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Die Erfindung betrifft die Steuerung einer Verschlusszeit einer Kamera. Insbesondere betrifft die Erfindung die Steuerung einer ortsveränderlichen Erfassungsvorrichtung mit einer Kamera.
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Eine Kamera ist zur Erfassung eines Bilds eingerichtet. Das Bild kann ein Objekt umfassen, das von einer Lichtquelle beleuchtet ist, die aus einem örtlichen Stromnetz gespeist ist. Das Stromnetz führt einen Wechselstrom mit einer vorbestimmten Netzfrequenz, üblicherweise 50 Hz oder 60 Hz, sodass die Lichtquelle mit der Netzfrequenz pulsieren kann. Ist eine Verschlusszeit der Kamera kürzer als eine Periodendauer der Netzfrequenz, so kann das Bild ungleichmäßig belichtet sein. Bei einem Schlitzverschluss können sich beispielsweise einer oder mehrere helle oder dunkle Streifen über das gesamte Bild erstrecken. Dieser Effekt wird auch als „Banding“ bezeichnet.
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Banding lässt sich vermeiden, indem die Verschlusszeit wenigstens so lang wie die Periodendauer ist und insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer beträgt. Während die Belichtungszeit an einer Handkamera für einen Verbraucher häufig einstellbar ist, sind Kameras, die zu Überwachungszwecken eingesetzt werden, häufig weniger flexibel.
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Auf manchen Kontinenten, beispielsweise Nordamerika, ist eine Netzfrequenz anzutreffender Stromnetze einheitlich. Die Kamera kann fest auf die Netzfrequenz eingestellt und auf dem gesamten Kontinent eingesetzt werden. Verlässt die Kamera allerdings den Kontinent, so können die Streifen bei einer anderen Netzfrequenz wieder auftreten.
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Es wurde vorgeschlagen, die Streifen mittels Bildverarbeitung zu erkennen und die Verschlusszeit der Kamera anzupassen, bis die Streifen verschwunden sind. Diese Möglichkeit ist jedoch aufwändig und die Bestimmung kann eine gewisse Zeit erfordern, während derer die Streifen im Bild nicht vermeidbar sind.
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Eine der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht in der Angabe einer verbesserten Technik zur Vermeidung von Streifen auf einem Bild, das mittels einer Kamera erfasst wird. Die Erfindung löst die Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Erfassen eines Bilds mittels einer ortsveränderlichen Kamera Schritte des Bestimmens einer geografischen Position der Kamera; des Bestimmens einer Netzfrequenz eines der Position zugeordneten Stromnetzes; des Einstellens einer Belichtungszeit der Kamera in Abhängigkeit der bestimmten Netzfrequenz; und des Erfassens des Bilds.
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Es wurde erkannt, dass Stromnetze üblicherweise relativ unveränderliche territoriale Ausdehnungen aufweisen und dass die Netzfrequenz innerhalb eines Stromnetzes üblicherweise konstant ist. Dieser Zusammenhang kann ausgenutzt werden, um anhand der geografischen Position der Kamera zu bestimmen, welche Netzfrequenz ein umgebendes Stromnetz aufweist. So kann eine einfache und effektive dynamische Anpassung der Kamera an die lokal geltende Netzfrequenz realisiert werden. Ein durch die Kamera erfasstes Bild kann verbessert frei von Banding sein.
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Die Belichtungszeit wird bevorzugt auf die halbe Periodendauer der bestimmten Netzfrequenz oder ein ganzzahliges Vielfaches der halben Periodendauer eingestellt werden. Eine am Wechselstrom des Stromnetzes betriebene Lichtquelle, etwa eine Leuchtstoffröhre, kann sowohl bei einer positiven als auch bei einer negativen Halbwelle des Netzstroms leuchten und dazwischen kurz dunkel sein. Die Lichtquelle kann daher mit der doppelten Netzfrequenz flackern, also beispielsweise mit 100 Hz, wenn sie mit Wechselstrom von 50 Hz betrieben wird. Beträgt die Belichtungszeit eine halbe Periodendauer, so kann eine integrierte Helligkeit der Lichtquelle in der Belichtungszeit stets konstant sein, unabhängig davon, zu welchem Zeitpunkt die Belichtung bezüglich der Netzfrequenz begonnen wird. Durch Verlängern der Belichtungszeit um Einheiten einer halben Periodendauer der Netzfrequenz kann die integrierte Helligkeit weiter konstant gehalten werden.
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Anders ausgedrückt kann die Belichtungszeit auf T = N / (2 * F) gesetzt werden, wobei T die Belichtungszeit, N eine natürliche Zahl und F die bestimmte Netzfrequenz ist. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz kann die Belichtungszeit also beispielsweise auf 1/100 s, 2/100 s, 3/100 s etc. gesetzt werden. Beträgt die Netzfrequenz 60 Hz kann die Belichtungszeit auf 1/120 s, 2/120 s, 3/120 s etc. gesetzt werden.
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Die Kamera ist bevorzugt zur automatischen Erfassung oder Überwachung eingerichtet. Ist sie an Bord eines Fahrzeugs angebracht, so kann die geografische Position des Fahrzeugs bestimmt werden, die üblicherweise mit ausreichender Genauigkeit der Position der Kamera entspricht. Die Kamera kann beispielsweise zur Aufzeichnung eines Bilds für ein Verarbeitungssystem an Bord des Fahrzeugs eingerichtet sein. Das Verarbeitungssystem kann zur Darstellung des Bilds an Bord des Fahrzeugs eingerichtet sein und beispielsweise ein kamerabasiertes Rückspiegelsystem umfassen. Das Verarbeitungssystem kann auch zur Steuerung des Fahrzeugs eingesetzt sein und beispielsweise einen Assistenten zur Einhaltung einer Fahrspur umfassen.
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Die Kamera ist weiter bevorzugt dazu eingerichtet, ein Umfeld des Fahrzeugs abzutasten. Das Umfeld kann von einer Lichtquelle beleuchtet werden, die aus einem örtlichen Stromnetz betrieben wird. Die Lichtquelle kann beispielsweise eine Straßenbeleuchtung umfassen, die mit Leuchtstoffröhren arbeitet, sodass der bereitgestellte Lichtstrom mit der Netzfrequenz schwankt.
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Die Kamera ist weiter bevorzugt dazu eingerichtet, ein Bild des Umfelds abzutasten, während sich das Fahrzeug gegenüber dem Umfeld bewegt. In diesem Fall kann die Streifenbildung mit einem anderen Effekt überlagert sein, der durch die Relativbewegung zwischen der Kamera und ihrem Motiv herrührt. Ein solcher Effekt ist als Rolling Shutter Effekt bekannt und kann in Verbindung mit dem Banding besonders störend wirken.
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In einer Ausführungsform kann ein Land bestimmt werden, in welchem sich die Kamera befindet, wobei dem Land eine einheitliche Netzfrequenz zugeordnet ist, die der Bestimmung der Verschlusszeit zu Grunde gelegt wird. Anstelle eines Landes kann als geografische Einheit auch eine kleinere oder größere vorbestimmte Region angegeben sein, beispielsweise ein Kontinent oder ein Bundesland. Japan umfasst beispielsweise eine östliche Region mit einer Netzfrequenz von 50 Hz und eine westliche Region mit einer Netzfrequenz von 60 Hz. Anhand der bestimmten Position der Kamera kann bestimmt werden, in welcher Region sie liegt und welche Netzfrequenz für die Bestimmung ihrer Verschlusszeit anzusetzen ist. Diese Vorgehensweise kann auf beliebige geografische Regionen angewendet werden.
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In einer anderen Ausführungsform kann die bestimmte Position mit einem geografischen Verlauf einer Grenze zwischen Stromnetzen mit unterschiedlichen Netzfrequenzen verglichen werden. Eine bestimmte Netzfrequenz, auf deren Basis die Verschlusszeit bestimmt wird, kann angepasst werden, wenn die Grenze überschritten wird. Zum Überwachen einer Position auf Überschreiten einer vorbestimmten Grenze können Methoden des Geofencing verwendet werden. Auf diese Weise kann eine absolute Bestimmung der Netzfrequenz deutlich seltener durchgeführt werden. Zur Ausführung des Verfahrens vorhandene Verarbeitungsressourcen können so weiter entlastet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die bestimmte geografische Position um eine Perspektive der Kamera korrigiert. So kann effektiv die geografische Position eines erfassten Bereichs oder Motivs bestimmt und der Bestimmung der Netzfrequenz zu Grunde gelegt werden. So kann eine weitere Bildverbesserung erzielt werden, wenn sich die Kamera und ihr Motiv in Regionen mit unterschiedlichen Netzfrequenzen befinden.
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Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Erfassungsvorrichtung eine Kamera zur Erfassung eines Bilds; eine Positioniereinrichtung zur Bestimmung einer geografischen Position der Kamera; und eine Verarbeitungseinrichtung, die zur Bestimmung einer Netzfrequenz eines der Position zugeordneten Stromnetzes und zur Einstellung einer Belichtungszeit der Kamera auf ein Vielfaches der bestimmten Netzfrequenz eingerichtet ist.
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Die Verarbeitungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, ein hierin beschriebenes Verfahren ganz oder teilweise auszuführen. Dazu kann die Verarbeitungseinrichtung einen programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller umfassen und das Verfahren kann in Form eines Computerprogrammprodukts mit Programmcodemitteln vorliegen. Das Computerprogrammprodukt kann auch auf einem computerlesbaren Datenträger abgespeichert sein. Merkmale oder Vorteile des Verfahrens können auf die Vorrichtung übertragen werden oder umgekehrt.
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Die Kamera kann einen mechanischen oder optischen Verschluss umfassen, der nach dem Schlitzprinzip (rolling shutter) arbeitet. Diese Art von Verschluss ist besonders anfällig für den Streifeneffekt. Die Kamera kann einen kostengünstigen CMOS Sensor umfassen, der einen elektronischen Verschluss nach dem Rolling Shutter Prinzip aufweisen kann. Derartige Kameras eignen sich besonders zur Bereitstellung von Bildern, die automatisch weiterverarbeitet werden.
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Weiter bevorzugt umfasst die Kamera eine Videokamera. Die Videokamera kann dazu eingerichtet sein, einen Videodatenstrom bereitzustellen, der eine Sequenz von Bildern umfasst, die in einem Umfeld der Kamera erfasst wurde.
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Nach wieder einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Fahrzeug eine hierin beschrieben Erfassungsvorrichtung.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben, in denen:
- 1 ein System;
- 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens; und
- 3 beispielhafte Darstellungen von Bildern einer Kamera mit einem unsynchronisierten und einem synchronisierten Verschluss
illustriert.
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1 zeigt ein System 100 mit einem Fahrzeug 105 in einem Umfeld 110. An Bord des Fahrzeugs 105 ist eine Erfassungsvorrichtung 115 angebracht. Optional umfasst das System 100 ferner eine externe Stelle 120.
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Die Erfassungsvorrichtung 115 umfasst eine Kamera 125, eine Positioniereinrichtung 130 und eine Verarbeitungseinrichtung 135. Optional können eine drahtlose Kommunikationseinrichtung 140 oder ein Datenspeicher 145 vorgesehen sein. Im Umfeld 110 kann sich eine Lichtquelle 150 befinden, die mittels elektrischer Energie eines lokalen Stromnetzes 155 mit einer vorbestimmten Netzfrequenz betrieben wird.
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Die Kamera 125 kann fest oder beweglich am Fahrzeug 105 angebracht sein und ist bevorzugt dazu eingerichtet, einen Abschnitt des Umfelds 110 abzutasten. Erfasste Bilder können in Form von Bildern oder Videobildern oder in Form eines Bilddatenstroms oder Videodatenstroms bereitgestellt werden. Die Kamera 125 umfasst einen mechanischen oder elektronischen Verschluss, der bevorzugt als Schlitzverschluss (rolling shutter) ausgeführt ist. Eine Verschluss- oder Belichtungszeit ist in vorbestimmten Grenzen einstellbar. Die Kamera 125 kann zur Erfassung in einem für Menschen sichtbaren Spektralbereich eingerichtet sein. Optional kann ein langwelligerer (Infrarot) Bereich abgedeckt sein. Die Kamera 125 kann auch eine Tiefenkamera oder eine Stereokamera umfassen.
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Die Positioniereinrichtung 130 ist dazu eingerichtet, eine geografische Position des Fahrzeugs 105 zu bestimmen. Dazu kann die Positioniereinrichtung einen Empfänger für Signale eines globalen, satellitengestützten Navigationssystems (GNSS) wie beispielsweise Galileo, GPS, GLONASS oder BeiDou umfassen. Die Position kann aber auch mittels eines anderen Systems an Bord des Fahrzeugs 105 bestimmt werden, beispielsweise eines Beschleunigungssensors, eines O-dometers oder mittels eines Positionierverfahrens auf der Basis einer berührungslosen Erfassung eines Umfelds (SLAM: Simultaneous Localization And Mapping). Die Erfassung kann mittels einer Kamera, eines Radarsensors, eines LiDAR-Sensors oder eines Ultraschallsensors erfolgen. Aktuelle Fahrzeuge 105 können ihre geografische Position standardmäßig bestimmen und eine bestimmte Position verschiedenen Systemen an Bord bereitstellen.
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Die Verarbeitungseinrichtung 135 ist dazu eingerichtet, zu einer bestimmten geografischen Position des Fahrzeugs 105 eine Netzfrequenz eines umgebenden elektrischen Stromnetzes 155 zu bestimmen. Dazu kann bestimmt werden, in welcher einer Anzahl vorbestimmter Regionen sich das Fahrzeug 105 befindet, wobei jeder Region eine Netzfrequenz zugeordnet ist. Die Zuordnung kann im Datenspeicher 145 lokal hinterlegt sein. Alternativ kann die Zuordnung beziehungsweise eine an der bestimmten Position geltende Netzfrequenz mittels der Kommunikationseinrichtung 140 von der externen Stelle 120 erfragt werden. In einer anderen Ausführungsform sind Grenzen zwischen den vorbestimmten Regionen an Bord des Fahrzeugs 105 hinterlegt und die bestimmte Position kann laufend mit den Grenzen verglichen werden, um einen Übertritt zu bestimmen. Eine bestimmte, lokal geltende Netzfrequenz kann erst in diesem Fall bezüglich lokaler oder externer Daten aktualisiert werden.
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Die Verarbeitungseinrichtung 135 ist weiter bevorzugt dazu eingerichtet, eine Verschluss- oder Belichtungszeit der Kamera 125 in Abhängigkeit der bestimmten Netzfrequenz zu bestimmen. Die Belichtungszeit kann insbesondere auf ein Vielfaches einer Periodendauer der bestimmten Netzfrequenz eingestellt werden.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zur Bereitstellung von Bildern mittels einer Kamera 125. Das Verfahren 200 kann insbesondere mittels einer Erfassungsvorrichtung 115 an Bord des Fahrzeugs 105 ausgeführt werden.
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In einem Schritt kann eine geografische Position des Fahrzeugs 105 mittels der Positioniereinrichtung 130 erfasst werden. In einem optionalen Schritt 210 kann eine Perspektive der Kamera 125 erfasst werden, wobei die bestimmte Position in Abhängigkeit der Perspektive so verändert werden kann, dass sie auf ein Objekt bezogen ist, das im Umfeld 110 des Fahrzeugs 105 mittels der Kamera 125 erfasst werden kann.
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In einem Schritt 215 kann ein der bestimmten Position zugeordnetes Stromnetz 155 beziehungsweise eine dem Stromnetz 155 zugeordnete Netzfrequenz bestimmt werden. Dazu kann die Position mit einer vorbestimmten Region verglichen werden, die ein Stromnetze 155 oder mehrerer territorial zusammenhängende Stromnetze 155 mit gleichen Netzfrequenzen umfasst.
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In einer weiteren Ausführungsform sind Regionen vorbestimmt, in denen die gleiche Netzfrequenz herrscht, wobei die Regionen einer beliebigen Aufteilung folgen können. Beispielsweise können die Regionen nach Regierungsbezirken oder Verkehrswegen gebildet sein.
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In noch einer weiteren Ausführungsform ist eine Grenze zwischen Stromnetzen 155 mit verschiedenen Netzfrequenzen bekannt. Die bestimmte Position kann mit der Grenze verglichen werden. Wird ein Übertritt der Grenze festgestellt, so kann die bestimmte, lokal geltende Netzfrequenz angepasst werden.
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In einem Schritt 225 kann die Belichtungszeit der Kamera 125 in Abhängigkeit der bestimmten Netzfrequenz gesteuert werden. Bevorzugt wird die Belichtungszeit auf die Periodendauer der Netzfrequenz gesetzt. Beträgt die Netzfrequenz beispielsweise 60 Hz, so beträgt die Periodendauer 1/60 Sekunde. Eine Belichtungszeit von 1/120 Sekunde kann dann verwendet werden, um eine Bildung von Streifen auf einem erfassten Bild verhindern. Eine leichte Ungenauigkeit kann toleriert werden, sodass auch eine Belichtungszeit von 1/125 Sekunde eine Bildung von Streifen auf einem abgetasteten Bild wirksam verhindern kann. Die Belichtungszeit kann auch auf ein ganzzahliges Vielfaches der halben Periodendauer gesetzt werden, in obigem Beispiel etwa auf 2/120 = 1/60 Sekunde. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz wäre entsprechend eine Belichtungszeit von ca. 1/100 Sekunde oder einem Vielfachen davon anzustreben. Nach dem Setzen der Belichtungszeit kann mittels der Kamera 125 ein Bild erfasst werden.
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3 zeigt beispielhafte Darstellungen von Bildern einer Kamera 125. In einem oberen Abschnitt ist ein erstes Bild 305 dargestellt, das mit einem unsynchronisierten Verschluss erfasst wurde, und in einem unteren Abschnitt ein zweites Bild 310, das mit einem synchronisierten Verschluss erfasst wurde. In beiden Fällen umfasst ein beispielhaftes Objekt 315 auf dem Bild ein Fahrzeug.
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Ein Verschluss der Kamera 125 ist schlitzförmig und läuft in vertikaler Richtung. Äquivalent dazu ist ein elektronischer Verschluss, der in vertikaler Richtung läuft. In horizontaler Richtung versetzte Bildinhalte können zu gleichen Zeitpunkten und in vertikaler Richtung versetzte Inhalte zu verschiedenen Zeitpunkten erfasst werden.
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Die Lichtquelle 150 bewirkt einen Lichtstrom, der mit der Periodendauer der Netzfrequenz des Stromnetzes 155 schwankt. Üblicherweise ist die Frequenz, mit welcher der Lichtstrom variiert, doppelt so groß wie die Netzfrequenz, weil die Lichtquelle 150 bei einer positiven und bei einer negativen Halbwelle des elektrischen Stroms gleich hell leuchtet, und dazwischen kurz dunkel wird. Bildinhalte, die um ¼ der Periodendauer des elektrischen Stroms versetzt erfasst werden, können daher maximal unterschiedlich stark beleuchtet sein. Beträgt die Belichtungszeit wenigstens eine Periodendauer, so kann jeder Bildinhalt über eine gesamte Periode beleuchtet werden, während das Bild entsteht. In der Summe können so alle Bildbereiche gleich stark beleuchtet erscheinen.
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Im ersten Bild 305 ist dies nicht der Fall, und das gesamte Bild 305 erscheint in unterschiedlich hellen horizontalen Bereichen. Die Erkennung des Objekts 315 kann dadurch gestört sein. Im zweiten Bild 305 ist die Belichtungszeit auf ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer der Netzfrequenz des Stromnetzes 155 synchronisiert, sodass einheitliche Helligkeit herrscht. Das zweite Bild 310 kann besser verarbeitet werden und das enthaltene Objekt 315 kann besser erkannt werden.
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Bezugszeichen
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- 100
- System
- 105
- Fahrzeug
- 110
- Umfeld
- 115
- Erfassungsvorrichtung
- 120
- externe Stelle
- 125
- Kamera
- 130
- Positioniereinrichtung
- 135
- Verarbeitungseinrichtung
- 140
- Kommunikationseinrichtung
- 145
- Datenspeicher
- 150
- Lichtquelle
- 155
- Stromnetz
- 200
- Verfahren
- 205
- Position erfassen
- 210
- Perspektive erfassen
- 215
- zugeordnetes Stromnetz bestimmen
- 220
- Netzfrequenz bestimmen
- 225
- Verschlusszeit auf Vielfaches der Netzfrequenz einstellen
- 305
- erstes Bild
- 310
- zweites Bild
- 315
- Objekt
