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Videobild - Aufbau und Timing
Jedes Videobild im PAL oder im NTSC System besteht eigentlich aus zwei Halbbildern. Beim ersten Halbbild werden vorerst nur die ungeraden Zeilen 1, 3, 5, 7 ...usw bis zum unteren Bildrand übertragen. Beim zweiten Halbbild folgen dann die Zeilen 2, 4, 6, 8 ...usw ebenfalls bis zum unteren Bildrand. Somit werden beim PAL System mit 50 Halbbildern pro Sekunde eigentlich insgesamt nur 25 Vollbilder pro Sekunde übertragen. Mit diesem Bildübertragungsverfahren erreicht man bei gleichbleibender Datenmenge eine scheinbar doppelte Bildwechselfrequenz und verhindert damit ein zu starkes Bildflimmern.

Beim PAL-System wird also alle 20 Millisekunden (ms) ein Halbbild übertragen. Vor jedem ungeraden und geraden Halbbild wird ein eigener und jeweils unterschiedlicher Vertikal Sync-Impuls gesendet. So können alle Bildschirmgeräte den Beginn der beiden Halbbilder exakt erfassen und die ungeraden und geraden Bildzeilen in Echtzeit wieder richtig zu einem Vollbild zusammensetzen. Auf diese Weise wird also alle 40 ms ein komplettes Vollbild mit allen Bildzeilen übertragen. Somit erreicht man 25 Vollbilder pro Sekunde.

Zeiteinblendung im Videobild mit GPS + Time-Inserter KIWI-OSD
Das KIWI-OSD, von Geoff Hitchcox aus Christchurch in Neuseeland entwickelt, erfasst mit einem extern angeschlossenen GPS-Empfänger-Modul Garmin 18 LVC die Weltzeit UTC mit einer Genauigkeit die im Mikrosekundenbereich (1/1000000 s) liegt. Mit diesem Gerät können dann die entsprechend genauen Zeitinformationen in ein beliebiges Videosignal (PAL oder NTSC) eingeblendet werden. Neben der üblichen Uhrzeit werden auch die Zeitspannen seit dem letzten Sekundenstart und dem Zeitpunkt der beiden letzten Vsync-Impulse der ungeraden und geraden Halbbilder mit der Genauigkeit einer 1/1000 Sekunde (1ms) eingeblendet. Ein fortlaufender Zähler am rechten unteren Bildrand zählt fortlaufend alle Halbbilder des Videosignals und erleichtert so zusätzlich die spätere Zeitauswertung.

Verkleinertes Videobild mit einem Stern und Zeitinformationen am unteren Bildrand

Dieses Bild zeigt, welche Informationen jeweils am unteren Bildrand eingeblendet werden

HH    Stunden (UTC)
MM    Minuten
SS    Sekunden
EEE   ms beim E-VSync der Bildhälfte mit geraden Bildzeilen (Even 2, 4, 6, ...) 
OOO   ms beim O-VSync der Bildhälfte mit ungeraden Bildzeilen (Odd 1, 3, 5, ...)
FFFFF Zähler für alle Video-Halbbilder (Fields) seit dem Einschalten. 

Die exakte zeitliche Zuordnung des oben dargestellten Halbbildes (Field-Image)

Wenn nun ein Ereignis in einem solchen Halbbild (Field-Image) erfasst wurde, kann man den genauen Zeitpunkt des Ereignisses in einem Bereich von 20ms festlegen. Für das Beispielbild oben ergibt sich somit folgende zeitliche Definition:

Field Image  20h 00m 53,675s +/-10ms  (20:00:53,665 - 20:00:53,685) UTC.

Videoaufzeichnung
Leider werden einzelne Video-Halbbilder zwar von den meisten Videorecordern, aber meist nicht von den üblichen digitalen Videograbbern aufgezeichnet. Nur wenige digitale Lösungen bieten mit ihren Softwaretreibern auch die Möglichkeit einer echten Halbbildaufzeichnung und Halbbildwiedergabe. Beim Aufzeichnen stellen übliche Videorecorder manchmal aufgrund ihrer Größe, des Gewichts und des Energieverbrauchs ein erhebliches Problem beim mobilen Einsatz dar. Einige tragbare Ausführungen oder Camcorder-Typen mit Analogeingang eignen sich hier als handlicher Ersatz.

Video-Bildauswertung
Später für die Bildauswertung eines Videobandes im Halbbildmodus braucht man aber unbedingt einen speziellen Videorecorder der gehobenen Klasse. Nur bei diesen Geräten mit echter "Videoschnittfähigkeit" kann im Standbildmodus mit einem "Jog-Rad" tatsächlich von Halbbild zu Halbbild weitergeschaltet werden, ohne dabei Videokopf oder Videoband zu beschädigen. Hier ist eine kurze Liste von Videorecordern die mir für Halbbild-Videoauswertung als geeignet mitgeteilt wurden. Aber bis jetzt konnte ich nur meinen eigenen Panasonic NV-HS 950 testen. Wenn Sie noch eine weitere Type kennen, dann bitte ich um ein mail um die Type in diese Liste aufzunehmen.

Blaupunkt RTV-950 Hifi   =  Panasonic NV-FS 200
Blaupunkt RTV-959 S-VHS  =  Panasonic NV-FS 200 EG

Panasonic NV-FS 200      =  Blaupunkt RTV-950 Hifi
Panasonic NV-FS 200 EG   =  Blaupunkt RTV-959 S-VHS
Panasonic NV-HS 950 EG
Panasonic NV-HS 1000 EG
Panasonic NV-HS1000BYP

Herzlichen Dank an alle, die mir bisher diese Videorecorder-Typen
mitgeteilt haben.

Panasonic NV-HS 950 für die genaue Halbbild-Videoauswertung

Videoaufzeichnung und Bildauswertung mit einem externen USB Videograbber
Mit meinem Notebook und dem externen Xpert V-Stream Videograbber USB2.0 kann ich verlustfreie Videoaufzeichnungen auf die Harddisk durchführen. Bei dieser Aufzeichnung im AVI-Format werden jeweils zwei aufeinander folgende Halbbilder abgespeichert und können mit geeigneter Software bei der Wiedergabe auch wieder getrennt werden. Somit ist später eine zeitliche Zuordnung eines Ereignisses mit einer Genauigkeit von +/- 10ms möglich.

USB2.0 Videograbber Xpert V-Stream für Direktaufnahmen mit dem Notebook

Mit diesem kleinen Xpert V-Stream Videograbber USB2.0, einem Notebook und der Freeware VirtualDub kann man direkt am Notebook ein AVI-Video aufzeichnen und später alle Halbbilder Schritt für Schritt wiedergeben. Daher ist die Genauigkeit einer Zeitangabe +/- 10ms.   Hersteller: www.kworld.com.tw   Vertrieb Deutschland: www.lechner-cctv.de   Vertrieb Österreich: www.oe2tzl-atv.at

Aber bei ungeeigneter Hardware, Software oder einem falschem Aufzeichnungsformat können die Halbbilder später bei der Wiedergabe nicht mehr getrennt werden. Im unten folgenden Beispiel werden jeweils Gerade und Ungerade Halbbilder in einem Vollbild zusammengefasst wiedergegeben.

Diese Folge von 6 Halbbildern wurde auf 3 Einzelbilder zusammengefasst

Die exakte zeitliche Zuordnung der 6 Halbbilder und die Erfassung als 3 Einzelbilder

Image 1   20h 00m 53,945s +/-20ms  (20:00:53,925 - 20:00:53,965) UTC

Image 2   20h 00m 53,985s +/-20ms  (20:00:53,965 - 20:00:54,005) UTC

Image 3   20h 00m 54,025s +/-20ms  (20:00:54,005 - 20:00:54,045) UTC

Videoformat
In der Astronomie sollte die erste digitale Aufzeichnung von Video immer so verlustfrei wie möglich und daher unkomprimiert erfolgen. Nur so gehen feine Details wie einzelne Sterne in Pixelgröße später in den abgespeicherten Einzelbildern auch nicht verloren. Das ist bei Aufzeichnungen von Bedeckungsereignissen eine absolute Notwendigkeit. Damit scheiden die diversen MPEG-Formate als brauchbares Format bei einer Erstaufzeichnung von vornherein leider schon aus.

Die genannten Bedingungen werden aber mit einem AVI-Vollformat (720x576 bei 25fps) erreicht, bei dem die Luminanzinformation (Helligkeitsinformation) nicht komprimiert wird. Beim Format YUV 4:2:2 wird die Helligkeitsinformation Y für jedes Pixel mit einer Auflösung von 8 Bit (256 Stufen) erfasst. Die Chromawerte UV werden hingegen horizontal nur für jedes zweite Pixel in der Zeile, aber vertikal in jeder Zeile mit 8 Bit erfasst. Diese Chromawerte UV sind für monochromes Video nicht notwendig und verbrauchen dabei nur unnötig Bandbreite und Speicherplatz. Aber es gibt im Zeitalter des Farbfernsehens leider kein Format, das nur die Luminanzinformation Y aufzeichnet. Daher stellt das AVI-Format YUV 4:2:2 noch immer eine der besten Möglichkeiten der digitalen Videoaufzeichnung dar.

Video-Datenmenge
Bei der Aufzeichnung im AVI-Format YUV 4:2:2 entsteht eine Datenmenge von 16 Bit pro Pixel und damit bei PAL (720x576@25Hz) etwa 20 Megabyte pro Sekunde. Daraus folgt, dass bei externen Aufzeichnungsgeräten nur Schnittstellen wie USB2.0 oder IEEE 1394 (Firewire) in der Lage sind, diese Datenmengen ohne Verlust in das Notebook oder den PC zu transportieren. Im Inneren des Rechnersystems gibt es aber eine weitere Engstelle für den Datenstrom. Die Harddisk muss ebenfalls in der Lage sein, diese Datenmenge über die gesamte Aufzeichnungsdauer ohne Datenstau abzuspeichern. Dazu sind nur die neuesten Generationen von Festplatten wirklich in der Lage. Bei Notebook-Festplatten reicht eine Umdrehungszahl von 5400 Upm hier gerade noch aus. Auch ein entsprechend großer Cache-Speicher der Harddisk hilft mit, zahlreiche Einzelbildverluste (dropped Frames) zu verhindern. Schon nach wenigen Minuten entstehen hier Datenmengen von mehreren Gigabyte. Da jede Festplatte beim Beschreiben von Außen nach Innen immer langsamer wird, sollte die Kapazität entsprechend großzügig gewählt werden. Auch eine sehr schnelle Festplatte kann unter 15 Prozent freiem Speicherplatz schon Geschwindigkeitsprobleme bekommen. Aber noch wichtiger ist eine defragmentierte Festplatte. Ich habe eine schnelle Festplatte mit etwa 50 Gigabyte freiem Speicherplatz gesehen die bei der Aufzeichnung Video Frames wegen permanent notwendigen Schreibkopfbewegungen aufgrund hoher Fragmentierung verloren hat. Daher sollte eine Defragmentierung an einer Festplatte regelmäßig durchgeführt werden.

Verlustfreie Video-Datenkompression
Seit April 2006 kenne ich einen sehr schnellen Video Codec der ein YUY2 4:2:2 Format in Echtzeit nahezu um den Faktor 3 verlustfrei komprimieren kann. So müssen nun nur mehr etwa 7,5 MByte pro Sekunde auf der Harddisk gespeichert werden. Dieser hervorragende Video Codec HuffYUV arbeitet mit der ebenfalls hervorragenden Videosoftware VirtualDub sehr gut zusammen. Mit der Hardware USB2.0 Videograbber Xpert V-Stream und diesen beiden Softwarelösungen kann ich Video-Aufnahmen auf Harddisk in Echtzeit durchführen und später auch die Zeit-Auswertung in Halbbildschritten auf +/- 10ms genau machen. Das ist eine moderne Lösung die bei der Aufnahme im Freien ohne Videorecorder und Band auskommt. Aber wegen dem limitierten Harddisk-Speicherplatz kann ich nur etwa 120 Minuten (52GB) in einem Stück aufzeichnen. Anstatt in einer großen Videodatei können die Daten während der Aufzeichnung in viele kleine Dateien aufgeteilt werden. So müssen später nur wenige kleine Dateien von Interesse archiviert werden.

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