Behandelt werden Video-Aufnahmen mit Video-Kameras, die ein fernsehkompatibles Signal mit 25 Vollbildern (40 ms) pro Sekunde erzeugen, die aus je 2 Halbbildern (20ms) bestehen und in jedem Halbbild eine individuelle eingeblendeter Zeit-Datenzeile aufweisen.
Behandelt werden Aufzeichnungen unter Verwendung des GPS-Inserters von Hans-Hellmuth Cuno (Betrieb mit GPS-Empfänger, kein DCF-Betrieb) und des GPS-Inserters von Sven Andersson. Die Behandlung des älteren, weit verbreiteten DCF-Inserters von Cuno mit deutlich größerer Zeit-Unsicherheit erfolgt evtl. später.
Das Signal wird je nach vorhandener Ausrüstung wahlweise
live über den analogen oder digitalen (firewire) Eingang einer PC-Grafikkarte aufgezeichnet
auf VHS-Video-Recorder aufgezeichnet und von diesem analog oder digitalisiert auf einen PC überspielt
auf digitalem Video-Recorder (auch in einem digitalen Camcorder) aufgezeichnet und von diesem analog oder digitalisiert auf einen PC überspielt wird.
Behandelt werden auch Integrationszeiten für die Belichtung über mehrere Halbbilder, wie sie bei verschiedenen Kameras wie Mintron oder Watec einstellbar ist.
Die optimale und hier betrachtete Auswertung erfolgt mit Halbbildern am PC.
Die Halbbild-Darstellung ist jedoch bei rein analoger Videoverarbeitung problematisch, sie läßt sich jedoch insbesondere bei längeren Belichtungszeiten ab 40 ms durch Vollbilddarstellung (oder Darstellung nur jedes zweiten Halbbildes) ersetzen
Nicht behandelt werden Videoaufzeichnungen mit Webcam o.ä., die mit anderer Übertragungsnorm, variablen Bildraten usw. eine direkte digitale Aufzeichnung auf PC realisieren, sowie von Kameras mit Video-Aufnahmeröhren.
Allgemeiner Arbeitsgang:
Überspiel der Video-Aufzeichnung mit dem Ereignis auf PC
Anpassen des Video auf definierte Halbbildanzeige in der richtigen Halbbildfolge
Anpassen einer Kopie des Video in Helligkeit und Kontrast, sodaß das Rauschen gut sichtbar wird
Ermitteln der tatsächlichen Anzahl der
Halbbilder in einem Belichtungsintervall anhand der Rauschänderungen
im Bild. Im Bild sind dabei zwei Rauscharten deutlich zu
unterscheiden: Eine geringfügige Rauschänderung von
Halbbild zu Halbbild, die durch Quantisierungsrauschen, Bandrauschen
u.ä. bedingt ist und eine wesentlich deutlichere
Rauschänderung, die den Beginn des Bildinhaltes eines neuen
Belichtungsintervalls anzeigt und durch das Hintergrundrauschen des
CCD-Chips und des Himmels entsteht. Dieses Rauschbild und das Bild
der dargestellten Objekte bleibt für die Zeit der Wiedergabe
dieses Belichtungsintervalles konstant (eingefroren), wird also
durch die nachfolgenden Halbbilder immer wieder unverändert
dargestellt. Nach der Kamera erhält jedoch jedes Halbbild eine
neue individuelle Datenzeile.
Die tatsächliche
Belichtungszeit kann durch Adaptionsvorgänge in der Kamera von
der eingestellten Anzahl der zu integrierenden Halbbilder abweichen,
insbesondere kürzer sein. Deshalb ist die beschriebene
Kontrolle wichtig.
Ermitteln des 1. Bildes eines Belichtungsintervalls, das die erste signifikante Helligkeitsänderung des beobachteten Objektes zeigt (Ereignis-Beginn)
Notieren der Anfangs-Zeiten von Belichtungsintervallen und Helligkeiten in der zeitlichen Umgebung des Ereignisses. Helligkeitsermittlung des Objektes visuell am Bildschirm oder messend mit geeigneten Programmen anhand des in Kontrast und Helligkeit unveränderten Videos bei Halbbildbetrachtung.
Ermittlung der Ereigniszeit und der Zeitunsicherheit
Bestimmung der Ereigniszeit
Unterstellt wird ein schlagartige Ereignis, d.h. bei einem Eintritt (Beginn einer Bedeckung) springt die Helligkeit in unmeßbar kurzer Zeit (oder jedenfalls in einer Zeit, die viel kürzer als die aktuelle Belichtungszeit ist) von einem konstanten hohen Niveau auf ein konstantes geringes Niveau, das nicht gleich Null sein muß. Bei einem Austritt (Ende einer Bedeckung) ist der Vorgang entgegengesetzt.
Die Spanne von 0% bis 100% kennzeichnet hier nur die Sprunghöhe. 0% kennzeichnet hier den Dauerzustand während der Bedeckung, das kann jedoch auch eine gewisse Resthelligkeit (Himmelshintergrund, Mondrand oder auch die noch beobachtbare eigene Helligkeit eines bedeckenden Kleinplaneten) sein.
Alle Helligkeiten sind hier im linearen Maß zu betrachten (Lux, Photonen pro Sekunde, Pixelwert bei linearer Kennlinie).
Unstabilitäten der Helligkeit infolge Rauschen und Szintillation werden hier bei der Zeitbestimmung vernachlässigt, sie müssen jedoch bei der Abschätzung der Zeitunsicherheit mit berücksichtigt werden.
Auch wenn ein Ereignis schlagartig ist, wird man bei einer Videoaufzeichnung in der Regel nicht nur das 100%-Niveau und das 0%-Niveau beobachten, sondern auch noch ein dazwischen liegendes Niveau, wie in den Zeitgrafiken dargestellt ist. Dies liegt an der zufälligen zeitlichen Lage des Helligkeitssprunges innerhalb des gewählten Belichtungszeitintervalls der Videokamera. Für dasselbe Ereignis kann sowohl bei anderer zufälliger Lage der Halbbilder und/oder bei anders gewählten Belichtungsintervallen das Zwischenniveau der Helligkeit sehr unterschiedlich ausfallen. Es muß als Zufall gelten, wenn das Ereignis genau auf die Grenze eines Belichtungsintervalles fällt und bei der Bedeckung eines hellen Sterns tatsächlich nur ein Sprung von 100% auf 0% oder umgekehrt ohne Zwischenstufe aufgezeichnet wird bzw. zu identifizieren ist.
Ob das Ereignis tatsächlich schlagartig war, kann nicht beurteilt werden, da die Videobeobachtung keine Aussage über den tatsächlichen Helligkeitsverlauf innerhalb von 20 ms bzw. innerhalb der Belichtungszeit treffen kann.
Nur wenn über mehr als 1 Belichtungsintervall Helligkeitsstufen zwischen 0% und 100 % registriert wurden (die nicht auf Szintillation o.ä. zurückzuführen sind!), war das Ereignis nicht schlagartig, sondern kann langsam (z.B. Riesenstern bei streifender Bedeckung) oder stufenweise (Bedeckung eines Doppelsternes) gewesen sein. Solche Ereignisse bedürfen einer sehr individuellen Auswertung, die hier nicht weiter betrachtet wird.
Ein GPS-Timeinserter hat eine sehr kleine technische Unsicherheit der Zeitbestimmung (+/- 1 ms) und stellt den gegenwärtigen Stand der Technik für die Zeitbestimmung in Videoaufzeichnungen im Amateurbereich dar. Auch er kann von Empfangsstörungen nicht völlig frei sein. Allerdings ist durch die individuelle Zeitangabe für jedes Halbbild im Millisekundenraster auch beim empfangsgestörten freilaufenden Inserter nach wiedereinsetzendem Empfang eine leichte rechnerische Korrektur auch für die empfangslosen Zeiten möglich.
Idealisierte Zeitberechnung für Cuno-GPS-Inserter:
Hinweis: Die Zeitberechnung für den von Sven Andersson entwickelten GPS-Inserter unterscheidet sich nur durch eine Zeitdifferenz von 20 ms, die für den Standardfall bei Cuno im Inserter-Programm kompensiert wird und ansonsten separat zu ermitteln und zu berücksichtigen ist, siehe Excel-File-Beschreibung weiter unten.
t1 = Beginn des Belichtungszeitraumes, in dem die erste vom Zustand vor dem Ereignis abweichende Helligkeit beobachtet wird
ta = Aktualisierungszeit für den
Video-Inhalt eines Belichtungsintervalls nach dem Ende
des
letzten Halbbildes im Belichtungszeitraum
= Anzeige des letzten
Halbbildes mit Zeitstempel seines Beginns
t1 = ta - (n-1) * 20 ms
20 ms = Dauer eines Halbbildes = minimale Belichtungszeit
n = Anzahl der in einem Belichtungsintervall tatsächlich enthaltenen Halbbilder
TBel = Belichtungsdauer = n * 20 ms
t E = Ereigniszeit
NZ = Niveau der Zwischenstufe der Helligkeit, in Prozent des gesamtes Helligkeitssprunges
Für Eintritt gilt entsprechend Zeitdiagramm Cuno-GPS-Inserter:
t E = t1 + TBel (NZ /100 %) = t1 + n* 20 ms (NZ /100 %)
t E = ta - (n-1) * 20 ms + n* 20 ms (NZ /100 %)
Für Austritt gilt entsprechend Zeitdiagramm Cuno-GPS-Inserter:
t E = t1 + TBel ( 1 - NZ /100 %) = t1 + n* 20 ms (1 - NZ /100 %)
t E = ta - (n-1) * 20 ms + n* 20 ms (1 - NZ /100 %)
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Beispiel-Ereignis aus Zeitdiagramm Eintritt, 1 Halbbild Belichtungszeit
Belichtung nach Zeitdiagramm:
t E = x,053 s
- (1-1) * 20 ms + 1* 20 ms (70 % /100 %)
t E = x,053 s + 0,020 s * 0,7
t E = x,067 s +/- 0,001 s (Auflösung der Zeitmessung)
Wenn die Helligkeitsschätzung oder -messung der Zwischenstufe unsicher ist, z.B. 60... 80 %, ergibt sich durch Einsetzen dieser Werte in die vorstehende Formel
t Emin = x,053 s + 0,020 s * 0,6 = x,065 s
t Emax = x,053 s + 0,020 s * 0,8 = x,069 s
bzw. t E = x,067 s +/- 0,003
s (durch Unsicherheit Helligkeit und Rastfehler
Zeit)
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Beispiel-Ereignis aus Zeitdiagramm Austritt, 1 Halbbild Belichtungszeit
Belichtung nach Zeitdiagramm:
t E = x,053 s
- (1-1) * 20 ms + 1* 20 ms (1 - 30 % /100
%)
t E = x,053 s + 0,020 s * 0,7
t E = x,067 s +/- 0,001 s (Auflösung der Zeitmessung)
Wenn die Helligkeitsschätzung oder -messung der Zwischenstufe unsicher ist, z.B. 15... 45 %, ergibt sich durch Einsetzen dieser Werte in die vorstehende Formel
t Emin = x,053 s + 0,020 s * 0,55 = x,061 s
t Emax = x,053 s + 0,020 s * 0,85 = x,070 s
bzw. t E = x,067 s +/- 0,004 s (durch Unsicherheit Helligkeit und Rastfehler Zeit)
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Beispiel-Ereignis aus Zeitdiagramm Eintritt, 4 Halbbilder Belichtungszeit
Belichtung nach Zeitdiagramm:
t E = x,053 s - (4-1) * 20 ms + 4* 20 ms (92 % /100 %)
t E = x,053 s - 0,060 s + 0,080 s * 0,92
t E = x,067 s +/- 0,001 s (Auflösung der Zeitmessung)
Wenn die Helligkeitsschätzung oder -messung der Zwischenstufe unsicher ist, z.B. 75... 100 %, ergibt sich durch Einsetzen dieser Werte in die vorstehende Formel
t Emin = x,053 s - 0,060 s + 0,080 s * 0,75 = x,053 s
t Emax = x,053 s - 0,060 s + 0,080 s * 1,00 = x,073 s
bzw. t E = x,063 s +/- 0,011 s (durch Unsicherheit Helligkeit und Rastfehler Zeit)
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Beispiel-Ereignis aus Zeitdiagramm Austritt, 4 Halbbilder Belichtungszeit
Belichtung nach Zeitdiagramm:
t E = x,053 s - (4-1) * 20 ms + 4* 20 ms (1 - 8 % /100 %)
t E = x,053 s - 0,060 s + 0,080 s * 0,92
t E = x,067 s +/- 0,001 s (Auflösung der Zeitmessung)
Wenn die Helligkeitsschätzung oder -messung der Zwischenstufe unsicher ist, z.B. 0... 20 %, ergibt sich durch Einsetzen dieser Werte in die vorstehende Formel
t Emin = x,053 s - 0,060 s + 0,080 s * 0,80 = x,057 s
t Emax = x,053 s - 0,060 s + 0,080 s * 1,00 = x,073 s
bzw. t E = x,065 s +/- 0,009 s (durch Unsicherheit Helligkeit und Rastfehler Zeit)
In der Praxis müssen wahrscheinlich noch größere Unsicherheiten bei der Bestimmung der Helligkeit der Zwischenstufe angenommen werden.
In manchen Fällen wird es nicht möglich sein, einen geringen relativen Helligkeitsunterschied zum 100%-Niveau visuell zu erkennen bzw. seinen Wert abzuschätzen. Andererseits lassen sich geringe Helligkeitsunterschiede über dem 0%-Niveau leichter erkennen, sofern das 0%-Niveau nicht zu hoch liegt. Eine Messung der Helligkeiten mit LIMOVIE, IRIS o.ä. ist nach Aufbereitung des Videos möglich, sie führt einem aber in vielen Fällen deutlich vor Augen, daß die Unstabilitäten durch Szintillation oder Grundrauschen eine genauere Aussage einfach nicht zulassen.
Bei Objekten dicht an der nachweisbaren Grenzhelligkeit hat man bei der Betrachtung des mit normaler Geschwindigkeit laufenden Videos noch einen sicheren Eindruck vom Ereignis. Während der Detailbetrachtung fällt es dann allerdings schwer, das Halbbild bzw. das Belichtungsintervall mit der signifikanten Helligkeits-Änderung sicher zu identifizieren und die Helligkeitsänderung zu quantifizieren.
Excel-Arbeitshilfe
Aufgrund der praktischen Umständlichkeit bei der Berechnung der Zeiten mit den Überträgen zum Minuten- und Stundenwechsel sowie der Berücksichtigung von Zwischenhelligkeiten wurde eine Exceltabelle "Video-Zeitmessung.xls" als Werkzeug für den praktischen Gebrauch entworfen. Dazu folgende Erläuterungen:
Nur die türkisfarbenen Felder sind für Eingaben vorgesehen, alle anderen Felder sind gegen Veränderungen geschützt. Der Schutz kann unter "Extras > Schutz > Blattschutz aufheben" aufgehoben werden, ist während der normalen Anwendung nicht zu empfehlen.
Die gelben Felder sind die wesentlichen Ergebnisfelder.
Jede Zeitangabe in Spalten C, D, E der Tabelle repräsentiert das Halbbild, in dem ein Belichtungsintervall zum ersten Male dargestellt wird. Im normalen Videomodus mit einer Belichtungszeit von einem Halbbild (=20 ms) stehen in aufeinanderfolgenden Zeilen demzufolge direkt aufeinanderfolgende Halbbilder.
Eintritt (Beginn der Bedeckung) und Austritt (Ende der Bedeckung) werden in der Tabelle getrennt behandelt, um die Handhabung bei unterschiedlich langen Bedeckungszeiten möglichst zu vereinfachen. Dadurch kann es geschehen, daß bei kurzzeitigen Bedeckungen dieselben Zeiten in verschiedenen Tabellenzeilen auftreten.
Die vorgegebenen Helligkeiten von 100 % vor und nach der Bedeckung und 0 % während der Bedeckung sind idealisiert und können nicht verändert werden. Schwankungen durch Szintillation, Rauschen u.ä. können nicht berücksichtigt werden. Unsicherheiten bei der Abschätzung der relativen Helligkeit der Zwischenstufe führen zu zusätzlichen Zeitunsicherheiten. Durch Eingabe eines minimalen und eines maximalen Schätzwertes der Zwischenhelligkeit entsprechend der geschätzten Unsicherheit können minimale, maximale und mittlere Kontaktzeiten und damit die Zeitunsicherheit bestimmt werden.
Eingegeben werden müssen in beliebiger
Reihenfolge
- die Anzahl der tatsächlich in einem
Belichtungsintervall enthaltenen Halbbilder
- der Wert für
die technische Zeitverzögerung in Abhängigkeit vom Typ des
GPS-Inserters (0,02 s für GPS-Inserter nach Sven Andersson, 0 s
für GPS-Inserter nach H.H. Cuno)
- die aus der
GPS-Datenzeile entnommenen Zeiten für das Halbbild, in dem die
erste signifikante Helligkeitsänderung festgestellt wird; die
Millisekunden sind gesondert einzugeben.
- die geschätzten
oder gemessenen minimalen und maximalen Objekthelligkeiten bei der
1. festgestellten Helligkeitsänderung zwecks Berechnung der
Zeitunsicherheit bei der Interpolation innerhalb eines
Belichtungsintervalls. Man hüte sich hier vor zu optimistisch
kleinen Differenzen die zu unrealistisch kleinen Zeitunsicherheiten
führen.
Die extrapolierten Zeitwerte in der Spalte "Anzeige im Halbbild UT HH:MM:SS,sss" außerhalb des Eingabefeldes dienen der Plausibilitätskontrolle des Videos. Halb-Bilder mit den dort angegebenen Zeiten sollen immer die ersten aktualisierten Bilder nach einem abgeschlossenen Belichtungsintervall sein, ansonsten liegen Unregelmäßigkeiten vor. Die Angaben in den anderen Spalten dienen zusätzlicher Information.
Die als Ergebnis ausgegebenen Kontakt-Zeiten werden nach den weiter oben dargestellten Formeln ermittelt, Dauer und Mitte der Bedeckung werden aus den mittleren Kontaktzeiten berechnet.
Die angegebenen Zeitunsicherheiten werden aus den angegebenen Helligkeitsbereichen ermittelt (+/- 1ms technische Meßunsicherheit). Für die Bestimmung der Unsicherheit von Bedeckungsdauer und Bedeckungsmitte werden die Unsicherheiten bei Eintritt und Austritt geometrisch addiert, da diese Fehler unabhängig voneinander auftreten.
Kommentare, Verbesserungsvorschläge und ggf. Hinweise auf Fehler sind willkommen!
Für den DCF-Inserter sind zusätzlich die Signallaufzeit (Funkstrecke, in Deutschland max. 2 ms und Einschwingzeit des Empfängers, je nach Typ 5 .... 60 ms ) mit ihren Schwankungen (ca. +/- 10 ms) sowie die Unsicherheit der zeitlichen Bildzuordnung von +/- 20 ms zu berücksichtigen. Weiterhin kommt es vor, daß durch Abweichungen des Kameraquarzes von der Nennfrequenz Sekunden mit nur 49 oder mit 51 Halbbildern angezeigt werden. Bei längeren Empfangsstörungen läuft die Zeitbasis des Inserters frei weiter. Wenn nach einiger Zeit der Empfang wieder gut ist, kann sich die Differenz so auswirken, daß eine Sekunde deutlich weniger als 50 Halbbilder hat oder daß in einer Sekunde die Bildzählung kurz nach Sekundenbeginn von Neuem bei 1 anfängt. Es muß immer geprüft werden, ob solche Effekte in der Umgebung des Ereignisses auftreten; sie müssen dann individuell behandelt werden.