Eine Videokamera ist ein Aufzeichnungsgerät, bei dem die Bildaufnahmen in elektrische Signale umgewandelt werden, im Gegensatz zur Filmkamera, die auf fotografischer Technik basiert. Zur Aufzeichnung des Tones muss noch ein Mikrofon verwendet werden, welches jedoch oft bereits integriert ist.
Eine Videokamera mit integriertem Videorekorder nennt man Camcorder.
Bildaufnehmer
Nipkow-Scheibe
Die ersten Kameras basierten auf der sogenannten Nipkow-Scheibe. Dies war eine runde Scheibe mit etwa 30 Löchern die in Form einer Spirale angeordnet waren. Verfolgt man nun die Bahn der Löcher, so stellt man fest, dass diese immer einen kleinen, fast rechteckigen Bereich abtasten. Dort wandert ein Loch immer in eine Richtung, um am Rand zu verschwinden. Dann taucht das nächste Loch etwas weiter "unten" auf, und tastet die nächste Zeile ab. 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 Röhre und kommt weiterhin für Spezialanwendungen 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 hierzutage die Chips stark abgekühlt. Dies ermöglicht extrem Rauscharme Bilder, deren Rauschen selbst nach einer Verstärkung um 16 dB kaum wahrnehmbar sein soll. Billige Kameras haben keine Blende, sondern können die Ladungszeit als Helligkeitsregulierung verwenden.
Je größer die Fläche des eingesetzten Chips, desto mehr Licht kann "eingefangen" werden. Dadurch steigt die Lichtempfindlichkeit des eingesetzten Chips auch bei schlechten Lichtverhältnissen und das Bildrauschen verringert sich. Gängige Größen sind 1/6",1/4" oder 1/3,4" (1"=2,54 cm). Doch Vorsicht ist bei der angegebenen Größe des Chips geboten. Die Pixelangabe auf dem Gehäuse bezieht sich meist auf die reine Fotofunktion, welche Anzahl für die Filmerei verwendet wird, verschweigt der Hersteller gerne und selbst auf den Produktseiten lassen sich diese Angaben nicht finden. Kommt auch noch ein digitaler Bildstabilisator ins Spiel, bleibt von der angegebenen Pixelanzahl oft nicht mehr viel übrig. Interessant ist hier die Netto-Pixelmenge, die tatsächlich zum Filmen verwendet wird. Es kommen sowieso "nur" 414.000 Pixel auf das Speichermedium, da die europäische Norm PAL-Format ist und dieses 768 x 576 Pixel vorschreibt (ca. 414.000 Pixel). Der Rest wird für den digitalen Stabilisator und die Fotofunktion verwendet.
Achten Sie darauf, dass nicht zu viele Pixel auf einem CCD gequetscht sind; sie lassen das Bild lichtschwächer werden.
CMOS-Sensoren
Diese Art der Bildaufnehmern nutzt die Complementary Metal Oxide Semiconductor-Technik. Diese Technik war anfangs vor allem in sehr billigen Kameras zu finden. Nach der inzwischen stattgefundenen Weiterentwicklung wird 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. Zudem 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, so ist z.B. das Signal-Rausch-Verhältnis schlechter und der menschliche Betrachter empfindet die Bildqualität als deutlich schlechter, als er dies von CCD-Kameras gewöhnt ist. Bei Messaufgaben (Bildverarbeitung) spielt dies aber keine Rolle.
Farbtrennung
Um ein farbiges Videosignal zu erzeugen benötigt man 2 oder besser 3 Farbkomponenten.
optische Farbtrennung
Die offensichtlichste Weise diese zu erzeugen ist es, einfach 3 Bildaufnehmer über eine Optik zu koppeln, die auch die Farbtrennung übernimmt. Solche 3-Chip-Kameras verteilen das durch das Objektiv fallende Licht über ein Prisma auf drei monochrome CCD-Chips. Durch Farbfilter auf dem Prisma wird erreicht, dass ein Chip die Grünanteile aufnimmt, die anderen beiden jeweils rot bzw. blau. Dieses Verfahren führt zu sehr hochwertigen Bildern und wird somit im professionellen Bereich verwendet.
sequenzielle Farbtrennung
Vorher experimentierte man mit sequenzieller Farbe. Ein drehbarer Farbfilter sollte abwechselnd die 3 Farbkomponenten herrausfiltern. Dreht sich ein gleicher Filter synchron beim Empfänger, so entsteht auch ein Farbbild. Diese Versuche wurden aber bald eingestellt. In der Raumfahrt verwendet man solche Farbfilter noch, da hier sehr viele Frequenzbereiche benötigt werden.
andere Verfahren.
Bei besonders preiswerten Kameras wird allerdings ein anderes Verfahren verwendet. Dort werden die Bildaufnehmer so genutzt, dass unterschiedliche nebeneinanderliegende Bildpunkte unterschiedliche Farbanteile aufnehmen. Eine Elektronik trennt diese Anteile. Dies führt zu einer schlechteren Auflösung. Eines dieser Verfahren ist der Bayer-Sensor.
Vergleich 1 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 414720 *3 Bildpunkte verfügen. Die Anzahl muß mit 3 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 3 Chips verteilt. Ohne Berücksichtigung eines digitalen Bildstabilisators würde diese Pixelanzahl ausreichen, alle benötigten Bildinformationen auf einen Fernsehbildschirm wiederzugeben.
Da bei der Berechnung der notwendigen Pixelanzahl von der Bildschirmauflösung am Fernseher ausgegangen wurde (Verhältnis 720/576=1,25), das Verhältnis tatsächlich aber 4:3=1,33 beträgt, ist mit einer höheren Pixelanzahl (768*576) des benötigten Chips zu rechnen, quadratische Pixel vorausgesetzt.
Bei einen 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 (YUV-Farbraum) aufgezeichnet. Mit Y wird die Luma-Komponente bezeichnet, welche nur Helligkeitsunterschiede speichert und U und V bezeichnen die Farbdifferenzkomponenten (Chroma). Das bedeutet, dass für jeden Pixel die Helligkeit und für 4 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=622080. Es muß mit 3 multipliziert werden, da 3 Bildpunkte für jede Farbe notwendig sind. Durch die Reduktion (4:2:0) in den YUV-Farbraum 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, das ein 1-Chip-Modell durchaus gleiche Qualitäten erzeugen kann wie ein 3-Chip-Modell. Beim 1-Chipper wird sogar die recht aufwendige Mimik mit Prismenaufbau gespart. Bei immer größeren Sensoren, heute (2004) sind Chips mit mehr als 8 Millionen Pixel in der digitalen Fotografie keine Seltenheit, dürften 1-Chipper durchaus eine Daseinsberechtigung haben.
Bildstabilisator
- elektronisch:
Dabei wird ein übergroßer Wandlerchip eingesetzt, der störende Ruckler durch das Verschieben eines kleineren Bildausschnittes (Lesefenster) auf der großen Chipfläche ausgleicht. Dabei kann die Netto-Chipauflösung jedoch deutlich kleiner ausfallen als die vom Hersteller gerne suggerierte, hervorgehoben durch die große Aufschrift auf dem Camcordergehäuse. Die Auflösung bezieht sich fast immer nur auf die Fotofunktion; eigentlich wollte man doch in erster Linie filmen und die Fotofunktion ist doch eher nettes Beiwerk.
- optisch:
Der optische Bildstabilisator ist der digitalen Stabilisierung vorzuziehen. Hier erfolgt ein Ausgleich durch Magnetfelder oder schwimmende Linsen, die den Bewegungen sensorgesteuert entgegenlaufen. Dadurch wird wertvolle Pixelfläche eingespart. Leider sind die optischen Bildstabilisatoren erst bei Camcordern im oberen Preissegment zu finden.
Objektiv
Das verwendete Objektiv spielt eine nicht unerhebliche Rolle zur Erzielung guter Resultate. Daher ist hier verstärkt auf gute Optiken zu achten. Wie bereits bei der Auflösung geben die Hersteller gerne den digitalen Zoombereich an, wichtiger wäre aber der optische Zoomfaktor. Ein zu großer Zoombereich verbessert auch nicht unbedingt die Filmqualität. Oft wird der bei den meisten Objektiven nur geringe Weitwinkelbereich unterschätzt. Zwar kann durch Verwendung von Vorsatzlinsen Abhilfe geschaffen werden, die Qualität wird durch solche Maßnahmen aber nicht besser. Außerdem kann die automatische Schärfenregelung des Camcorders beeinträchtigt werden.
Softwareschnittstellen
Softwareschnittstellen zwischen Bildeingabegerät und Bildverarbeitungsprogramm