Christian Linkenheld
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Im Zusammenhang mit der CCD-Technik denkt man regelmäßig an digitale Bildformate, die von einer Kamera zur Weiterverarbeitung an einen PC gesendet werden. Ein CCD-Chip ist jedoch ein rein analog arbeitendes Element, das als Helligkeitsinformation für einen Bildpunkt eine bestimmte elektrische Ladung, die in ein wiederum analoges Spannungssignal transformiert wird, liefert.

Analoge Videokameras für den deutschen Markt arbeiten nach der rund 50 Jahre alten PAL-Norm für das Farbfernsehen. Aus heutiger Sicht sind diese Kameras in vieler Hinsicht technologisch überholt. Allerdings trifft man noch immer eine große installierte Basis dieser Kameras an.

Das PAL-Videosignal besteht aus 25 Bildern (=Frames) pro Sekunde - abgekürzt: "fps". Jedes Bild besteht aus 576 sichtbaren Zeilen. Weil das herkömmliche Fernsehbild ein Breiten/Höhen-Verhältnis von 4:3 hat, verfügen PAL-Kameras zumeist über Sensoren mit etwa 768x576 Pixeln.

Da eine Bildrate von 25 Bildern pro Sekunde bei der Betrachtung am Fernsehgerät unerträglich flacken würde wird jedes Bild in zwei Hälften aufgeteilt, die nacheinander gesendet und dargestellt werden (= Interlaced Scan). Das erste Halbbild enthält alle Bildzeilen mit ungerader Zeilennummer, das zweite Halbbild alle geraden Zeilen. Damit ergeben sich letztlich 50 Bilder mit je ca. 288 Zeilen.

Die Adation an das Mikroskop erfolgt zumeist per C-Mount-Adapter. Aus der Perspektive der Videokamera übernimmt die Kombination aus Mikroskop und Adapter die Funktion des Kameraobjektivs.

 


Fernsehkamera am Mikroskop Zeiss Universal

Die Abbildung zeigt ein Mikroskop von Carl Zeiss (Zeiss UNIVERSAL) mit einer adaptierten Farbfernseh-Kamera, die mit Aufnahmeröhren ("Vidikon") arbeitet (um 1970). Später wurden diese monströsen Kameras durch wesentlich kompaktere CCD-Kameras ersetzt.

 

 

Quelle: ZEISS Informationen, 19. Jahrgang, Heft 78 Februar 1971, Seite 10


 

Analoge Videokameras für Farbdarstellung gibt es in zwei Leistungsklassen:

  • 1CCD-Kameras mit einem Sensor und Bayer-Filter.
  • 3CCD-Kameras mit einem Sensor pro Farbauszug (Rot/Grün/Blau).

Daneben existieren auch einfache SW-Videokameras mit nur einem Sensor. Diese Kameras sind immer dann zu bevorzugen, wenn die Farbdarstellung als Informationsträger entbehrlich ist (z.B. im Phasenkontrast).

 

1CCD-Videokamera für Farbdarstellung an ein Mikroskop adaptiert
   

 

 



Höherwertige 1CCD-Kameras verfügen neben einem Ausgang für das FBAS-Signal (synonym: "Composite" bzw. "CVBS" - hier als "VIDEO OUT" gekennzeichnet) über einen zusätzlichen Y/C-Ausgang (= "S-Video"). Beim Y/C-Ausgang werden Helligkeits- und Farbinformation ("Luminanz" und "Chrominanz") über 2 separate Leitungen übertragen, wodurch die Qualität gegenüber dem auf eine Leitung beschränkten FBAS-Signal deutlich erhöht ist.

Insbesondere die hochwertigen 3CCD-Kameras verfügen zusätzlich über einen RGB-Ausgang. Dieses Signal, bei dem die drei Farbauszüge Rot, Grün und Blau jeweils auf einer eigenen Leitung übertragen werden, bietet die größte Qualität. In der Weiterverarbeitung - z.B. per Framegrabber am PC - entpuppt sich dieses Signal jedoch als schwer handhabbar. Für die Aufzeichnung von Videos - z.B. im DV-Format - ist das Y/C-Signal wesentlich besser geeignet.


 

Die Weiterverarbeitung des Videosignals

Heutzutage wird das analoge Videosignal sehr häufig zur Digitalisierung an einen Computer weitergeführt. Hierzu genügt eine ganz einfache TV- oder Videokarte mit Y/C-Eingang, die die Digitalisierung des analogen Signals übernimmt. Das digitalisierte Bild wird dann üblicherweise auf dem TFT-Display des Computers dargestellt. Aus dem so sichtbaren Video können problemlos einzelne Frames abgegriffen und beispielsweise auf einer Festplatte als Bitmap gespeichert werden ("Frame Grabbing").

Die Digitalisierung des Videosignals durch die TV- oder Videokarte erfolgt üblicherweise mit 768x576 Pixeln bei einer Framerate von 25fps. Ein einzelner Frame besteht dann aus über 440000 Pixeln. Jedes Pixel besteht seinerseits aus drei 8-Bit-Werten für die Farbauszüge Rot, Grün, und Blau. Daraus ergibt sich, dass ein digitalisierter Frame rund 1.3 MB an Bilddaten umfasst. Würde man ein derart unkomprimiert digitalisiertes Video speichern, so wären dies pro Sekunde rund 33 MB benötigter Speicherplatz!

Für das Aufzeichnen von Videosequenzen ist deshalb der unkomprimiert digitalisierte Datenstrom kaum geeignet, weshalb sich die Aufnahme komprimierten Videomaterials empfiehlt. Weitverbreitet ist hierzu das DV-Format, welches einen kontinuierlichen Datenstrom von 25MBit/s (~ 3.6 MB/s) erzeugt. Die Speicherung von PAL-Videos erfolgt dabei mit 720x576 Pixeln. DV-Videos sind besonders gut zur Weiterverarbeitung (z.B. Videoschnitt) geeignet. Um Videos im DV-Format speichern zu können muss auf dem Rechner ein entsprechender DV-Codec installiert sein (Codec = Compressor/Decomressor oder gelegentlich auch Coder/Decoder). In Windows-Systemen findet sich hierzu normalerweise bereits der DV-Codec von Microsoft vorinstalliert. Es ist aber auch die Installation anderer DV-Codecs verschiedener Hersteller möglich.

 


Kammeffekt durch interlaced Scan

Wie bereits erwähnt arbeiten Kameras für die PAL-Norm mit dem interlaced-Scan-Verfahren. Dies bedeutet, dass zwischen der Aufnahme der zwei Halbbilder eines Frames 1/50 Sekunde liegt. Bei schnell beweglichen Objekten macht sich dieser zeilenweise Zeitversatz - wie im Bild links an den Wimpern eines Pantoffeltierchens erkennbar - bei der Aufzeichnung und Betrachtung am PC durch unschöne Kammeffekte bemerkbar.

Durch so genanntes "Deinterlacing" lassen sich die Halbbilder für die Darstellung auf dem PC-Display zu einem Vollbild verrechnen. Das Deinterlacing ist hierbei natürlich immer mit einem mehr oder weniger großen Qualitätsverlust verbunden.


 

Die Sensorgrößen analoger Videokameras liegen typischerweise bei 1/3" - 2/3". Um einen hinreichend großen Bildausschnitt übertragen zu können wird man in der Regel mit einer bildverengenden Adaption arbeiten. Die nachfolgende Darstellung zeigt die Größe des im Videobild sichtbaren Bildausschnitts für unterschiedliche Kombinationen aus Sensorgröße und Adapterfaktor.

 

Per Videoadaption sichtbarer Bildbereich
   

 

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06/03/2016