Schlierenfotografie mit Eventkameras

Die Schlierenfotografie ist ein Standardverfahren in Forschung und Industrie. Mit ihr werden Aufnahmen im Windkanal gemacht, Strömungen von Düsen und Turbinen untersucht oder Gaslecks in Tanks und Anlagen aufgespürt. Einem Team der TU Berlin und der Keio University ist es jetzt gelungen, mit dem völlig neuen Konzept der „Eventkameras“ die Möglichkeiten der Schlierenfotografie deutlich zu erweitern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kameras nehmen Eventkameras nicht ganze Bilder auf einmal auf, sondern registrieren für jedes lichtempfindliche Pixel getrennt nur die Veränderungen in der Helligkeit.

„Eher durch Zufall haben wir festgestellt, dass sich Eventkameras hervorragend eignen, um das Verfahren der Schlierenfotografie zu verbessern“, erklärt Guillermo Gallego von der TU Berlin. Eine Kombination von Schlieren- und Eventfotografie bringt enorme Vorteile. Bei der Schlierenfotografie wird die Bewegung von nicht sichtbaren, transparenten Medien wie Flüssigkeiten oder Gasen sichtbar gemacht. Eine Methode ist dabei, diese Medien vor einem kleingemusterten, schwarzweißen Hintergrund aufzunehmen. Durch Bewegung in einem transparenten Gas entstehen Orte mit unterschiedlicher Dichte und damit unterschiedlichem Brechungsindex. Die Kanten im Hintergrundmuster werden dadurch unterschiedlich verzerrt, was zu einem schlierenhaften Abbild der Bewegung führt – daher der Name des Verfahrens. Mit Hilfe von Software kann aus den Daten dann der Hintergrund auch ganz entfernt werden, übrig bleibt das Schlierenmuster.

Die Eventfotografie wiederum ist vom menschlichen Sehen inspiriert. Ähnlich wie bei den Vorgängen in der Netzhaut trägt jedes lichtempfindliche Pixel der Kamera zeitlich unabhängig zum Gesamtbild bei – es gibt also keine Belichtungszeit, nach der alle Pixel auf einmal ausgelesen werden. Da die Pixel nur ein Signal senden, wenn sich die Stärke des Lichteinfalls ändert, ist die zu verarbeitende Datenmenge für mit Eventkameras aufgenommene Videos kleiner. Und weil es keine Belichtungszeit gibt, für die sich die Kamera entscheiden muss, können sowohl dunkle wie besonders helle Bereiche annähernd gleich gut dargestellt werden. Zudem ist die Reaktionszeit einer Eventkamera durch den Wegfall der Belichtungszeit kleiner, was es einfacher macht, Hochgeschwindigkeitsaufnahmen durchzuführen. Mit diesen können dann hochaufgelöste Zeitlupenfilme erstellt werden.

„Bei der Auswertung unserer mit Eventkameras aufgenommenen Daten können wir die Bewegung von Objekten vor allem an deren Kanten erfassen. Dies nutzen wir nun auch für die Schlierenfotografie. Wir erfassen die scheinbare Bewegung des Hintergrundmusters mithilfe der Eventdaten und können in der Folge die Bewegungsrichtung schätzen“, erklärt Friedhelm Hamann von der TU Berlin.

Das Forscherteam hat auch eine komplette mathematische Theorie für die digitale Auswertung von Schlierenaufnahmen mit Eventkameras aufgestellt. Um das für die Schlierenfotografie notwendige Hintergrundmuster im Computer entfernen zu können, nahmen sie beispielhafte Szenen – etwa aufsteigende Luft über einer Herdplatte oder menschlichen Atem – sowohl mit einer Event- als auch mit einer normalen Kamera auf. Durch den Einsatz von künstlicher Intelligenz bei der Auswertung erzielten sie bereits mit dieser Kombination Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, die sonst nur mit sehr teuren und aufgrund ihrer Größe vielfach unpraktischen modernen Hochgeschwindigkeitskameras möglich gewesen wären. In Bezug auf die zeitliche Auflösung und den Dynamikbereich, also das Maß für die noch darstellbaren Helligkeitsunterschiede, konnten sie eine zehnfache beziehungsweise vierfache Verbesserung gegenüber den üblicherweise in der Schlierenfotografie verwendeten Kameras erzielen. Weil die KI nur wenige Daten von der normalen Kamera benötigte, konnte auch die Menge der insgesamt verwendeten Daten auf ein Zehntel reduziert werden.

„Die besseren Zeitlupenaufnahmen bei gleichzeitig höherer Auflösung werden sicherlich in Zukunft in den Laboren zum Beispiel der Luft- und Raumfahrtforschung wertvolle Dienste leisten“, ist sich Gallego sicher. Auch bei der Entwicklung neuer Gasturbinen, die etwa für die Energiewende benötigt werden, könne die Schlierenfotografie mit Eventkameras wichtig werden. „Dass Eventkameras auch bei schlechten Lichtverhältnissen funktionieren, kann wiederum im industriellen Einsatz nützlich sein, etwa beim Aufspüren von Gaslecks mit Hilfe von Schlierenfotografie.“ Durch die Reduktion der Datenmengen entfalle zudem die oft notwendige, aufwändige Kühlung der lichtempfindlichen Chips in den Kameras, was eine kleinere Bauart möglich mache.

TU Berlin / RK