Hochgeschwindigkeitskameras im Physikunterricht

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1 Allgemeines zu Hochgeschwindigkeitskameras auch in der Casio-Kamera geschnitten werden. Erstaunlich ist auch, zu welch günstigem Preis diese Hochgeschwindigkeitstechnologie angeboten wird. Das Modell, das als Grundlage dieser Ausarbeitung diente, ist die Casio EX F1. Die unverbindliche Preisempfehlung ist bei 799 e und damit im Bereich von Amateur- Spiegelreflexkameras gelegen. Casio bietet inzwischen nur noch günstigere Alternativen zur EX F1 an. Diese bieten allerdings keine so hohe Frame-Rate, außerdem ist die Auflösung geringer 5 . Beispielsweise die Casio EF FH20, welche maximal 1000 fps 6 bei einer Auflösung von 224x56 bzw. im YouTube-Modus 224x80 Pixel liefert. Dieser Modus optimiert das Video für das Hochladen auf YouTube. Sie kostet 499 e UVP 7 . Casio hat auch kleine Kompaktkameras mit Highspeed-Videofunktion ab 299 e UVP, wie beispielsweise die Casio Exilim EX FC 100 oder die teurere „Schwester“ Casio Exilim EX H10 (UVP 329 e). Aktuell 8 gibt es sechs verschiedene Hochgeschwindigkeitskameras von Casio: • Casio EX-F1 (300 fps bis 1200 fps) • Casio EX-FH20 (210 fps bis 1000 fps) • Casio EX-FH25 (120 fps bis 1000 fps) • Casio EX-FH100 (120 fps bis 1000 fps) • Casio EX-FC100 (210 fps bis 1000 fps) • Casio EX-FS10 (210 fps bis 1000 fps), die Werte in Klammern beschreiben jeweils die geringste und die höchste Anzahl von Bildern pro Sekunde im Hochgeschwindigkeitsmodus. Ungeachtet dessen bieten die Kameras immer auch reguläre Aufnahmen mit 30 fps an. 1.3. Die Casio EX FS 10 - klein und kompakt Ein weiteres Modell, welches von Casio 14 Monate nach der EX F1, im Mai 2009, auf den Markt gebracht worden ist, ist die Casio EX FS10. Ihr Vorteil ist unbestreitlich ihre geringe Größe, aber auch, dass die Videos gleich im avi-Format und Motion-Jpeg-Codec gespeichert werden. Damit entfallen einige Schritte zwischen Aufnehmen des Experimentes und dem Analysieren mit measure dynamics. Bei dieser Kamera hat man die Wahl zwischen: 8 • Einzelbilder mit einer Auflösung von 9,1 Megapixel • 30 Fotos in Serie (Wahl zwischen 30 Fotos in 1 s, 2s, 3s, 6s bzw. 10 s.) • 30 Vollbilder/s im HD-Modus (Auflösung: 1280 × 720 Pixel) • 30 Vollbilder/s im STD Videoformat (640 × 480) 5 Stand November 2010. 6 fps heißt frames per second und ist die offizielle Abkürzung für Bilder pro Sekunde. 7 Unverbindliche Preisempfehlung. 8 Am 10. November 2010, vgl. [HP-].
1.4 Systematischer Fehler von Hochgeschwindigkeitskameras mit CMOS-Sensoren Abbildung 1.2.: Die Casio EX-FS10 • 210 Vollbilder/s, entspricht 7× Zeitlupe (Auflösung 480 × 360) • 420 Vollbilder/s, 14× Zeitlupe (224 × 168) • 1000 Vollbilder/s, 33, ¯3× Zeitlupe (224 × 64) Zusätzlich hat man die Möglichkeit, Vorwegaufnahmen zu machen, d.h. die 5 s vor dem Starten der Aufnahme 9 sind ebenfalls in der Videodatei enthalten. Verständlicherweise reduziert sich die Laufzeit des Akkus bei dieser Einstellung. 1.4. Systematischer Fehler von Hochgeschwindigkeitskameras mit CMOS-Sensoren Hochgeschwindigkeitskameras lesen sehr schnell viele Informationen aus. Leicht einsichtig ist, dass das Auslesen, Umwandeln der Informationen und das Zusammensetzen dieser zu einem ganzen Bild (Frame) durch den Sensor nur nacheinander erfolgen kann, obwohl die CMOS-Sensoren permanent Signale ausgeben (Stichwort ROIC). Da eingebaute, mobile Prozessoren in der Regel nicht so leistungsstark sind, kommt es in Grenzbereichen auf den einzelnen Bildern zu Zeitunschärfen (Rolling-Shutter-Effekt). Sie entstehen durch das zeitversetzte Auslesen der einzelnen Pixel. Der einzelne Frame stellt also nicht die Mo- mentansituation mit einer Belichtungszeit von Δt = 1 # fps dar, wobei # fps die Anzahl der Bilder pro Sekunde ist. Genau genommen ist ein Bild die Summe der einzelnen Bildpunkte, welche in Wirklichkeit unterschiedliche Momentaufnahmen des Motives sind. Dieser Effekt wird als Rolling-Shutter-Effekt bezeichnet. 1.4.1. Theoretische Überlegungen zum „Rolling-Shutter“-Effekt von Hochgeschwindigkeitskameras Das Hauptaugenmerk richtet sich auf die Zeitverschiebung zwischen den Zeilen, da dieser Effekt wesentlich deutlicher zu Tage tritt als die Zeitverschiebung zwischen benachbarter Pixel einer Zeile. Betrachten wir zuerst speziell die verwendete Kamera. 9 Bei Hochgeschwindigkeitsaufnahmen sind es „nur“ 2 s. 9
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