Wenn man schnelle Bewegungen auf einem Foto festhalten will, dann braucht man kurze Belichtungszeiten – handelsübliche Kameras haben meist 1/1000s im Angebot; das reicht aus, um auch schnelle Bewegungen bei Sport noch irgendwie auf den Sensor zu bekommen (vorausgesetzt, es ist hell genug). Hochgeschwindigkeitskameras schaffen auch noch deutlich höhere zeitliche Auflösungen (in einem Forschungsprojekt, an dem ich mal beteiligt war, wurden Bilder mit etwa einer Millionstel Sekunde Belichtungszeit aufgenommen, um zu gucken, was passiert, wenn man Metalle bearbeitet). Aber auch in einer Millionstel Sekunde legt Licht immerhin noch eine Strecke von knapp 300 Metern zurück – insofern sind auch diese Kameras langsam.

Aber bevor wir uns die richtig schnellen Kameras angucken, hier zur Einstimmung aufs Thema ein schickes Video eines platzenden Ballons, aufgenommen mit 1400 Bildern pro Sekunde:

(Youtube-Video von Yo Suzuki)

Schon ziemlich nett – aber wie gesagt, immer noch recht langsam.

Die zur Zeit schnellsten Kameras sind so genannte “Streak”-Kameras (auf deutsch wohl “Schlieren-Kamera” oder “Schmier-Kamera”).

[Hmmm – hier merkt der Blogger, dass er von moderner Optik und Technik nicht wirklich viel Ahnung hat. Soll man so einen Artikel wirklich schreiben, wenn man nicht genau versteht, wie diese Kamera eigentlich funktioniert? Auf der anderen Seite ist das Thema aber zu cool, als dass man nicht drüber schreiben könnte. Ach was, dass man keine Ahnung hat,  kann man ja geschickt kaschieren – wird schon keiner merken…]

So eine handelsübliche Streak-Kamera verwendet einen Trick, um eine hohe Zeitauflösung hinzubekommen: Sie opfert eine Raumdimension, um das Signal in der Zeit auflösen zu können – letztlich kann man also nur eindimensionale Bilder aufnehmen (aber man kann den Prozess mehrfach wiederholen und damit doch ein 2D-Bild bekommen). Dazu wird das Licht, das aufgenommen werden soll, auf eine Photokathode geleitet. Dort kann es Elektronen herausschlagen (das ist der photoelektrische Effekt, den das Nobelpreiskommittee ausgenutzt hat, um Einstein seinen Nobelpreis zuzuschustern, ohne das Wort “Relativität”verwenden zu müssen [Rafinierter Blogger-Trick: Wenn man irgendwas nicht so ganz genau erklären will, dann einfach ein bisschen vollkommen unnötige Randinformationen einstreuen, das unterbricht den Lesefluss und keiner merkt (hoffentlich), dass das alles etwas wischi-waschi ist. Außerdem können dann alle wieder das Universal-Wissen des Bloggers bewundern…])

Das Licht trifft also auf die Photokathode und zwar – weil wir ja ein Signal in der Zeit auflösen wollen – nicht genau an allen Punkten zugleich. Das kann man ausnutzen, um die herausgeschlagenen Elektronen auseinanderzudröseln: Dazu legt man ein zeitlich sehr schnell variierendes elektrisches Feld an, so dass Elektronen, die zu unterschiedlichen Zeiten losgeschlagen wurden, unterschiedlich stark beschleunigt werden. Jetzt braucht man nur noch einen Detektor für die Elektronen (da reicht anscheinend ein normaler CCD-Chip wie in einer Kamera), und schon bekommt man ein eindimensionales Bild. Man kann das Ganze natürlich mehrfach wiederholen und damit dann aus mehreren solcher Bilder einen Film zusammensetzen – das ist wohl auch der Trick, mit dem 2011 diese Aufnahmen hier gemacht wurden:

(Visualizing Light over a Fruit with a Trillion FPS Camera, Camera Culture Group, Bawendi Lab, MIT )

Hier wurde ein Femtosekundenlaser über das Objekt geführt und dann wurden jeweils Einzelbilder gemacht und hinterher zu einem Film zusammengesetzt. [Hoffentlich habe ich das halbwegs richtig erklärt?]

[Hmm, da gucken wir ja irgendwie Licht auch schon beim Ausbreiten zu – eigentlich doof, denn das sollte ja erst mit der neuen Kamera gehen, die gleich erst kommt. Ob das wen stört?]

Auch wenn diese Bilder natürlich schick sind, sind sie trotzdem letztlich eindimensional und erst nachträglich wieder zusammengesetzt, was auch nur klappt, weil sich die Szene immer exakt wiederholen lässt. Ein echter 2D-Schnappschuss ist so nicht gelungen, insofern ist der Film also ein wenig geschummelt. [Glück gehabt, so ganz hat man Licht eben doch nicht beim Ausbreiten beobachtet…]

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Kommentare (18)

  1. #1 werner
    6. Dezember 2014

    Hallo Martin. Heute ‘nen Clown gefrühstückt ? 😉

  2. #2 rolak
    7. Dezember 2014

    hehe, was für ein quirliger Artikel für den ganz frühen Sonntag Morgen, oder ists die gelebte Verschränkung von post und metapost, MartinB?

    sozusagen verkippt (temporal shearing)

    Will ja nicht allzu g’schert daherkommen, doch als NichtSchaf wäre selbst das angstfrei: So werden ungewünschte Signale entsorgt statt -äh- die Grenzen zwischen Raum und Zeit aufzuheben.
    Aber ganz was anderes: Da der nature-Artikel für mich ziemlich abstrakt bleibt, kann nicht nachgeschlagen werden, ob die Autoren die Bemusterung via Spiegelarray tatsächlich wie auch Du als ‘verrauschen’ bezeichnen – falls (←wichtig) ich es annähernd verstanden bzw., um im Kontext zu bleiben, rekonstruiert habe, wird dem Signal doch die Hilfsinformation aufgeprägt, mithilfe derer aus dem raumzeitlichen Einheitsmüsli wieder die gewünschten Rosinen gepickt werden können – geradezu das Gegenteil von Rauschen.

    ich hoffe, alle

    Einen haste schonmal 😉

  3. #3 Draalo
    7. Dezember 2014

    Erfreulich erfrischend zum Wochenabschluss.

    Ein schönes Restwochenende,

    Draalo

  4. #4 MartinB
    7. Dezember 2014

    @rolak
    Laut paper ist das eine pseudorandomly distributed square mask; und wenn man das Bild anguckt (das ist unter den extended materials frei verfügbar), dann ist das nix als schwarz-weißes Rauschen.

  5. #5 MartinB
    7. Dezember 2014

    PS: Das ergibt auch irgendwie Sinn, den jede Form von Korrelation innerhalb des Musters würde es ja schwieriger machen, die Bildinformation zu extrahieren (die ja auch für eine Korrelation in dem E(n,m)-Signal sorgt. (Denke ich zumindest…)

  6. #6 rolak
    7. Dezember 2014

    pseudorandomly distributed

    Hmmm, auch wenn das nach ‘nicht verstanden’ müffeln mag, MartinB und das Interesse am Algorithmus weiter hochkochen läßt, bleiben mir zum ‘falls’-Erhalt (mindestens) noch zwei Auswege:

    /pseudorandomly distributed/ klingt mir nach einerseits reproduzierbar á la random(seed) oder andrerseits konstruiert und gleichverteilt unter den Aspekten A bis n.
    /Störung genau kennt/ letztlich ists egal, ob die Daten nun vorher errechnet oder nachher erfasst werden.

    Doch vielleicht liegts ja nur an meiner WortDeutung: ‘Verrauschen’ ist für mich das eine Signalveränderung, die -falls überhaupt- nur schwer wieder rückgängig gemacht werden kann. Was die ursprüngliche Aktion übrigens nicht daran hindert, durchaus sinnvolle Anwendungen zu haben.
    Je nachdem wie sehr es mich triezt, wird mal nachgelesen – allerdings oldschool, allerdings wohl weder auf Papier noch umsonst, evtl aber bargeldlos 😉

  7. #7 MisterX
    7. Dezember 2014

    Hallo, tolle Videos, danke für den Artikel.

  8. #8 Alex
    8. Dezember 2014

    Hey, hierzu kann ich was sagen vielleicht, weil die Technik für mich doch sehr nach Compressed Sensing klingt, und die Referenzen lassen auch darauf schließen. Damit dies funktioniert, muss das Signal einerseits “sparse” sein, wie du ja schon festgestellt hast, andererseits müssen die Messungen zum Signal das “restricted isometry property” erfüllen (Warum ist das so? Candes/Tao/Donoho haben das ab 2004 bewiesen).

    Um dies sicher zu stellen wird dieses Rauschen, die coded mask eingefügt.
    Ganz spannend und sehr passend zu diesem Thema finde ich die 1-Pixel-Kamera: Ganz gleiches Prinzip m.E., aber der Aufbau ist leichter verständlich. http://dsp.rice.edu/cscamera

  9. #9 Alderamin
    8. Dezember 2014

    @MartinB

    Coded Aperture Masks kenne ich von Röntgenteleskopen, weil Röntgenstrahlung nur schwierig zu bündeln ist (neuerdings macht man es durch streifende Reflexion). Im Prinzip ist jedes Loch in der Coded Aperture Mask eine Lochkamera, die ein eigenes Bild erzeugt. Da ein einzelnes Loch zu wenig Strahlung durchlässt, verwendet man ein bestimmtes Muster aus vielen Löchern, das eine Überlagerung vieler Lochkamerabilder ergibt, die sich dann irgendwie wieder auseinander rechnen lassen (ohne mich näher damit beschäftigt zu haben tippe ich da auf eine Fouriertransformation o.ä., da die Bilder ja übereinandergefaltet sind).

    Ich nehme mal an, hier wird dieses Prinzip ebenfalls angewendet. Durch die zeitliche Scherung erhält man eine Menge versetzter Lochkamerabilder (und dann auch noch mit räumlicher Überlagerung wie oben beschrieben; sind dann vermutlich einfach mehr Löcher), die man am Ende wieder entfalten kann, weil man genau weiß, in welcher Abfolge die Aperture Mask zeitlich versetzt auf den Sensor abgebildet wird.

    Vielleicht kann man sich das klarmachen, wenn die Aperture Mask auf ein einzelnes Loch reduziert wird, das bei der Belichtung des Sensors für eine punktförmige Lichtquelle aufgrund des zeitlichen Scherens einen senkrechten Strich auf den Sensor malt. Bewegt sich die Lichtquelle während der Belichtung von links nach rechts, dann wird der Strich schräg. Zwei Lichtquellen würden entsprechend zwei Striche ziehen. Im Prinzip kann man also aus den Strichen auf die Bewegung rückschließen. Viele Lichtquellen (also ein ganzes Bild) ergeben ein komplexes Überlagerungsmuster, dass man am Ende auseinanderfriemeln muss.

    Mit der Coded Aperture Mask werden dann halt auch noch mehrere Lochkamerabilder überlagert und man hat mehr Licht.

    So ungefähr würde ich das Verfahren interpretieren. Habe ich das Deiner Meinung nach halbwegs richtig verstanden?

  10. #10 rolak
    8. Dezember 2014

    aah, das bringt langsam Licht ins Dunkel. Mal schauen, ob es heute noch zum Reinlesen reicht.
    Danke derweil!

  11. #11 Alderamin
    8. Dezember 2014

    @rolak

    Wo kommt man denn an den Artikeltext? Nature lässt ja angeblich neuerdings das Lesen der Artikel in einem Viewer zu, aber auf der Seite, die oben verlinkt ist, finde ich so einen Viewer-Link nicht.

  12. #12 rolak
    8. Dezember 2014

    Wo?

    Mit ‘Reinlesen’ war eben zwar Sekundäres zu den PhotoTechniken gemeint, doch der passende, schon längst erhellend wirken könnende Kommentar erwartet noch einen gnädigen Moderator, Alderamin, doch eine zweite url geht wohl glatt mit durch: Oldschool.

    War allerdings noch nicht dort, gleich gehts erst mal für den Test der inneren Bereifung zum Pneu-Mologen.

  13. #13 MartinB
    8. Dezember 2014

    @ALderamin
    Ich glaube, das mit dem Lesen des Artikels klappt nur, wenn jemand mit Vollzugriff dir nen Link spendiert und du die entspechende Software hast. Alternativ kannst du natürlich jemandem ne mail schicken, der das paper hat…
    Und ja, so ähnlich (nur etwas vager) wie in deiner Beschreibung hatte ich das auch verstanden. (Und die Bemerkungen im Blogtext sind durchaus auch ernst gemeint – ich habe es nicht wirklich 100% gerafft.)

  14. #14 Alderamin
    8. Dezember 2014

    @rolak

    Lassen die einen so einfach rein? Ich war schon ewig nicht mehr in der Hochschulbibliothek der RWTH, ich weiß gar nicht mehr, ob die einen Studentenausweis sehen wollen. Vom Alter her würde ich jedenfalls so auffallen wie ein Europäer in China…

  15. #15 rolak
    8. Dezember 2014

    so einfach?

    Django hat Jahreskarte, Alderamin.

    mit Vollzugriff

    Könntest Du dazu bitte den Kommentar ‘#comment-21640’ weiter oben freimoderieren, MartinB, auf den bisher nur wir beide Zugriff haben? Danke!

  16. #16 MartinB
    8. Dezember 2014

    @rolak
    ist jetzt freigeschaltet, hatte ich bisher nicht gesehen. (Tipp: Linkgrenze ist 4.)
    Deswegen hatte ich ja “quasi”-Rauschen geschrieben – es sieht aus wie ein Rauschen, aber ist halt eins, das man genau kennt.

  17. #17 rolak
    8. Dezember 2014

    Schönen Dank nochmal, MartinB, denn die ModerationsArbeit wurde Dir hinterrücks & wissend aufgebürdet, auch wenn von 3/comment ausgegangen wurde.

    btt: Sachichdoch, kurz vor den anstehenden rauschenden Festtagen hatte mir meine gestrenge Auffassung von ‘Rauschen’ den Blick auf Deine Analogie verstellt.

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