Bericht von einem High-Speed-Dreh

Allgemeines

Früher war es eine teure Angelegenheit mit High-Speed-Kameras zu drehen. Nicht nur die Kosten der Spzialkameras waren ausschlaggebend, sondern auch das viele Filmmaterial was in kürzester Zeit belichtet wurde. Heute gibt es digtiale High-Speed-Kameras, einige speziell für Film aber auch viele für die Industrie. Mit einer solchen Industriekamera habe ich gedreht und die gewonnenen Erfahrungen will ich hier weitergeben.
Einige der dabei entstandenen Aufnahmen können hier angesehen werden: High-Speed-Videos

Report from a High-Speed-Shooting

Preface

In the past it was very expensive to shoot with highspeed-cameras. Not only the costs of the special cameras were high but also the costs of the huge amount of film which was exposed in short times. Now there are more and more digital highspeed-cameras, some are made especially for motion pictures and some are for industries (e.g. the recording of crash tests). I did a shooting with one of these industry-cameras and want to report my experiences here.
Some of the footage can be seen here: High-Speed-Videos

Die Ausrüstung

Bei der Kamera handeltet es sich um die Motionblitz Cube 4 von Mikrotron. Die Kamera ist ca. 22.000 Euro wert, für wie viel und ob sie ausleihbar ist, weiß ich leider nicht. Ich persönlich kam in die Lage damit zu drehen aufgrund einer Kooperation mit Mikrotron innerhalb des Projektes Beyond Vision.
Die maximale Auflösung der Kamera beträgt 1280×1024 Pixel. Bei dieser Auflösung kann sie bis zu 1040 Bilder pro Sekunde aufnehmen. Je niedriger die vertikale Auflösung einstellt wird, desto mehr Bilder pro Sekunde können aufgenommen werden, bis hin zu 93.000. Wir haben meist mit einer Auflösung von 1280×800 aufgenommen. Diese Auflösung ist nahe and der 720p HD Auflösung, welche 1280×720 Pixel beträgt. Die zusätzliche horizontale Auflösung von 80 Pixeln haben wir als Sicherheit genutzt, um uns in der Postproduktion mehr Möglichkeiten zu erhalten. Bei dieser Auflösung haben wir circa 1200 Bilder pro Sekunde aufgenommen. Bei maximaler Auflösung und Bildern pro Sekunde kann die Kamera je nach Speicherausführung 1,5 oder 3 Sekunden Echtzeit aufnehmen. Will man das Material also mit 25 Bildern pro Sekunde (z.B. 720p25) abspielen, so erhält man bei 1200 Bildern pro Sekunde aus 3 Sekunden Aufnahmezeit ein Video, welches 144 Sekunden, also über 2 Minuten, dauert.
Um 1200 Bilder pro Sekunde aufnehmen zu können benötigt man viel Licht. Wir haben mit drei 2k Scheinwerfern gearbeitet, welche meist sehr nah an den aufzunehmenden Objekten standen und fokussiert waren. Bei Aufnahme von kleineren Gegenständen, wie es bei unseren Aufnahmen der Fall war, war das Licht genau passend, weniger hätte es nicht sein dürfen. Bei größeren Objekten, Personen oder ganzen Szenerien bedarf es dann entsprechend mehr Licht. Die Leuchten waren flickerfreie HMIs. Bei Zeitlupen ist es natürlich entscheidend mit welcher Frequenz die Lampen arbeiten. Nicht flickerfreies Licht wäre wohl kaum zu gebrauchen.
Zusätzlich zu Licht und Kamera hatten wir immer ein Notebook dabei, welches die Kamera ansteuert, als Displays dient und die Daten speichert. Die Kamera selbst hat weder Display noch die Möglichkeit Einstellung vorzunehmen. Angeschlossen wird die Kamera über ein Netzwerkkabel und unterstützt Gigabit-Ethernet. Sie hat außerdem einen internen Akku und ein Netzteil. Wie lange der interne Akku hält haben wir nicht erprobt, da bei Außendrehs die Batterien der Notebooks, welche wir hintereinander nutzten, schneller leer waren.
An der Kamera war ein Nikon-Mount und wir benutzten meist ein 50 mm Objektiv mit einer Blende von 1,4. Aufgrund des hohen Lichtbedarfs ist ein große Blende natürlich vorteilhaft.

Equipment

The camera we used was a Motionblitz Cube 4 from Mikrotron. The camera is worth about 22.000 Euro. I do not know if, how and where it is possible to rent one. We had the opportunity to shoot with the camera because of a cooperation with Mikrotron within our project Beyond Vision.
The highest resolution of the camera is 1280×1024 pxiel. With this resolution the camera can take 1040 fps. If the recorded vertical resolution gets lower the camera can record more fps, up to 93000. Wer recorded mostly about 1200 fps with a resolution of 1280×800 Pixel. This resolution is close to 720p (1280×720) and gave us 80 pixels room for the postproduction.
With the highest resolution and highest fps the camera can record 1.5 or 3 seconds (depending on the model). Using a framerate of 25 fps (like in 720p25) you get 144 seconds when shooting with 1200 fps.
To be able to record 1200 fps there has to be a lot of light. We used three 2k lights which where close to the objects we recorded and focused. The light was enough for our recordings, as we were recording most of the time small objects but if you want to shoot persons or whole scene you probably have to use more light. The lights were flicker-free HMIs. When shooting at a high speed the frequence of the lights is of course important. Normal lights (with 50 or 60 Hz) would probably not do it.
Additional to lights and camera we used a notebook to control the camera, to use it as a monitor and to store our sequences. The camera has no display or possibilities to control it without the software. The camera is plugged to the notebook via ethernet und can handle a gigabit connection. It has an internal battery and a power supply. I do not know how long the battery last because on one shooting two notebooks we used in a row gave up earlier than the camera.
The camera has a mount for Nikon and we used a 50 mm lens with a f-stop of 1.4. Because a lot of light is needed the size of the aperture is very important.

Dreherfahrungen

Mit dem Notebook und der Software des Herstellers haben wir die Kamera auf die gewünschte Auflösung, Frames pro Sekunde, Shutterzeiten und gegebenenfalls Verstärkung eingestellt. Man aktiviert die Kamera und diese nimmt ständig in einen Ringbuffer Bilder auf. Dies bedeutet, dass man die Kamera so einstellen kann, dass sie bei Auslösung alles vor dem Auslösezeitpunkt oder alles hinter dem Auslösezeitpunkt aufnimmt, oder man definiert einen Wert dazwischen. Will man beispielsweise eine Explosion aufnehmen, so kann man den Auslösepunkt auf 20% stellen, so dass man den Anfang der Explosion mit den 20% auch zur Verfügung hat obwohl man erst verzögert auslöst.
Insgesamt waren wir sehr zufrieden mit den Aufnahmen und der Bedienung der Kamera, allerdings gibt es einige Punkte, welche insbesondere gegenüber einem herkömmlichen Dreh beachtet werden sollten:

• Trotz der Verwendung von HMIs mit Vorschaltgeräten konnten wir ein dezentes flackern in den Aufnahmen wahrnehmen. Woher das Flackern genau kam konnten wir leider nicht feststellen, da es uns erst nach den Aufnahmen aufgefallen ist.
• Aufgrund der Art, wie die drei Grundfarben vom Chip aufgenommen und verarbeitet werden, kommt es je nach Bildinhalt zu bunten Pixeln in den Grundfarben rot, grün und blau. Dies geschieht besonders bei feinen Strukturen.
• Sobald helle Bereiche im Bild auftauchen gibt es schnell Bildfehler, die sich jeweils durch eine Pixelreihe erstreckt. Ein Mikrotron-Mitarbeiter sagt mir, dass dies ein Bug in der Software gewesen sei, welcher inzwischen behoben worden ist.
• Wie bei allen elektronischen Verstärkungen erhört sich das Rauschen stark. Nur weil die Kamera ein hohe Verstärkung ermöglicht sollte man diese nicht einplanen, wenn man qualitativ hochwertige Videos aufnehmen will.
• Die Übertragungsdauer einer kompletten Aufnahme dauert sehr lange, diese hängt nicht nur von der Kamera, sonder auch von der verwendeten Festplatte und Netzwerkverbindung ab. (Die Kamera kann theoretisch 50 MB/Sekunde übertragen. Um diese Geschwindigkeit zu erreichen muss man eine Gigabit-Ethernetkarte und einer schnellen Festplatte verwenden.
• Die Kamera wurde für die Industrie und nicht für Filmer entworfen, weshalb ihre Einsatzfähigkeit zum Beispiel durch fehlende Bedienelemente und ein fehlendes Display natürlich beschränkt ist.

Die Motionblitz Cube 4 wurde zwar für die Nutzung in der Industrie entworfen, wie
wie die Aufnahmen beweisen kann sie aber weitaus mehr.

Hands-on experiences

With the Notebook and the supplied camera-software we set the camera to the desired resolution, fps and shutter speed and eventually the electronic gain. The camera is recording into a ring buffer on activation. This means that the camera can be set to record everything what was recorded before using the trigger or after. Also there can be set a desired number inbetween those two options. For example: You want to record an explosion and set the trigger point to 20% of the recordable time. When you push the trigger it will record 20% what happend before the triggering and 80% after the triggering. Like this you never miss the beginning of an action even though your reaction is delayed.
Overall we were very happy with our shots and the use of the camera, but compared to a “normal” shooting some things should be taken into consideration:

• Even though we used flicker-free HMIs we had some kind of flickering in the brightness of the shots. We noticed this after the shooting and could not figure out where it was coming from.
• There were many colored pixels (in red, green and blue) in some of the shots which seemed to occur mostly in images with a lot of detail. This occurs because of how the chip is recording and handling the images.
• Whole lines of pixelerrors occur when overexposed areas are in the frame, even if it is a small arena like relections. According to the manufacturer this was a bug in the software which has been removed.
• The electronic gain produces, as every gain, heavy noise. Only because the camera offers the possibility of a high gain it should not be used if you want to achieve a high quality.
• The time to tranfer the data can be very high. It is depending on the speed of the network connection and the hard disc. (50 MB/second are possible if a gigabit-ethernet-card and a fast hard disc is used.)
• The camera is designed for industrial use and not for film shootings. Because of this the use of the camera in field is difficult since it has not controls or a display.

The Motionblitz Cube 4 was not designed for film shootings. But it is possible to take
beautiful pictures with it.