Warum flackern manche Zeitlupenaufnahmen?

Störender Flicker im Bild entsteht prinzipiell immer dann, wenn die Netzfrequenz des elektrischen Stroms, der zum Betrieb der Leuchten verwendet wird, nicht mit der Aufnahmefrequenz der Kamera harmoniert. Wie stark der Flicker im Bild tatsächlich zu sehen ist, hängt unter anderem von der Art des Bildinhaltes und der Lichtrichtung ab. Ein flickerndes Gegen- oder Seitenlicht wirkt oft störender, als eine frontal auf das Objekt strahlende Lichtquelle. In hellen Bildbereichen oder bei High-Key-Aufnahmen fällt Flicker besonders schnell auf.

Doch wie lässt sich Flicker vermeiden? Dazu zunächst ein wenig Theorie:

Wechselstrom: Der gelbe Punkt kennzeichnet den Nulldurchgang.

Wechselstrom: Der gelbe Punkt kennzeichnet den Nulldurchgang.

Bei dem, was aus der Steckdose kommt, handelt es sich um Wechselstrom, dass bedeutet, der Stromverlauf wechselt periodisch seine Richtung. Die Frequenz, also wie oft er das tut,  wird in Hertz (Hz) gemessen. In Europa liegt die Netzfrequenz bei 50 Hz (= 50 Perioden in der Sekunde), in Japan, den USA und zahlreichen weiteren Ländern bei 60 Hz.

Helligkeitsverlauf von Lichtquellen in Abhängigkeit zur Netzfrequenz

Helligkeitsverlauf von Lichtquellen in Abhängigkeit zur Netzfrequenz

Pro Periode kommt es zweimal zu einem „Nulldurchgang“ (gelber Punkt), das heißt, für einen extrem kurzen Zeitpunkt fließt überhaupt kein Strom. Kein Strom bedeutet aber auch: Kein Licht. Eigentlich müsste eine an Wechselstrom angeschlossene Lampe 100-mal in der Sekunde an und aus gehen; und es gibt in der Tat Lichtquellen, auf die das zutrifft:

Auf dem Video zu sehen ist die Zeitlupenaufnahme einer Gasentladungslampe. Das Licht wird durch einen Lichtbogen erzeugt, der zwischen zwei Elektroden brennt. Zu finden sind solche Leuchten zum Beispiel bei der Straßenbeleuchtung, in Geschäften und natürlich auch beim Film (HMI-Tageslichtleuchten). Deutlich auf dem Video zu sehen: Der Lichtbogen folgt der anliegenden Wechselspannung.

(Halogen-) Glühlampen erzeugen ihr Licht durch Erhitzen eines Wolframdrahtes. Um dem Spannungsverlauf vollständig zu folgen, kühlt er in dem Zeitraum des Nulldurchgangs zu langsam ab. Das Flickern ist also nicht ganz so ausgeprägt, aber in Zeitlupe durchaus gut sichtbar:

Erst bei Leistungsaufnahmen von 5 kW und darüber besitzt der Wolframdraht („Filament“) genügend Masse und damit Wärmespeicherkapazität, um die Stromlücke unsichtbar werden zu lassen. Scheinwerfer mit dieser Leistungsaufnahme lassen sich nicht mehr an einer normalen Steckdose betreiben, so dass man davon ausgehen muss, dass praktisch jede verfügbare Halogenlampe auch mehr oder weniger stark flickert.

Wie sich der Flicker vermeiden lässt

Die Bildwechselfrequenz einer Videokamera liegt in Europa üblicherweise bei 25 (Voll-)Bildern je Sekunde. Aus Vereinfachungsgründen gehen wir zunächst davon aus, dass die Belichtungszeit hierbei bei 1/25 Sekunde liegt*.

Jedes Einzelbild wird von exakt 4 Lichtpulsen belichtet. Achten Sie auf die gelben Hilfslinien bei Bild 2: Der Anfang und das Ende des Belichtungszyklus liegen exakt an der gleichen Stelle des Spannungsverlaufs. Das bedeutet: Kamera und Stromfrequenz sind synchron zueinander.

Jedes Einzelbild wird von exakt 4 Lichtpulsen belichtet. Achten Sie auf die gelben Markierungslinien bei Bild 2: Der Anfang und das Ende des Belichtungszyklus liegen exakt an der gleichen Stelle des Spannungsverlaufs. Das bedeutet: Kamera und Stromfrequenz sind synchron zueinander.

Betrachten wir das für  den Zeitraum eines Einzelbildes, stellen wir fest, dass jedes Bild von vier Lichtpulsen belichtet wird. Es spielt keine Rolle, ob der Bildwechsel (wie in der Grafik) genau im Nulldurchgang oder an einer beliebigen anderen Stelle der Wechselstromperiode erfolgt, jedes Einzelbild bekommt immer die gleiche Lichtmenge ab.

Bei 30 Bildern/Sekunde und einer Belichtungszeit von 1/30 Sekunde bekommt jedes Einzelbild eine geringfügig andere Belichtung. Achten Sie auf die gelben Hilfsmarkierungen: Belichtungsbeginn. und Ende liegen nicht an der gleichen Stelle der Schwingung: Es besteht Flickergefahr.

Achten Sie auf die gelbe Hilfsmarkierung: Beginn und Ende des Belichtungszyklus liegen nicht exakt an der selben Stelle. Das bedeutet: Kamera- und Stromfrequenz sind asynchron – jedes Bild bekommt eine geringfügig andere Belichtung – es besteht Flickergefahr.

Erhöhen wir nun die Bildfrequenz auf 30 Bilder in der Sekunde (Belichtungszeit 1/30 Sek.), sieht das schon anders aus. Der Bildwechsel ist jetzt nicht mehr synchron zur Lampenhelligkeit. Dadurch erhalten die ersten beiden Bilder zwei Lichtpulse, während das dritte sogar von vier Lichtpulsen belichtet wird.  Das Resultat: Es besteht Flickergefahr!

Achten Sie auf die gelben Hilfsmarkierungen: Durch die Verkürzung der Belichtungszeit erfolgen jetzt Anfang und Ende der Belichtungsphase wieder an der gleichen Stelle. Das bedeutet: Jedes Einzelbild enthält exakt die gleiche Lichtmenge; es besteht keine Flickergefahr. Aber: Die Start- und Endpunkte verändern sich von Einzelbild zu Einzelbild. Bei Lichtquellen mit in Abhängigkeit zur Stromphase schwankender Farbtemperatur (manche Gasentladungslampen) kann es von Einzelbild zu Einzelbild zu minimalen Farbabweichungen kommen.

Es gibt Abhilfe: Durch zusätzliches Verkürzen der Belichtungszeit auf 1/50 Sekunde erreichen wir, das jetzt jedes Einzelbild von exakt zwei Lichtpulsen belichtet wird. Damit besteht keine Flickergefahr mehr.

Aber: Die Bildfrequenz der Kamera und die Netzfrequenz sind nach wie vor nicht synchron. Dadurch liegen die Start- und Endpunkte jedes Einzelbildes in einem anderen Bereich der Wechselstromphase. Bei Glühlicht ist das unproblematisch.  Bei manchen Gasentladungslampen schwankt die Farbtemperatur jedoch in Abhängigkeit von der Stromphase – schauen Sie sich das Video oben dahingehend noch einmal genau an! In einem solchen Fall kann es bei hierfür kritischen Motiven zu leichten Farbabweichungen zwischen den Einzelbildern kommen.

Netz-50-1-50

Bei 50 Bildern und einer Belichtungszeit von 1/50 laufen Netzfrequenz und Kamera vollständig synchron.

Erhöht man nun die Bildfrequenz auf 50 Bilder in der Sekunde und belichtet weiterhin mit 1/50, wird nach wie vor jedes Einzelbild mit exakt zwei Lichtpulsen belichtet. Da die Kamera jetzt wieder synchron zur Netzfrequenz läuft, sind auch die Belichtungs- und Endpunkte aller Einzelbilder identisch. Es kann weder zu Helligkeitsflicker noch zu Farbschwankungen kommen.

Daraus können wir für die tägliche Filmarbeit Folgendes ableiten:

Empfehlung:

Achten Sie bei der Wahl der Belichtungszeit immer darauf, dass Belichtungszeit und Netzfrequenz synchron zueinander sind. Optimal sind die Werte:

  • 1/25 Sek.
  • 1/50 Sek.
  • 1/100 Sek.

Bei Gasentladungslampen und farbkritischen Motiven sollte zusätzlich auch die Bildfrequenz der Kamera synchron zur Netzfrequenz sein:

  • 25 B/Sek.
  • 50 B/Sek.
  • 100 B/Sek.
Flicker bei Bildfrequenzen oberhalb der Netzfrequenz

Unter Berücksichtigung dieser Empfehlungen sind bis zu einer Bildfrequenz von 100 B/Sek. (bei einer minimalen Belichtungszeit von 1/100 Sek.) keine Flickerprobleme zu erwarten. Geht man mit der Aufnahmebildfrequenz darüber hinaus oder verkürzt die Belichtungszeit weiter, kommt ein zusätzliches Problem hinzu:

Für die Belichtung steht nur noch ein Bruchteil eines Lichtpulses zur Verfügung. Auch wenn es nach wie vor Bildfrequenz-/Belichtungszeitkombinationen gibt, bei denen die Lichtmenge für jedes Einzelbild gleich bleibt (links), ist das in der Praxis (rechts) nicht zu gewährleisten: Bild 1 wird von deutlich größerer Lichtenergie getroffen als Bild 2. Die Lichtmenge für Bild 3 entspricht wieder der von Bild 1 usw.: Flicker ist unvermeidlich.

Für die Belichtung jedes Einzelbildes steht nur noch ein unvollständiger Lichtpuls zur Verfügung. Bei einer Bildfrequenz von 200 Bildern/Sek. und einer Belichtungszeit von 1/200 Sek. wird dieser im Idealfall genau zweigeteilt – flickerfreie, aber nicht unbedingt farbschwankungsfreie Aufnahmen wären theoretisch möglich (Grafik links). In der Praxis ist jedoch eher zu erwarten, dass die Kamera an beliebiger Stelle der Wechselstromphase startet. Jedes Einzelbild wird damit von einer unterschiedlichen Lichtmenge belichtet. Flicker ist unvermeidbar.

Ob und wie stark dieser Flicker im Bild sichtbar ist, hängt von der Art der verwendeten Lichtquelle ab. Für Temperaturstrahler (Glüh- und Halogenlicht) gilt: Je massiver der Glühfaden (=je höher die Leistungsaufnahme) desto geringer folgt die Lichthelligkeit der Wechselstromphase und desto geringer fällen die Belichtungsunterschiede und damit auch der Flicker aus.

Für Gasentladungslampen gilt: Es kommt darauf an, wie das Vorschaltgerät, welches zum Betrieb unabdinglich ist, aufgebaut ist. Bei Gasentladungslampen für allgemeine Beleuchtungszwecke (Straßenbeleuchtung, Geschäfte usw.) ist davon auszugehen, dass sie ab einer minimalen Belichtungszeit von 1/100 Sek. flickern. Auf HMI-Leuchten mit magnetischem Drosselvorschaltgerät trifft das ebenso zu. Mit als „flickerfrei“ gekennzeichneten HMI-Vorschaltgeräten sind in der Regel deutlich kürzere Belichtungszeiten und damit höhere Bildfrequenzen möglich. Eine generelle Aussage ist jedoch nicht zu treffen – Tests mit den individuell verwenden Leuchten sind zwingend.

Empfehlung für die Lichtauswahl

  • Bei Glühlicht verwenden Sie Leuchten mit möglichst großem Glühfaden. Ab einer einer Leistungsaufnahme von 5 kW ist mit weitgehender Flickerfreiheit zu rechnen.
  • Bei HMI-Leuchten mit magnetischen Drosselvorschaltgeräten oder Gasentladungslampen aus dem Bereich der Allgemeinbeleuchtung arbeiten Sie niemals mit mehr als 100 Bildern in der Sekunde. Achten Sie streng auf die Einhaltung der Empfehlungen zur Belichtungszeit. Belichten Sie niemals kürzer als 1/100 Sekunde.
  • Bei HMI-Leuchten mit elektronischem flickerfreien Vorschaltgerät müssen Sie individuell testen, ab wann sich Flicker zeigt. Gänzlich frei von Flicker sind sie in vielen Fällen nicht.
  • Unabhängig von der Art der Lichtquelle: Soweit Sie auf Drehstrom zurückgreifen können, schließen Sie drei leistungsgleiche Leuchten an jeweils eine Drehstromphase an und schicken Sie das Licht durch einen gemeinsamen Diffusor (Frostrahmen).

 

*Die empfohlene Belichtungszeit liegt für Aufnahmen mit 25 B/Sek. bei 1/50 Sek.

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2 Kommentare zu Warum flackern manche Zeitlupenaufnahmen?

  1. Klasse Beitrag und ein toller Blog, vielen Dank für die kostenlosen Infos!

  2. Super Erklärung, das bestätigt meine Theorie bei den Champions League-Zeitlupen.

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