Bildaufnehmer

Videokamera

Eine Videokamera ist ein Gerät zur Bildaufnahme und dessen fortlaufender Umwandlung in elektrische Signale. Im Gegensatz zur Filmkamera, die auf fotografischer Technik basiert, steht das Bildsignal sofort zur Verfügung.

Zur Aufzeichnung des Tones ist bei Consumer- und Prosumer-Modellen ein Mikrofon integriert; professionelle Kameras (z. B. für Broadcasting) haben stattdessen hochwertige Anschlüsse. Bei ihnen werden unterschiedlich spezialisierte Mikrofone je nach Aufnahmesituation angeschlossen. Im weiteren Sinne werden auch Digitalkameras als Video-Kameras bezeichnet. Eine Videokamera mit integriertem Videorekorder nennt man Camcorder.

Bildaufnehmer

Nipkow-Scheibe

Die ersten Kameras basierten auf der sogenannten Nipkow-Scheibe. Das ist eine runde Scheibe mit etwa 30 Löchern, die in Form einer Spirale angeordnet sind. Das Bild wird auf einen rechteckigen Bereich der Scheibe projiziert. Die Bahn der Löcher in diesem Bereich bewirkt eine zeilenweise Abtastung des Bildes: ein Loch wandert immer in eine Richtung, um am Rand zu verschwinden. Dann taucht das nächste Loch etwas weiter unten auf und tastet die nächste Zeile ab. Das gesamte hindurchtretende Licht liefert somit das Videosignal und wird mit einem schnellen Fotoempfänger (Fotozelle) aufgenommen.

Mehr Informationen zu diesem Thema findet man unter mechanisches Fernsehen.

Ikonoskop

Das Ikonoskop (griechisch) ist eine Fernsehaufnahmeröhre, die von Wladimir K. Zworykin 1923 erfunden wurde und die eine Schicht aus mikroskopisch kleinen Photozellen enthält, die durch einen Elektronenstrahl abgetastet werden. Das Ikonoskop löste mechanische Abtastverfahren ab. Später wurde die Ikonoskoptechnik weiter verbessert und noch bis in die 1990er-Jahre verwendet.

Vidicon

Das Vidicon-System arbeitet ebenfalls mit einer Kathodenstrahlröhre und kommt auch heute noch bei Spezialanwendungen (Medizin, strahlenbelastete Orte) zum Einsatz.

CCD-Chip

CCDs stellten einen wichtigen Schritt zur Verkleinerung von Videokameras dar. Inzwischen übertreffen sie die Qualität von Ikonoskopen deutlich. Bei besonders hochwertigen Kameras werden die Bildsensoren gekühlt. Dies ermöglicht wesentlich rauschärmere Bilder. Das Rauschen soll selbst nach einer Verstärkung (Gain) um 16 dB kaum wahrnehmbar sein. Billige Kameras haben keine Blende, sondern regeln die Belichtung über die Ladungszeit.

Je größer die Fläche des eingesetzten Bildsensors, desto mehr Licht kann „eingefangen“ werden. Dadurch steigt die Lichtempfindlichkeit des eingesetzten Chips, das besonders bei schlechten Lichtverhältnissen auftretende Bildrauschen verringert sich. Gängige Größen sind 1/6″,1/4″ ,1/3,4″,1/3" oder 1/2"(1″ = 2,54 cm). Die Auflösung des Bildwandlers sagt nicht unbedingt etwas über die tatsächlich gebotene Auflösung aus. Die Pixelangabe auf dem Gehäuse bezieht sich meist auf die reine Fotofunktion. Welche Anzahl für Videoaufnahmen verwendet wird, wird meist nicht so deutlich hervorgehoben. Ein Teil der angegebenen Pixel wird gerne für den digitalen Bildstabilisator verwendet. Interessant ist hier immer nur die Netto-Pixelmenge, die tatsächlich zum Filmen verwendet wird. Üblicherweise liegen diese Werte im Megapixel-Bereich oder knapp darunter (800.000 Pixel ist ein durchaus üblicher Wert für PAL-Kameras). Gespeichert werden kann ohnehin nicht mehr, als es die beispielsweise die europäische Norm (PAL-Format) verlangt: das sind 720×576 Pixel. Bei hochwertigen Kameras und professionellen Geräten zur Filmproduktion, wie HDCAM, werden drei 2/3″-Sensoren mit jeweiligen Auflösungen von deutlich über 2.000.000 Pixel eingesetzt.

CMOS-Sensoren

Diese Art der Bildaufnehmer, auch als Active Pixel Sensor bekannt, nutzt die CMOS-Technik. Diese Sensoren waren anfangs vor allem in sehr billigen Kameras zu finden. Nach der inzwischen stattgefundenen Weiterentwicklung werden sie aber auch für anspruchsvolle Beobachtungsaufgaben und für die Bildverarbeitung genutzt. Der CMOS-Chip nimmt das Bild kontinuierlich auf, kann also zu beliebiger Zeit ausgelesen werden. Die Zahl der Bilder pro Sekunde hängt davon ab, wie hoch die Pixel-Frequenz und die Zahl der Pixel des ausgelesenen Bildausschnittes sind, liegt aber höher als beim CCD-Chip. Einzelne Pixel können in ihrer Funktionalität programmiert und einzeln oder in Gruppen ausgelesen werden. Die Dynamik (die Spannweite zwischen dem schwächsten und dem stärksten noch einwandfrei aufgenommenen Signal) des CMOS-Chips liegt bedeutend höher als beim CCD-Chip, extreme Beleuchtungssituationen (z. B. aufgeblendete Autoscheinwerfer nachts in einem unbeleuchteten Tunnel) können mit bisher nicht erreichter Präzision dargestellt werden. Der sogenannte Smear-Effekt tritt bei CMOS-Sensoren kaum oder überhaupt nicht auf. Darüber hinaus zeichnet sich die CMOS-Technik durch geringen Stromverbrauch und hohe Bildübertragungsraten aus (bis zu 300 kb/s gegenüber 100 kb/s bei der CCD-Technik). Trotz dieser beachtlichen Vorzüge ist die CMOS-Technik der CCD-Technik nicht in jeder Beziehung überlegen.

Einzug ins Filmgeschäft

Ab dem Jahr 2000 begannen Camcorder verfügbar zu werden, die auf Filmproduktion ausgerichtet waren, als wichtigste Gruppe die Geräte nach der HDCAM-Norm. Diese Camcorder kosten als System fünf- bis sechsstellige Summen und wurden ab ihrer Verfügbarkeit von einigen Regisseuren, Produzenten und Kameramännern für die Produktionen eingesetzt. Diese digitalen Kinokameras unterscheiden sich von ihren Artgenossen für TV-Produktion und Privatanwender enorm.

Für digitale Kinokameras werden inzwischen CMOS Sensoren mit über zwölf Megapixel eingesetzt, und die Sensoren haben S-35-mm-Filmbild-Größe. Beispiele hierfür sind Arri D-20, Dalsa oder RED

Farbtrennung

Um ein farbiges Videosignal zu erzeugen, benötigt man drei Farbkomponenten (rot, grün, blau). Auch als RGB, additive Farbmischung und Lichtfarben aus der Farblehre bekannt.

Auftrennung in 3 monochrome Bilder

Die offensichtlichste Weise, die Farbbtrennung zu erreichen, ist es, drei Bildaufnehmer für je eine Farbe zu verwenden („Drei-Chipper“) und sie über eine Optik zu koppeln, die mit Filtern auch die Farbtrennung übernimmt. Im Zeitalter der Vidicons war das Verfahren gebräuchlich. Heutige 3-Chip-Kameras verteilen das durch das Objektiv fallende Licht über Prismen bzw. Teilerspiegel auf drei monochrome CCD-Chips. Durch Farbfilter wird erreicht, dass ein Chip die Grünanteile aufnimmt, die anderen beiden jeweils rot bzw. blau. Dieses Verfahren führt zu sehr hochwertigen Bildern und wird daher im professionellen Bereich verwendet.

sequenzielle Farbtrennung

Vorher experimentierte man mit sequenzieller Farbtrennung. Ein sich drehender Farbfilter filterte abwechselnd die drei Farbkomponenten heraus. Dreht sich ein gleicher Filter synchron beim Empfänger vor einer weiß leuchtenden Wiedergaberöhre, so entsteht dort für das Auge ein Farbbild. Diese Versuche wurden aber bald eingestellt. In der Raumfahrt verwendet man solche Farbfilter noch, da hier sehr viele Frequenzbereiche benötigt werden.

Farbtrennung auf Pixelebene

Insbesondere bei preiswerten Kameras („Ein-Chipper“) wird ein anderes Verfahren verwendet. Der Bildaufnehmer-Chip trägt vor jedem Pixel abwechselnd Farbfilter der jeweiligen Farbe, sodass unterschiedliche nebeneinanderliegende Bildpunkte unterschiedliche Farbanteile aufnehmen. Eine Elektronik erzeugt daraus ein Farb-Videosignal. Die erforderliche höhere Pixelzahl (pro Bildpunkt 2×grün, 1×rot, 1×blau) führt meist zu einer schlechteren Auflösung; in jedem Fall aber ist die Farbdarstellung nicht so genau wie bei 3-Chip-Kameras. Ein Bildaufnehmer, der dieses Verfahren nutzt, ist der Bayer-Sensor.

Vergleich 1-Chip- und 3-Chip-CCD-Verfahren

Nach dem PAL-Format (amerikanisch: NTSC-Format) werden auf dem Fernsehbildschirm 720×576 Bildpunkte dargestellt. Um die vollständige Information im Camcorder zu speichern, müsste der Chip mindestens über 414.720×3 Bildpunkte verfügen. Da die Bildpunkte bei PAL länglich sind, werden allerdings tatsächlich 768 x 576 der stets quadratischen CCD/CMOS-Pixel, insgesamt also 442.368x3 benötigt, die dann auf 720x576 umgerechnet werden. Bei 16:9-Aufzeichnung sind 1024 x 576 = 589.824 x 3 Pixel notwendig, die ebenfalls in 720 x 576 Bildpunkte, jedoch anamorphotisch gestaucht, umgerechnet werden. (Anm.: Da Bildsensoren i.d.R. ein Seitenverhältnis von 4:3 aufweisen, müssen in 16:9-fähige Kameras tatsächlich Bildsensoren eingebaut werden, die 1024 (horizontale Auflösung von 16:9 PAL) x 768 (3/4 von 1024) = 786.432 Pixel haben. Hat der Sensor weniger Pixel, kann man annehmen, dass kein echtes 16:9 Bild erzeugt wird, sondern ein Ausschnitt aus dem 4:3-Bild skaliert wird (blow up).) Die Anzahl muss mit drei multipliziert werden, da ein Bildpunkt nicht die komplette Farbinformation, sondern nur Helligkeitsunterschiede wahrnehmen kann. Bei einem 3-Chip-Modell werden die Farben über ein Prisma in die Anteile Rot, Grün und Blau (RGB) zerlegt und auf die drei Chips verteilt. Ohne Berücksichtigung eines digitalen Bildstabilisators würde diese Pixelanzahlen ausreichen, alle benötigten Bildinformationen auf einen Fernsehbildschirm wiederzugeben.

Bei einem 1-Chip-Modell geschieht die Bildspeicherung auf andere Weise. Da jeder CCD-Bildpunkt nur Helligkeitsunterschiede wahrnimmt, wird vor jedem Bildpunkt ein Farbfilter (Bayerfilter) entweder mit Grün, Rot oder Blau gesetzt. Das DV-Signal wird im Verhältnis 4:2:0 (YCbCr-Farbmodell) aufgezeichnet. Mit Y wird die Luma-Komponente bezeichnet, welche nur Helligkeitsunterschiede speichert und U und V bezeichnen die Farbdifferenzkomponenten (Chroma). Das bedeutet, dass für jedes Pixel die Helligkeit und für vier Pixel lediglich ein Farbwert gespeichert werden. Da das menschliche Auge auf Helligkeitsunterschiede wesentlich empfindlicher reagiert als auf Farbunterschiede, kann diese Reduktion ohne große Verluste vorgenommen werden.

Rechnerisch ergibt sich für eine Darstellung eine Pixelmenge von 720×576×3/2=622.080. Es muss mit drei multipliziert werden, da drei Bildpunkte für jede Farbe notwendig sind. Durch die Reduktion (4:2:0) ins YCbCr-Farbmodell wird wieder die Hälfte (Division durch 2) eingespart.

Kommt ein digitaler Bildstabilisator zum Einsatz, kann sich die erforderliche Pixelmenge nochmals um 60 % oder mehr steigern.

Der Vergleich zeigt, dass ein 1-Chip-Modell inzwischen durchaus gleiche Qualitäten erzeugen kann wie ein 3-Chip-Modell. Beim 1-Chip-Modell (1-Chipper) wird die recht aufwendige optische Bildaufteilung gespart. Bei immer höher auflösenden Sensoren - heute (2004) sind Chips mit mehr als 8 Millionen Pixel in der digitalen Fotografie keine Seltenheit - können 1-Chipper durchaus mit 3-Chip-Anordnungen konkurrieren.

Es geht eine immer höhere Auflösung bei gleichbleibender Chip-Größe stets mit vermehrtem Bildrauschen einher. In ungünstigen Lichtsituationen kann sich dann die Situation ergeben, dass die niedriger auflösende Kamera mit dem größeren Chip ein viel besseres Bild liefert als die allerneueste, ultrahochauflösende Kamera mit einem 1/6"-Chip. Eine Faustregel für den Kauf sagt nicht umsonst: »den größten Bildwandler nehmen, den man kriegen kann«. Das bedeutet nach heutigem Stand (2005) im Consumer- bis Prosumerbereich 1/3" bis 2/3".

Bildstabilisator

elektronisch

Dabei wird ein Wandlerchip eingesetzt, der störende Ruckler durch das Verschieben eines kleineren Bildausschnittes (Lesefenster) auf der großen Chipfläche ausgleicht. Dabei ist die Netto-Chipauflösung jedoch deutlich kleiner als die vom Hersteller oft ausschließlich angegebene gesamte Chipauflösung.

optisch

Der optische Bildstabilisator ist der digitalen Stabilisierung vorzuziehen, weil die volle Auflösung des Bildwandlers für die Aufnahme zur Verfügung steht. Hier erfolgt ein Ausgleich durch mechanisch (z. B. mit Magnetfeldern) bewegte „schwimmende“ Linsen, die den unerwünschten Bewegungen sensorgesteuert entgegenlaufen. Optischen Bildstabilisatoren sind erst bei Camcordern im oberen Preissegment zu finden.

Objektiv

Das verwendete Objektiv ist das wichtigste Bauteil zur Erzielung guter Ergebnisse. Auch die beste Elektronik wird nicht ausgleichen können, was bereits im Objektiv „verdorben“ wird (beispielsweise Unschärfen, Randabschattungen, Verzerrungen, chromatische Aberrationen). Das Objektiv muss nicht nur die erforderliche Auflösung und Schärfe auf den Bildwandler projizieren, sondern darf zugleich auch nur sehr wenig oder kein Streulicht erzeugen. Das wird durch die Vergütung der Linsen erreicht, erkennbar an einem bläulichen oder – seltener – bräunlichen Schimmer der Frontlinse. Für den optischen Zoom werden Zoomobjektive verwendet; es gibt praktisch keine Videokameras mehr ohne optischen Zoom. Der digitale Zoom ist nichts weiter als eine elektronische Vergrößerung des vom Objektiv an den Bildwandler gelieferten Bildes. Dabei werden allerdings die Pixelstrukturen genauso vergrößert wie das eigentliche Motiv. Die Auflösung verringert sich je nach Vergrößerungsmaßstab bis hin zur Unbrauchbarkeit des digital gezoomten Bildes. Dagegen bietet der optische Zoom bei verschiedenen Zoomfaktoren stets dieselbe Auflösung. Weil Weitwinkelobjektive aufwendiger konstruiert sind als andere Objektive, ist bei Videokameras der Weitwinkel- und Makrobereich meist nur sehr gering. Zwar kann durch Verwendung von Vorsatzlinsen Abhilfe geschaffen werden, die allgemeine Bildqualität wird jedoch dadurch grundsätzlich schlechter. Brauchbare Weitwinkelvorsätze sind sehr teuer. Die – so vorhanden – automatische Schärfenregelung kann durch Vorsätze an dem Objektiv beeinträchtigt werden.

Bauformen

Camcorder weisen zahlreiche mögliche Unterschiede in ihren konkreten Ausgestaltungen auf, die von ihrem Einsatzzweck und Preis mitbestimmt werden. Im folgenden wird ein Versuch zur Darstellung der verschiedenen Unterscheidungsmerkmale bei den bekannten Bauformen gemacht.

• Trage- und Haltungsbauform: Hier wird zwischen Schulterkameras, die auf der Schulter geführt werden, und Handkameras, die vor dem Körper gehalten werden, unterschieden. Schulterkameras weisen an der Unterseite eine Ausformung zur Auflage auf der Schulter und einen entsprechenden, auf der Schulter liegenden Schwerpunkt auf. Der Auslöser befindet sich meist an einem Anbau vorne rechts, mit dem die Kamera zugleich mit der rechten Hand stabilisiert wird. Der Sucher ist seitlich angebracht. Handkameras sind in der Regel kompakter und leichter, der Sucher befindet sich in der Regel am hinteren Ende der Kamera, der Auslöser an verschiedenen Stellen, entsprechend den Annahmen des Herstellers dazu, wie die Kamera gehalten werden soll.

• Rekorderanbau: Bei der überwiegenden Anzahl von Camcordern bilden Kamerakopf (mit Aufnahmeelektronik und Bedienteil) und der Rekorderteil eine integrale Einheit. Bei anspruchsvolleren Kameras gibt es allerdings Modelle, bei denen der Rekorder an den Kopf angesteckt wird, und bei denen somit durch Rekordertausch auf verschiedene Medien aufgezeichnet werden kann.

Elektrische und Softwareschnittstellen

Es gibt verschiedene Stufen der Vorverarbeitung des Bildsignales einer Videokamera. Den analogen und digitalen Datenformaten ist die serielle Ausgabe gemeinsam.

Analoge Ausgabe

Zeilenweise Abtastung und Ausgabe der Helligkeitsinformationen aller (schwarz/weiß) oder der drei Einzelfarben.

• getrennte Ausgabe der drei Farbintensitäten und der Synchronsignale (Zeilen- und Bildsynchronsignal)
• Ausgabe der Farbinformation und der Helligkeit sowie der Synchronsignale
• Ausgabe aller Informationen auf einer Leitung (mixed Signal oder composite Video, PAL-codiert)

Digitale Ausgabe

Serielle digitale Datenschnittstellen für Videokameras sind z. B. FireWire® (IEEE1394, bei Sony: iLink®) oder USB 2.0, sowie zur Übertragung unkomprimierter Daten über SDI und HD-SDI bzw. von komprimierten Daten SDTI.

Bei der Übertragung von Videodaten an einen PC ist eine Verbindung über IEEE1394 stets der USB-Verbindung vorzuziehen.

Zur Umwandlung analoger Videosignale in digitale Datenformate gibt es Adapterbaugruppen.

Softwareschnittstellen für ein Videosignal am Computer dienen der Anzeige, Weiterverarbeitung oder Speicherung der Bildsequenzen (Videos), Beispiele: SANE, TWAIN.

Siehe auch

• Video-Fachbegriffe, Videoformat, Magnetaufzeichnung, Bildauflösung
• Videojournalist
• Videoüberwachung
• Koronakamera
• Camcorder

Weblinks

• Camcorderklassen (Profi-, Semiprofi-, Consumer-Klasse) & Digitalkameras nach Sensorgröße im Vergleich
• Filmformate vom Camcorder bis zum Kinofilm