodesensoren können durch intensives, stark moduliertes Licht bis zu Frequenzen von einigen zehn Kilohertz gestört werden. Da sie in der Regel rotes Licht (LED oder Laser-LED) erfassen, sind sie für Störungen in diesem Bereich am anfälligsten. Leichtere Störungen verlängern nur die Zeit zum Lesen des Codes, während stärkere Störungen es unmöglich machen, die Codes überhaupt zu lesen.

LED-Anzeigen oder VFDs im Multiplexbetrieb können neben dem Flackern auch überraschende Effekte auf der Aufnahme zeigen - nur ein Teil der Ziffern wird auf dem Bild der Digitaluhr erfasst oder die Aufnahme zeigt ein Verrutschen einzelner Zeichen oder ihrer Elemente, obwohl das Auge einen stabilen Text wahrnimmt. Blinkende Anzeigen können von dem beabsichtigten Fokus der Szene ablenken.

Monitore mit konventionellem Bildschirm (CRT) flimmern in der Regel bei der Aufnahme, da die Bildwiederholfrequenz in der Regel zwischen 60 und 85 Hz liegt, also höher als die Halbbildfrequenz der Kamera.

Fernsehgeräte mit klassischem Bildschirm flimmern normalerweise nicht bei der Aufnahme. Manchmal bewegt sich ein hellerer und dunklerer horizontaler Balken langsam über den Bildschirm. Die Geschwindigkeit dieser Bewegung entspricht dem geringen Unterschied in der Bildrate zwischen Kamera und Bildschirm, wobei der hellere Teil während eines einzigen Kamerabildes offenbar zweimal belichtet wird.

Bei LCD-Displays und Fernsehern treten diese Effekte in einem weitaus geringeren Ausmaß auf, was wahrscheinlich von der Durchdringung der Netzfrequenz mit dem Ausgang des Wechselrichters für die Leuchtstoff- oder LED-Hintergrundbeleuchtung des Displays abhängt.

Die Rücklichter von Fahrzeugen , deren LEDs im Impulsbetrieb arbeiten, können auf Videoaufnahmen flackern, obwohl das menschliche Auge eine gleichmäßige Lichtintensität wahrnimmt.

Aus dem Blickwinkel des Kameramanns

Aus der Sicht des Kameramanns ist es wünschenswert, neben den korrekten Kameraeinstellungen die Aufnahme vorzubereiten, indem er prüft, dass der Raum bei verschiedenen Beleuchtungseinstellungen, einschließlich Abblendung, nicht flimmert, selbst wenn sich die Kamera bewegt. Die Aufnahme kann auch in der Postproduktion flimmerfrei gemacht werden.

Aus der Sicht der Beleuchtungstechnik

Aus lichttechnischer Sicht ist es wünschenswert, dass die Beleuchtung nicht flackert und keinen stroboskopischen Effekt erzeugt, wie es die EN 12464-1:2012 in Artikel 4.8 fordert - sowohl aus menschlicher Sicht als auch aus der Sicht der immer weiter verbreiteten Bildaufnahmegeräte. Diese Anforderung kann durch die Versorgung von Lichtquellen mit dem geringsten Rippelstrom (vorzugsweise Gleichstrom) oder einem Strom mit höherer Frequenz (vorzugsweise in der Größenordnung von Kilohertz oder mehr) erfüllt werden. Wenn die Beleuchtungssysteme dimmbar sind, sollten sie diese Anforderung in allen Einstellungen erfüllen.

Der nächste Teil des Artikels ist den Stromversorgungsschaltungen von Leuchtdioden in Bezug auf die Mischung gewidmet.

Literatur:

[1] Vermeiden Sie Videoflimmern. Urban Video Inc. [online]. 2014 [cited 2018-05-04]. Verfügbar unter: http://urbanvideo.ca/avoid-video-flicker.

[2] OHTSUKA, Yoshimichi und Yuichi NINOMIYA. Fernseh-Flicker-Eliminator für Leuchtstofflampen. Tokio: NHK Science and Technical Research Laboratories, 1985. Anmerkung der NHK-Laboratorien. Erhältlich bei NTK.

Author.
Antonín Fuksa, NASLI & Blue step Veröffentlicht in Světlo 3/2018