Video Exposure Analyzer

Video_EXposure_Analyzer
V E X A 1.0

VEXA 1.0, entwickelt von März bis Juni 2006, ist ein Gerät mit dem man den Beginn und das Ende der optischen Belichtung innerhalb jedes einzelnen Halbbildes einer PAL oder NTSC Kamera oder eines Videomoduls anzeigen kann. VEXA 1.0 verwendet die vom analogen Videosignal extrahierten Vsync Impulse um eine Reihe von 10 geschalteten LEDs zu synchronisieren und so die Position und Dauer der optischen Belichtung innerhalb eines Video Halbbildes zu zeigen. Dieses Gerät wurde entwickelt um Kameras mit einer Belichtungsdauer von einem Halbbild oder kürzer zu testen. Daher kann VEXA auch ein brauchbares Gerät für Leute mit Video Time Inserter sein, um die Genauigkeit der Zeiteinblendung in den Videos zu bestimmen. Um Messungen durchzuführen muß man nur die 10 LEDs mit der zu testenden Kamera aufnehmen.

Copyright Hinweise: Download und Anwendung dieser Informationen und Dateien ist frei, erfolgt aber auf eigenes Risiko und ist nur erlaubt für nichtkommerzielle Anwendung.
Copyrights werden beansprucht vom Entwickler von VEXA und Author dieser Internetseiten - Gerhard Dangl.

Link zur neueren Version VEXA 2.0

Inhalt dieser VEXA 1.0 Seite und einige Links

Häufig gestellte Fragen (FAQ - Frequently Asked Questions)

VEXA 1.0 Funktionsbeschreibung

VEXA 1.0 Download Dateien - ein eigenes VEXA bauen

Bilder eines selbstgebauten VEXA 1.0 Prototyp

Signal Messungen an einem VEXA 1.0 Prototyp

VEXA Messungen - CCIR Video Modul SK1004XC/SO

VEXA Messungen - CCIR Video Kamera WAT-120N

Geoff Hitchcox (Neuseeland), der Entwickler des Video Time Inserter KIWI-OSD,
verwendete einige VEXA Messungen für Eine detailierte Betrachtung von KIWI OSD Video Zeiteinblendungen.

Vielen Dank an Geoff Hitchcox und an Dave Gault (Australien) für den Aufbau der ersten "externen" VEXAs und für die Durchführung von sehr brauchbaren Messungen. Zusätzlich noch vielen Dank an Geoff Hitchcox für seine guten Ideen im VEXA Schaltungs Entwurf.

Inzwischen wurde VEXA nach Österreich, Neuseeland und Australien auch in Kalifornien von Astronomen verwendet. Mein Dank gilt ihnen allen und besonders für die Weiterleitung der Messergebnisse über ihre Videokamera.

Häufig gestellte Fragen (FAQ - Frequently Asked Questions)

1.) Was bedeutet VEXA?
VEXA steht als Abkürzung für Video_EXposure Analyzer. VEXA besteht aus frei erhältlichen Hardwarekomponenten und von mir eigens dafür programmierter Software die den Funktionsablauf steuert.
2.) Was kann man mit VEXA machen?
VEXA dient zum Anzeigen und Testen der Belichtungsdauer einer Videokamera oder eines Videomoduls. Es ist ein Gerät um den Beginn und das Ende der optischen Belichtung innerhalb eines Video Halbbildes zu zeigen. VEXA 2.0 kann zusätzlich als Lauflicht arbeiten oder auch als extern getriggertes optisches Impulsgerät verwendet werden.
3.) Welche Kameras kann man mit VEXA testen und messen?
Alle Videokameras die einen analogen Ausgang im PAL oder NTSC Standart haben. Dabei ist es egal ob die Kamera eine Farb- oder Monochromausführung ist.
4.) Kann man mit VEXA auch Videokameras im Integrationsmode testen?
Ja, wenn diese einen analogen Videoausgang haben. Aber durch die interne Bildintegration können die von VEXA im Video Mode synchron gesteuerten LEDs im Videobild eventuell falsch dargestellt werden.
5.) Kann man mit VEXA auch USB-Kameras oder Fire-Wire Kameras testen?
Nein, aus diesen digitalen Signalen kann VEXA nicht angesteuert werden. Wenn diese Kameras aber auch einen analogen Videoausgang haben kann man mit VEXA messen.
6.) Wie kann man mit VEXA messen?
Um die Video-Belichtung zu messen, muß man nur die Kamera an VEXA anschliessen und die 10 LEDs mit der zu testenden Kamera aufnehmen. Der ideale Abstand hängt dabei von der verwendeten Kameraoptik ab. Für genaue Messungen können bis zu 32 verschiedene Modes mit einem DIP-Schalter ausgewählt werden.
7.) Kann ich mit VEXA auch die Genauigkeit von Video Time Inserter (VTI) direkt überprüfen?
Nein, VEXA zeigt die zeitliche Lage und Länge der Kamera-Belichtung im einzelnen Video Halbbild aber nicht den UT-Zeitpunkt der einzelnen Aufnahmen. Allerdings kann man mit VEXA bei einer Videokamera den zeitlichen Bezug zwischen Belichtung und V_sync Ausgangsimpuls sehr genau messen. Mit diesem VEXA-Ergebnis und der VTI-Zeiteinblendung kann man nun bei relativ kurzen Belichtungen von hellen Objekten wie Mond oder gefilterter Sonne den Aufnahmezeitpunkt auf etwa eine Millisekunde oder sogar noch genauer bestimmen.
8.) Gibt es VEXA als Fertiggerät oder als Bausatz?
Nein, aber alle erforderlichen Informationen zum Selbstbau und Betrieb eines VEXA werden auf dieser Internetseite kostenlos aber ohne Garantien zur Verfügung gestellt. Bitte Copyright-Hinweise beachten. Einige Prototypen von VEXA wurden bereits erfolgreich aufgebaut und betrieben.
9.) Mit welchen Materialkosten muß man beim Selbstbau eines VEXA rechnen?
Als Untergrenze sollte man mit ungefähr 15 Euro oder etwa 20 US-Dollar rechnen.
10.) Welche Versorgung braucht VEXA?
7-12 Volt Gleichspannung bei einem Stromverbrauch von etwa 30mA.

VEXA Funktionsbeschreibung

Überblick:
VEXA ist eine einfache Microcontroller-Schaltung zum Anzeigen und Testen der Belichtungsdauer einer Videokamera oder eines Videomoduls. VEXA ist ein Gerät um den Beginn und das Ende der optischen Belichtung innerhalb eines Video Halbbildes zu zeigen. Dieses Gerät wurde entwickelt um Kameras mit einer Belichtungsdauer von einem Halbbild oder kürzer zu testen. Moderne Kameras können das Zeitfenster der Belichtung von einer gesamten Halbbilddauer (PAL=20.00000ms, NTSC=16.68335ms) zu kurzen Zeiten im Bereich von nur 10 Mikrosekunden verändern. Das Belichtungsfenster beginnt meistens an einem variablen Zeitpunkt im Halbbild und dauert bis zum Ende des Halbbildes. Aber einige Video Module starten die Belichtung zu einem fixen Zeitpunkt und verändern das Belichtungsende im Halbbild.

VEXA verwendet vom analogen Videosignal extrahierte Vsync Impulse um eine Reihe von 10 geschalteten LEDs zu synchronisieren und so die Position und Dauer der optischen Belichtung innerhalb eines Video Halbbildes zu zeigen. Um die Belichtungszeit zu messen, muß man nur die 10 LEDs mit der zu testenden Kamera aufnehmen. Der ideale Abstand hängt von der verwendeten Kameraoptik ab. Man sollte das Umgebungslicht im Blickfeld der Kamera verändern um zu sehen wie die Kamera das Zeitfenster der Belichtung ändert.

Für genaue Messungen können 32 Modes mit einem DIP-Schalter ausgewählt werden. Dazu sollte man die Datei aus dem Downloadbereich über VEXA_Mode und Funktion genau lesen und man wird verstehen wie die verschiedenen Modes für genaue Messungen anzuwenden sind.

Mit einem Potentiometer kann man die Helligkeit der LEDs über einen weiten Bereich einstellen. CCD oder CMOS Kameras können das Glimmen von roten LEDs erfassen obwohl sie für das menschliche Auge als dunkel erscheinen. Daher kann auf der anderen Seite eine zu große LED Helligkeit die 10 Einzelpositionen der beleuchteten LEDs überstrahlen.

VEXA braucht für die Funktion eine Spannungsversorgung im Bereich von 7 - 15 Volt Gleichspannung und 30mA Strom. Es wird dazu das richtige Netzteil benötigt aber mit einer 9-Volt Batterie sollte eine Funktion für 3 - 4 Stunden ebenfalls möglich sein. Man verbindet den analogen Video Ausgang der Kamera mit dem VEXA Video Eingang. Um die Belichtung und die Regelung der Belichtung aufzunehmen oder live zu sehen, muß man den VEXA Video Ausgang an einen Monitor, einen Videorekorder oder Videograbber anschließen.

Video EXposure Analyzer - VEXA
(Funktionsdiagramm)
VEXA functional diagram

VEXA verwendet die extrahierten Vsync Impulse vom analogen Video Signal um die internen Laufstarts der LED Reihe zu synchronisieren. Nach einem Start wird immer nur eine LED (01 - 10) nach der anderen hell geschaltet. Die Verzögerung zwischen Vsync und dem Start von LED 01 und die Zeitschritte zwischen den einzelnen beleuchteten LEDs werden vom ausgewählten Mode (00-31) gesteuert. VEXA kann auch die ungeraden und geraden Halbbilder von PAL oder NTSC Video Signalen unterscheiden. Daher kann man einen LED-Durchlauf nur in ungeraden, nur in geraden oder in beiden Halbbildern auswählen.

Beispiel - ideales Zeitverhalten:
Wir benutzen eine PAL Kamera mit einem Video Halbbild von 20ms und betreiben VEXA im Mode 00. Vexa wartet auf den Vsync Impuls und startet die LED Reihe unmitelbar danach mit der LED 01. Im Mode 00 werden die LEDs 01 bis 10 einzeln aufeinander folgend für exakt 2 ms hell geschaltet. Nach 20ms haben alle zehn LEDs für jeweils 2 ms geleuchtet und dann wird das nächste Video Halbbild mit dem nächsten Vsync Impuls gestartet. Der selbe Zyklus startet von neuem und so weiter.

In unserem Beispiel nehmen wir an, dass die Belichtungsautomatik unserer Kamera in jedem Halbbild 12 ms belichtet. Der Beginn erfolgt 8ms nach dem Vsync. Das Belichtungsfenster dauert bis zum Ende des Halbbildes bei 20ms. Wenn wir den Sichtbereich der Kamera abdunkeln, würde die Kameraautomatik den Beginn der Belichtung um einige Millisekunden früher als in unserem Beispiel ansetzen.
Hinweis: Die maximale Belichtungsdauer dauert bei einer PAL Kamera nahezu 20ms pro Halbbild und könnte bei einer NTSC Kamera bis etwa 16.68ms andauern.

Was werden wir in unserem Beispiel in einer aufgenommenen PAL Video Sequenz oder auf einem Monitor, der das Livebild zeigt, sehen? Es erfolgt keine Belichtung während der Leuchtdauer von LED 01, 02, 03 und 04. Daher erscheinen LED 01 bis 04 dunkel (0-8ms) und die LEDs 05 bis 10 (8ms - 20ms) sind während dem Belichtungsfenster beleuchtet und leuchten daher hell am aufgenommenen Video oder am Monitor. Wir sind in der Lage die Dauer (6 x 2ms = 12ms) und zusätzlich die Position des Belichtungsfensters in jedem Halbbild zu bestimmen. Siehe dazu die unten folgende Grafik mit der graphischen Beschreibung dieses Ergebnisses.

Beispiel Video Zeitverhalten - idealisiert
VEXA video timing

Live Video Bild von allen 10 Vexa-LEDs am Monitor

Beispiel - reales Zeitverhalten:
Und nun das gleiche Beispiel wie zuvor aber mit einem realen Zeitverhalten der Kamera. Die Belichtungszeit ist die gleiche (12ms) wie in unserem vorigen Beispiel. Aber in der Realität gibt es meistens einen zeitlichen Versatz zwischen dem Halbbild-Ausgangssignal (Vsync) und der internen Belichtungssequenz. Dieser kleine Versatz wurde von Geoff Hitchcox in einigen meiner früheren Messungen am Video Modul SK-1004XC, wo ich mein KIWI-OSD mit der 1PPS LED und ein Oszilloskop verwendete, entdeckt. Und dies war der Grund für mich ein Gerät wie VEXA zu entwickeln, um in der Lage zu sein das exakte Verhalten von Video Kameras und Video Module zu messen.

Wie können wir durch die Verwendung von VEXA diesen zeitlichen Versatz zwischen dem Halbbild-Ausgangssignal (Vsync) und der internen Belichtungssequenz sehen? Ein realer Wert für diesen Zeitversatz ist kleiner als eine Millisekunde. Betrachten wir die unten folgende Grafik unter der Annahme, dass der Zeitversatz eine Millisekunde ist. Zur Erinnerung, wir betreiben VEXA im Mode 00. Daher wird die LED 01 unmittelbar nach dem Vsync für 2ms eingeschaltet. Wegen dem Zeitversatz (Offset) ist zu diesem Zeitpunkt das interne Belichtungsfenster noch nicht beendet sondern dauert noch etwa 1 Millisekunde an.

Was werden wir auf Aufnahmen oder einem Monitor der die aufgenommenen LEDs zeigt sehen? LED 01 in halber Helligkeit weil sie nur für 1 ms am Ende des Belichtungsfensters erfasst wurde. Während dem Leuchten von den LEDs 02, 03 und 04 wurde keine Belichtung durchgeführt, daher erscheinen sie komplett dunkel. LED 05 wurde nur für 1ms erfasst am Beginn des Belichtungsfensters und erscheint in halber Helligkeit wie LED 01. Nur die LEDs 06, 07, 08, 09 und 10 wurden alle für 2ms erfasst und sind voll beleuchtet. Wenn wir alle Belichtungszeiten 1ms + 5 x 2ms + 1ms addieren, bekommen wir die korrekte Belichtungsdauer von 12ms.

Nun können wir andere VEXA-Modes verwenden um diese Resultate mit höherer zeitlicher Auflösung zu bestimmen. Das Einzige was wir beachten müssen ist, wenn die LED 01 auch bei kurzen Belichtungsfenster leuchtet, existiert ein interner Zeitversatz zwischen dem Halbbildsignal am Video Ausgang (Vsync) und dem internen Belichtungsfenster. Und in so einem Fall zeigt uns die LED 01 das Ende des Belichtungsfensters und nicht den Beginn. Die Existenz und der Wert eines Zeitversatzes sind unterschiedlich und sind abhängig von der Video Kamera oder dem Modul Typ.

Beispiel Video Zeitverhalten - real
VEXA video timing

Live Video Bild von allen 10 Vexa-LEDs am Monitor

Zusätzlicher Hinweis für den Gebrauch von NTSC Kameras:
Ein Durchlauf der LED Reihe endet spätestens mit dem nächsten Vsync Impuls oder früher nachdem die 10 LED Leuchtzeiten vorbei sind, abhängig vom verwendeten Mode. Die maximal wählbare Laufzeit ist Mode 00 mit 10 x 2ms = 20ms. Das ist die volle Zeit eines PAL Halbbildes. Aber wenn Sie eine NTSC Kamera verwenden werden Sie in diesem Mode sehen, dass der LED Durchlauf bei LED 09 wegen dem nächsten Vsync nach 16.68335ms endet. Daher wird beim Signal einer NTSC Kamera die LED 10 in diesem Mode nie leuchten.

Nun nach dem Lesen all dieser theoretischen Beschreibungen sollten Sie zusätzlich einen Blick auf Bilder von realen VEXA-Messungen, durchgeführt mit meinem CCIR Video Modul SK1004XC/SO und der Video Kamera WAT-120N, werfen.

VEXA Messungen - CCIR Video Modul SK1004XC/SO

VEXA Messungen - CCIR Video Kamera WAT-120N

Download Dateien für den Selbstbau von VEXA

Hinweis: Download und Anwendung dieser Informationen und Dateien ist frei, erfolgt aber auf eigenes Risiko und ist nur erlaubt für nichtkommerzielle Anwendung. Copyrights werden beansprucht vom Autor dieser Internetseiten. Es ist möglich, dass Dateien und ihr Inhalt von Zeit zu Zeit verändert werden.

Dateien zum Download (erste Prototype):

VEXA_Einführung in Kurzform (vexa_g.txt - 2kB)

VEXA_Mode and Funktion (vexa_mod.xls - 89kB)

VEXA_Schaltung (vexa_sch.gif - 43kB)

VEXA_Bauteilliste (vexa_mat.xls - 18kB)

VEXA_Bestückungsplan (vexa_bd.gif - 32kB)

VEXA_Bestückungsplan_Durchkontaktierungen (vexa_via.gif - 50kB)

VEXA_Layout (vexa_pcb.gif - 49kB)

VEXA_Zusätzliche Pullups (vexa_add.gif - 2kB)
(fehlen in VEXA_Schaltung - vexa_sch.gif)

VEXA_Prototyp_Platine (vexa_pc2.jpg - 74kB)
mit zusätzlichen Pullups über V13 und V14 gelötet

VEXA_Software V1.0 im Intel Hex format (vexa.hex - 5kB)

VEXA_Software V1.0 im Binary format (vexa.bin - 2kB)