HV/1.1.2003
Suurnopeuskuvauksen historiaa
Tekniikan keksinnöt ovat useimmiten yhteenvetoja aivan muissa tarkoituksissa kehitetyistä menetelmistä ja materiaaleista. On tavallista, että sama asia keksitään useassa paikassa lähes samanaikaisesti, kun tarve ja teknologia kohtaavat; keksintö löytää keksijänsä eikä päinvastoin. Suurnopeuskuvausta ei kukaan ole keksinyt, vaan se on kolmen paljon suurnopeuskuvausta merkittävämmän tuotekehityskaaren sivutuote.
'Suurnopeuskuvaus' voi merkitä kahta kuvaustapaa: toisaalta tarkoitetaan välähdyksenomaisesti otettuja yksittäisiä kuvia ajan seisauttamiseksi ja toisaalta lyhyin aikavälein otettuja perättäisiä kuvia tietyn tapahtumakulun taltioimiseksi. Yksittäisten kuvien ottamiseksi voidaan kohde valaista hyvinkin eksoottisin, lyhyen välähdyksen antavin valolähtein, kunhan uutta välähdystä ei vähään aikaan tarvita. Perättäisten kuvien tekniikka keskittyy otosten nopeaan tallentamiseen ja lyhyisiin suljinaikoihin. Suurnopeuskuvauksella tarkoitetaan tässä kirjoituksessa kokonaisten tapahtumien kuvaamista nopeiden perättäisten kuvien avulla. Suurnopeuskuvaus on kuvausta, jonka nopeus ylittää tavanomaiset kuvausnopeudet. Jo 70 kuvaa/s on tässä mielessä suurnopeuskuvausta. Citius Imagingin kameralla päästään 8.600 kuvaan sekunnissa.
Suurnopeuskuvauksia on tehty noin sadan vuoden ajan. Tekniikka on perustunut kolmeen periaatteeseen: alkuaikojen tekniikka oli kemiallinen (=filmi), sitten 1970-luvulla alan valtasivat magneettinauhoihin perustuvat tallentimet ja kolmas, nyt vallitseva tekniikka on puolijohteisiin perustuva. Filmille on ominaista, että kuvan muodostus ja tallennus ovat erottamattomat, valo vaikuttaa suoraan tallentavaan välineeseen. Muissa tekniikoissa kuvanmuodostus ja -tallennus ovat erillisiä tapahtumia. Kuva muodostetaan jossain paikassa jollain välineellä ja se siirretään talletettavaksi toiseen paikkaan ja toiselle välineelle.
Filmi- ja magneettitallennuksen kehittämisen päämääränä oli kuvan ja erityisesti liikkuvan kuvan taltiointi. Kun päämäärä oli nopeuden osalta riittävän hyvin saavutettu, poistuivat kehityspaineet nopeuden osalta eikä tekniikkaa enää juuri nopeammaksi kehitetty ja siksi suurnopeuskuvaus pysyi eksoottisena lajina. Puolijohdetekniikan kehittämisen päämääränä ei ole ollut kuva, joten siihen perustuvilla tekniikoilla ei ole myöskään tiettyä päämäärää, jonka saavuttamisen jälkeen ei mitään merkittävää tapahtuisi. Niinpä voidaan olettaa, että kuvausnopeudet ja kuvien tarkkuus tulevat nousemaan samaan tahtiin kuin puolijohdetekniikka kehittyy.
Filmikuvauksen historiaa
1800-luvun alussa tutkittiin, millä ehdoilla ihminen hahmottaa liikettä kuvaavan kuvasarjan jatkuvana liikkeenä. Kun ihmiselle näytetään nopeasti peräkkäin piirroskuvia, jotka vain vähän poikkeavat toisistaan, silmät ja aivot tajuavat liikkeen jatkuvana eivätkä enää sarjana erillisiä kuvia. Tähän liikkeen jatkuvuuden illuusioon perustuvat kaikki elävän kuvan tallennustavat. Havaittiin, että 12-16 kuvaa sekunnissa saa aikaan jatkuvan liikkeen illuusion.
Ranskalainen Daguerre yhdisteli 1830-luvulla omia ja muiden keksintöjä ja sai aikaan toimivan valokuvausmenetelmän. Näihin aikoihin keksittiin suljin, jolla voitiin tehdä lyhyitä valotuksia. Ensimmäinen dokumentoitu "suurnopeuskuvaus" (tosin vain yksittäinen kuva) lienee englantilaisen W.H.F. Talbotin vuonna 1851 ottama kuva pyörivään pyörään kiinnitetystä sanomalehdestä, jota ei liikkeen takia pystynyt lukemaan. Talbot otti kuvan pimeässä huoneessa ja valaisi kohteensa sähkökipinällä. Välähdyksen pituudeksi on arvioitu noin 0,5 millisekuntia ja se oli riittävän lyhyt aika jäädyttämään liikkeen luettavaksi kuvaksi.
Valokuvauksen alkuaikoina kuvat valotettiin valoherkällä materiaalilla päällystetylle lasilevylle. Arvioitu herkkyys oli noin ASA 4 ja optiikan valovoima vastasi f/32-tasoa. Valokuvausta tuntevat huomaavat, että joko valoa on tarvittu tuhdisti tai sitten valotusajan on täytynyt olla pitkä.
Sekä fotokemia että objektiivit kehittyivät ripeästi, valokuvaus arkipäiväistyi ja valokuvaajien ammattikunta sai alkunsa. Valokuvaaja Eadweard (ei siis Edward) Muybridgeä pyydettiin vuonna 1872 Kaliforniaan ratkomaan vedonlyöntiä siitä, ovatko laukkaavan hevosen kaikki jalat hetkittäin yhtaikaa ilmassa vai ei. Vedonlyönnin toisena osapuolena oli Kalifornian kuvernööri Stanford. Kalifornialla, sen kuvernöörillä ja elokuvalla on todella pitkä yhteys! Monien epäonnistumisten jälkeen Muybridge loi järjestelyn, jossa oli useita kameroita ja jotka laukesivat vuorollaan, kun ohilaukkaava hevonen osui sopivin välein viritettyihin lankoihin. Kameroita oli enimmillään 30 ja ne ottivat stereoskooppisia kuvia. Hevonen oli valkoinen ja juoksi mustaa taustaa vasten, sen jalat olivat yhtaikaakin ilmassa. (Elokuvateollisuus asettautui sittemmin Los Angelesiin Kaliforniaan paljolti suotuisten valo- ja ilmasto-olosuhteiden takia).
Muybridgen otokset olivat valokuvia, eivät elokuvaa. Valokuvaus ei vielä tässä vaiheessa voinut muuttua elokuvaukseksi, sillä lasilevyihin perustuva tekniikka mahdollisti vain hyvin lyhyet otokset ja nekin melko hitaasti otettuina. Lisäksi tarvittiin riittävän nopea suljin, joka piti synkronoida valoherkän materiaalin liikkeeseen.
Lasilevyt valoherkän materiaalin kantajana korvattiin nitroselluloosanauhalla, filmillä, jota oli tuotettu jo 1850-luvulta alkaen. Vuonna 1874 ranskalainen Janssen konstruoi kohtalaisen hyvin toimivan suljin- ja filminliikutusjärjestelmän. Eväät elokuvauksen onnistumiselle olivat kasassa: oli tallennusväline, optiikka kuvan muodostamiseksi, suljin ja tapa siirtää tallennusvälinettä uutta kuvaa varten. Tässä vaiheessa tietysti mikä hyvänsä elokuvaus olisi ollut suurnopeuskuvausta: olisihan sen avulla pystynyt tutkimaan ihmissilmälle liian nopeita tapahtumia hidastettuna ja kuvausnopeus olisi ylittänyt tuolloin tavanomaisen kuvausnopeuden. Kun tarvittava tekniikka oli olemassa, ranskalainen Marey pystyi 1888 ottamaan 12 kuvaa sekunnissa, mikä juuri ja juuri riitti jatkuvan kuvan illuusioon.
Selluloidifilmin ansiosta kelalle käärityn filmin pituus oli ainakin periaatteessa ainoa seikka, joka rajoitti otosten pituuden. Pitkän filmin siirtäminen kuvasta toiseen oli kuitenkin vaikeaa: filmin oli liikuttava täsmälleen yhtä pitkä matka kuvasta toiseen sekä kuvattaessa että toistettaessa. Tämän tapaisten käytännön mekaanisten ongelmien ratkaisemisessa oli Thomas Alva Edison apulaisineen mestari. Edisonin apulainen Dickson kehitti filmin reunaan rei'ityksen, perforoinnin, josta filmiä voitiin siirtää rattaiden avulla. (Suurnopeusfilmikameroissa perforointi oli yleensä kummallakin sivulla, jotta filmi kestäisi filminsiirron kiihtyvyydet). Kun lisäksi Eastman kehitti paremman filmimateriaalin, oli elokuva teknisesti jo lähes riittävän kehittynyt laajaan käyttöön. Eastman tunnetaan vielä nytkin Eastman-Kodak-nimen myötä, joskin tunnetumpi saman sukuhaaran Eastman lienee Paul McCartneyn edesmennyt vaimo Linda. Edison sai aikaan toimivan elokuvausjärjestelmän vuonna 1894. Edisonin elokuvat kuvattiin yhdellä laitteella (Cinetograf) ja katsottiin erillisellä katselulaitteella (Cinetoscope) eikä filmiä projisoitu valkokankaalle.
Ranskalaiset Lumieren veljekset patentoivat 1895 koneen, joka teki elokuvan laajalti tunnetuksi. Heidän Cinematograf-laitteensa pystyi paitsi kuvaamaan, myös projisoimaan kuvan valkokankaalle, mikä mahdollisti elokuvien esittämisen laajalle yleisölle. Lumierien keksintöä on luonnehdittu 1800-luvun viimeiseksi suureksi keksinnöksi, vaikka kyse on pitkän kehityksen eräästä virstanpylväästä.
Tästä eteenpäin elokuvaus kehittyi lähinnä teknisesti, suuret periaatteet olivat valmiina. Vasta värin ja äänen mukaan tuloa voi pitää merkittävinä kehitysaskelina, joskaan suurnopeuskuvauksen kannalta niillä ei juuri merkitystä ollut. Suurnopeuskuvaus hyötyi herkemmistä filmeistä ja paremmista linsseistä samalla kuin elokuvauskin ja kuten niin tavallista, etenkin sotilaallisten sovellutusten tutkiminen edisti alaa (lentokoneet, räjähdykset..).
Hiukan myöhemmin toisaalla....
...kehitettiin tekniikoita, jotka johtivat sähkömagneettiseen kuvanmuodostus- ja tallennustekniikkaan.
Videonauhuriin perustuvan kuvauksen kehittäminen
Paul Nipkow kehitti 1884 periaatteen, jonka avulla kahden toisiinsa tahdistetun spiraalimaisesti rei'itetyn pyörivän kiekon, valoherkän kennon ja sähkövirralla ohjattava optisen järjestelmän avulla voitiin muodostaa sähköinen jatkuva kuva ja siirtää se toisaalle. Kuvan toistojärjestelmä oli varsin erikoinen polarisaattoreineen ja peileineen. Sekä kuvaus- että katselupaikalla piti olla moottorin pyörittämä kiekko ja kiekkojen piti pyöriä toisiinsa synkronoituina.
Saksalainen Braun sai 1897 kehitetyksi katodisädeputken, joka toimi samalla periaatteella kuin nykyiset kuvaputket. Fyysikoille oli suuri askel kyetä luomaan elektronivirta ja kontrolloimaan sen kulkua ja voimakkuutta. Seuraavana vuonna esiteltiin magneettisen signaalitallennuksen periaate (Poulson). Palikoita videonauhurin rakentamiseksi alkoi kertyä.
Kesti yli parikymmentä vuotta, ennenkuin seuraava isompi askel oli otettu. Vuonna 1923 Zworykin sai patentin keksimälleen Ikonoskoopille, joka on valoherkkä katodisädeputki. Sillä voitiin muodostaa kuva sähköisesti ilman liikkuvia osia ja jo aiemmin kehitetyllä Braunin putkella voitiin kuvaa katsoa. Englannissa tehtiin kokeita Nipkowin kiekkoon perustuvalla mekaanisella TV:llä, mutta käytännön syistä elektroninen kuvanmuodostus ja kuvaputki syrjäyttivät nämä Bairdin kokeilut nopeasti. Televisio oli teknisesti valmis levitykseen. Televisio-ohjelmien tallentaminen oli kuitenkin mahdotonta tai se perustui elokuvaamiseen.
Poulsonin julkaiseman periaatteen mukaisesti toimiva magneettisuuteen perustuva laite oli kykenevä äänen tallettamiseen rautalangalle. Laatu oli kuitenkin hyvin huono eikä kuvien tallentamiseen silloisella tekniikalla ollut mitään edellytyksiä. Kuva vaatii monikymmen- tai satakertaisesti enemmän toistotaajuutta ääneen verrattuna ja kun äänikin saatiin juuri ja juuri ymmärrettävästi toistetuksi, oli kuvan tallentaminen toivotonta. Äänen tallentamiseksi oli muitakin, parempia tekniikoita (vahasylinterit, äänilevyt), mutta nekään eivät kuvan tallentamiseksi kehittyneet riittävästi, sillä ne perustuivat mekaaniseen värähtelyyn eikä tallennusvälinettä voinut käyttää uudelleen.
Saksassa oli 1930-luvulla hyvin vahva kemian ja sähkötekniikan teollisuus ja ne ottivat johtoaseman magneettinauhurin kehittämisessä. Fritz Pfleumer patentoi 1928 ajatuksen magneettisen jauheen ja muovikalvon yhdistämiseksi. Jatkokehittelyn tuloksena BASF ja Telefunken saivat valmiiksi Magnetofonin, joka demottiin Berliinin radionäyttelyssä 1935. Jo seuraavana vuonna nauhuria käytettiin konserttien taltiointiin ja toistamiseen ja laitteen nimikin muuttui yleisnimitykseksi.
Äänenlaadussa ei vielä ollut kehumista, mutta 1941 teknisen vahingon kautta (värähtelevä vahvistin) oivallettiin tapa parantaa äänen laatua magneettisen suurtaajuusbiasoinnin avulla. Saksassa alettiin käyttää magnetofoneja normaalissa radiotyössä.
Sodan päätyttyä magnetofonin tekniset salaisuudet kulkeutuivat Yhdysvaltoihin, jossa nauhureiden tekniikkaa parannettiin edelleen. Sodan ja sitä seuranneiden vuosien aikana radioviihteen kysyntä kasvoi Yhdysvalloissa valtavasti. Tiettyjä radio-ohjelmia haluttiin lähettää valtakunnanlaajuisesti, mutta aikavyöhykkeiden takia paras lähetysaika ei ollutkaan kaikkialla samalla hetkellä, joten suora lähetys ei ollut oikea tapa ohjelman levittämiseen. Oli tarve saada ohjelma talteen ja lähettää se eri paikoissa eri aikaan.
Bing Crosby oli bisnestietoinen viihdetaiteilija ja hänen yrityksensä tukemana saatiin aikaan riittävän laadukas nauhurimalli, joiden avulla Crosbyn radioshow saatiin 1947 alkaen levitetyksi halutulla tavalla. Nauhuri mahdollisti myös ohjelmien editoimisen, mikä äänilevytekniikalla ei käytännössä onnistunut. Kehitystyössä oli mukana Ampex-niminen yhtiö.
Kun televisio yleistyi, tuli tarve saada myös TV-ohjelmat nauhalle. Kun jo varsin pitkälle kehitettyä ääninauhuria alettiin kehittää kuvanauhuriksi, saatiin aikaan hyvinkin merkillisiä luomuksia. Tuolloisella tekniikalla kyettiin nauhoittamaan ääntä melko hyvälaatuisena, jos nauhan nopeus oli luokkaa 10-20 cm/s. Kun kerran kuvan nauhoittaminen vaatii moninkertaisen nauhanopeuden, nostettiin nauhanopeutta moninkertaisesti. Nauhaa levennettiin ja nauhuriin laitettiin useita äänipäitä, nauhaa ajettiin kovalla vauhdilla päästä päähän ja aina suuntaa vaihdettaessa vaihdettiin äänipäätä, niin saatiin uusi taltiointi nauhan toiseen kohtaan. Bing Crosby Enterprises esitteli vuonna 1951 kuvanauhurin, jossa oli 12 äänipäätä ja nauhanopeus 2,5 m/s (100 ips). RCA sai 1953 valmiiksi kolmiäänipäisen nauhurin, jonka nauhanopeus oli peräti 9 m/s. Oli selvää, että tämä ei ollut oikea tie edetä.
Jo aiemmin mukana ollut Ampex sai 1956 demokuntoon kuvanauhurin, joka perusratkaisultaan oli samanlainen kuin nyt kodeissa olevat nauhurit. Ampexin konekin tarvitsi nopeasti nauhan suhteen liikkuvan äänipään, samojen fysiikan lakien alainen Ampex oli kuin muutkin. Ampexin koneessa leveä nauha kulki hitaasti, mutta äänipää oli kiinnitetty vinhasti pyörivään rumpuun, joka oli vinossa nauhaan nähden. Pyörivä äänipää pyyhki hitaasti liikkuvaa nauhaa viistosti ja seuraava pyyhkäisy saattoi nauhan kulkusuunnassa olla varsin lähellä edellistä pyyhkäisyä. Pyörivän äänipään ja nauhan välinen nopeus oli suuri, vaikka nauhan nopeus olikin suhteellisen alhainen. Pyörivää äänipäätä alettiin nimittää kuvapääksi. Kun kurkistaa kasettiluukusta kuvanauhuriin sisälle, näkee halkaisijaltaan noin viisisenttisen, vinossa olevan kirkkaan kuvarummun. Rumpu on Ampexin koneen jälkeläinen, joka on tehty valtavan paljon paremmista materiaaleista, valtavan paljon tarkemmin, nopeammin ja halvemmalla. Ampexin nauhan leveys oli 5 cm ja nauhan nopeus 38 cm/s.
Videonauhureiden kuvausnopeutta ei kehitetty edelleen. TV-käytössä on paitsi riittävää, myös ehdottoman välttämätöntä, että nopeus täyttää tarkoin TV-normien vaatimukset. Niinpä nauhatekniikkaan pohjautuvia suurnopeuskameroita ei tullut markkinoille vielä moneen vuoteen.
Tässä vaiheessa merkittävät magneettisen tallennuksen ideat oli keksitty ja toteutettukin. Mekaniikan, elektroniikan ja tallennusmateriaalien kehittyminen paransi nauhureita huimasti vuosikymmenien myötä. Vasta digitaalinen videotekniikka nousi 1990-luvulla nauhatekniikan vakavaksi haastajaksi.
Samana vuonna kuin Ampex julkisti viistopyyhkäisynauhurinsa, julkisti IBM ensimmäisen tietokoneisiin tarkoitetun levymuistinsa. Varmaankaan IBM:llä ei ajateltu, että heidän magneettiseen tallennukseen perustuvaa keksintöään käytettäisiin videokuvien tallentamiseen ja että se joskus syrjäyttäisi Ampexin kehittämän tekniikan kuvantallennussovellutuksissa.
Puolijohde- ja tietokonetekniikan kehitys
Kuvien tallettaminen ja käsittely on informaation käsittelyä, vaikka se onkin kovin erilaista tietoa kuin vaikkapa palkkatiedot. Jos informaatio voidaan muuntaa numeeriseen muotoon, sitä voidaan käsitellä tietokoneella. Nykyisten tietokoneiden voima on monipuolisuudessa, mikä perustuu niiden vaihdettavaan ohjelmaan; sama kone voi käsitellä palkkatietoja ja samalla käsitellä kuvaa, vaikka niissä ei mikään muutu. Perinteinen laskukone tekee vain sitä, mihin se jo tehtaalla on opetettu. Laskukone tosin tekee työnsä luotettavasti eikä kaatuile.
Koneellistetun laskennan katsotaan alkaneen helmitaulusta (Abacus), joita käytettiin Vähä-Aasiassa jo tuhansia vuosia sitten. 1642 ranskalaisen verovoudin 18-vuotias poika, Blaise Pascal, kehitti Pascaline-nimisen mekaanisen laskukoneen veronkannon avuksi. Kone osasi vain yhteenlaskua, veronpalautuksia ei ilmeisesti tuolloin vielä tunnettu. Saksalainen von Leibnitz kehitteli Pascalinea niin, että laite hallitsi myös kertolaskun. Kesti toista sataa vuotta ennenkuin mekaaniset laskukoneet tulivat edes joltisenkin yleiseen käyttöön. Ranskalainen Thomas de Colmar kehitti edeltäjiensä laitteita niin, että ne kykenivät myös vähennys-, kerto- ja jakolaskuun. Maailma oli tähänkin asti pärjännyt melko vähällä laskemisella, joten mitään valtaisaa kysyntää ei laskutyötä vähentävällä koneella ollut. Valmistamiseen tarvittava teknologia oli aika vaativaa verrattuna tuolloisiin mahdollisuuksiin valmistaa mitään tarkasti. Esim. ruuvit ja mutterit olivat yksilöitä eikä ollut mitään takeita siitä, että samanlaiseksi tarkoitetut ruuvit sopisivat samaan mutteriin.
Nämä laitteet olivat vain yhtä tehtävää toteuttavia laskukoneita. Ensimmäinen ohjelman mukaisesti toimintaansa muuttava laite oli peräisin ranskalaiselta Joseph-Marie Jacquardilta, jonka kehitelmät liittyivät kankaiden kudontaan: rei'itettyjen pahvikorttien avulla saatiin kone tekemään tiettyjä toimintoja ja näin saatiin kankaisiin tiettyjä kuvioita. Kuviot voitiin muuttaa korttien rei'itiystä muuttamalla. Jacquardin reikäkorttiohjattu kudontakone tuli valmiiksi vuonna 1820 ja sen tekniikka tuli laajalti käyttöön, olihan kankailla oli paljon enemmän kysyntää kuin laskukoneilla. Viihdekäyttöäkin Jacquardin keksinnöllä oli, sillä posetiivi toimii Jacquardin periaatteella.
Kankaan teollinen valmistaminen oli numeroiksi muutettua loogisesti koodattavaa toimintaa ja siinä mielessä tietokoneistetun suurnopeuskuvauksen kanssa samaa juurta. Vastaavasti voidaan ajatella, että luolamiehen nuotiossa havaitsema tinapisara olisi ollut 1000-kuutioisen Hondan kaukainen edeltäjä! Väliin mahtuu tosin paljon eri alojen kehitystä ja joitakin teknologisia vallankumouksia. Luolamies ei voinut keksiä 1000-kuutioista Hondaa, ei edes 50-kuutioista, vaikka tarvetta ehkä olisi ollut. Teknologia ei ollut riittävän laajalla rintamalla olemassa.
Seuraava tunnetumpi askel kohti modernia tietokonetta otettiin, kun englantilainen Charles Babbage tuskaantui tähtitieteilijöiden taulukoissa oleviin runsaisiin laskuvirheisiin. Taulukoiden tekemiseen tarvittiin valtaisasti rutiininomaista laskentaa. Babbage totesi työn sopivan paremmin koneelle kuin ihmiselle. Väitetään, että Babbagen suusta olisi lausuma: "Voi, kun nämä laskelmat voitaisiin tehdä höyryn voimalla!". Babbagen johdolla valmistettiin joitakin enemmän tai vähemmän toimivia mekaanisia, todellakin höyrykäyttöisiä laitteita, joilla laskutöitä voitiin helpottaa. Vaikka Babbagen laitteet olivat melkoisia mekaanisia hirviöitä ja tuskin kovin luotettaviakaan, niissä oli modernin tietokonearkkitehtuurin oleellisia piirteitä, kuten erillinen ohjelma- ja datamuisti (=signaaliprosessoreissa hallitseva Harvard-arkkitehtuuri), käskyperustainen ja haarautumiskykyinen suoritin ja vieläpä I/O-laitteistokin. Eikä Babbagen tarvinnut kantaa huolta ainakaan koneensa virusongelmista. Babbagen projektin jälki näkyy myös ADA-ohjelmointikielen nimessä. Babbagen koneen ohjelmointityöstä ja ohjelmoinnin kehittämisestä vastasi suurelta osin kreivitär Augusta Ada King (1815-1842), jota voidaan pitää maailman ensimmäisenä ohjelmoijana. Aiemmin mainittu Pascalkin on saanut oman tietokonekielensä.
Babbagen ja Ada Kingin työ ei johtanut läpimurtoon sovellutusten tasolla. Höyrytietokoneen valmistusteknologiassa oli vielä paljon toivomisen varaa. Teollinen vallankumous oli kuitenkin jo liikkeellä. Tietotekniikan ripeä kehitys käynnistyi, kun tekniikka ja ennen kaikkea tarve yhdistyivät 1880-luvun loppupuolella.
Yhdysvaltain väkiluku kasvoi nopeasti ja viranomaisilla oli tarve kerätä, käsitellä ja tallentaa väestötietoja. Kerättyjen tietojen käsittelyyn saattoi kulua kymmenenkin vuotta ja siinä ajassa tuli jo tarve tehdä seuraava väestönlaskenta. Käsitellyt tiedot olivat vanhentuneita jo valmistuessaan.
Hollerith sovelsi Jacquardin kutomakoneen pahvikortti-ideaa tietojen käsittelyyn ja tallennukseen. Hänen kehittämänsä reikäkorttitekniikka ja jopa -formaatti olivat lähes sellaisenaan käytössä vielä 1980-luvulla. Korteille talletettiin tiedot puhkaisemalla korttiin reikiä. Yksittäisen reiän paikka kertoi, mitä numeroa tarkoitettiin ja jos reikiä olikin yhden asemesta useita, tarkoitettiin kirjainta (Hollerith-koodi). Hollerithin reikäkortille voitiin tallettaa 80 muuttujaa. 1880-luvun väestölaskennan tietojenkäsittelyyn kului kymmenen vuoden sijasta vain kuusi viikkoa. Väestölaskennan tarvitsema tietojenkäsittely oli paljolti tietojen lajittelemista ja seulontaa. Tällaiselle oli jo 1800-luvun lopulla paljon tarvetta. Hollerith kaupallisti keksintönsä ja perusti 1896 Tabulating Machine Companyn. TMC-yhtiö yhdistyi sittemmin muihin yhtiöihin ja muutti 1924 nimekseen International Business Machines (IBM).
Nykyisten tietokoneiden toiminta on binääristä: sähkö joko kulkee tai ei kulje, levyn muistipaikka joko on magnetoitu tai ei ole, CD-levyn pinnan talletuspaikka heijastaa tai ei heijasta valoa. Sähköisesti on paljon helpompaa tehdä koneisto, jonka tarvitsee tunnistaa vain kaksi tilaa, kuin koneisto, joka tunnistaisi vaikkapa 10 eri tilaa. Binäärimatematiikan ja -logiikan tunnetuin kehittäjä oli George Boole, joka teki työnsä samoihin aikoihin kuin Babbage konstruoi omaa höyrykäyttöistä laitettaan. Binäärimatematiikka mahdollisti releiden ja myöhemmin elektroniputkien ja puolijohteiden käytön tietojenkäsittelyyn helposti monistettavalla tavalla.
Sähköisesti ja sittemmin elektronisesti toimivia tietojenkäsittelylaitteita alettiin kehittää eri puolilla ja kehitysaskeleet tihentyivät. Tietojenkäsittely ei vielä pitkään aikaan ollut kiinnostunut kuvista. Tietokoneiden kehityksessä on nyt erään ajattelutavan mukaan menossa 4. tai 5. sukupolvi. Kukin sukupolvi pitää melko mitättömiksikin osoittautuneita keksintöjä mullistavina ja uuden sukupolven alkuhetkinä, joten on vaikea sanoa, onko sukupolvi jo vaihtunut. Suurnopeuskuvauksen kannalta tärkeä aika alkaa vasta noin 3. sukupolven tietämillä, mutta tarkastellaan kuitenkin hiukan aiempiakin sukupolvia.
Ensimmäinen tietokonesukupolvi (1945-1956)
Toinen maailmansota kiihdytti tietojenkäsittelyn kehitystä. Salakirjoitusviestien murtaminen ja tykistön ampumataulukoiden laatiminen vaativat paljon laskentaa. Kehitys oli ripeää sotaakäyvissä maissa. Sodan aikana kehitetyistä laitteista tunnetuin oli Harvardin yliopiston ja IBM:n yhteistyönä tehty Mark1. Kone oli sähkömekaaninen, se käytti releitä ja solenoideja mekaanisten liikkeiden ohjaamiseen. Kukin laskutoimitus vei joitakin sekunteja eikä koneen ohjelmaa voinut muuttaa. Kone oli kuitenkin (lähes) erehtymätön ja (lähes) väsymätön. Se oli joitakin kymmeniä metrejä pitkä ja siinä oli lähes 1000 km sähköjohtoja.
Mark1:ä tunnetumpi ja kehittyneempi kone oli ENIAC, joka oli tietojenkäsittelyosaltaan elektroninen (18.000 radioputkea, tehonkulutus 160 kW). ENIACissa oli jo vaihdettava ohjelma ja se oli noin 1000 kertaa nopeampi kuin Mark1. Mark1 oli erään kehityskulun loppu ja ENIAC uuden alku.
Toinen tietokonesukupolvi (1956-1963)
ENIAC oli varsin epäluotettava laite. Radioputki ei ole kovin pitkäikäinen ja jos niitä on 18.000, vaatii kone jatkuvaa huoltoa ja korjausta. Oli kova tarve korvata radioputki jollain luotettavammalla.
Bellin laboratorioissa tutkittiin puolijohteita ja vuonna 1948 saatiin toimimaan ensimmäinen transistori. Transistori ei ollut vahvistimena kovin suorituskykyinen radioputkeen verrattuna, mutta sitä voitiin erinomaisesti käyttää kytkimenä: se saatiin nopeasti ja luotettavasti joko johtamaan sähköä tai olemaan johtamatta. Se sopi erinomaisesti binäärimatemaattiseen tietojenkäsittelyyn. Transistoria ei oikeastaan voi pitää keksintönä perinteisessä mielessä; se oli pitkän, systemaattisen sekä teoreettisen että materiaaliteknisen tutkimuksen lopputulos.
Tietokoneet kehittyivät myös ohjelmointiteknisesti eivätkä vain konstruktioteknisesti. Kun sovellutukset yleistyivät, oli tarvetta saada sama kone tekemään eri asioita. Ohjelmointi oli saatava helpommaksi ja alettiin kehittää ohjelmointikieliä. Myös tietokoneen ympäristöä alettiin kehittää: muistiteknologia, kirjoittimet, syöttölaitteet ym. kehittyivät nopeasti. Siinä, missä ENIAC symboloi 1. sukupolvea, oli IBM:n 1401 toisen sukupolven ikoni. Toisen sukupolven koneet saivat jalansijaa myös kaupallisesti ja joitakin toisen sukupolven aikaisia nimiä saattaa vieläkin nähdä: Burroughs, Control Data, Honeywell, IBM, Sperry-Rand. Toisen sukupolven aikana tietokoneet tulivat jo jonkin verran tunnetuiksi ja tältä ajalta ovat peräisin usein referoidut ja pahasti pieleen menneet ennusteet tietokonetarpeista (pohjoismaissa tarvitaan 1 kone, joka on maiden yhteisessä käytössä....). Kuvankäsittelystä tai digitaalisista suurnopeuskameroista ei paljon puhuttu.
Kolmas tietokonesukupolvi (1964-1971)
Toisen tietokonesukupolven aikana oli suuret periaatekysymykset jo ratkaistu. Jatkokehitys on teknologian ja ohjelmointimenetelmien kehittymistä. Kolmannen sukupolven voi katsoa syntyneen, kun Texas Instrumentsin laboratoriossa alettiin integroida samalla puolijohdepalalle useita transistoreita ja niiden välisiä kytkentöjä. Ensimmäinen mikropiiri valmistui vuonna 1958. Tietokoneiden valmistuskustannukset putosivat dramaattisesti, kun suurin osa osien välisistä kytkennöistä syntyi jo komponenttien valmistusprosessissa. Koneiden nopeus ja luotettavuus kehittyivät huimasti.
Rinnan teknologiakehityksen kanssa kehittyivät ohjelmointimenetelmät. Tehtiin ensimmäiset käyttöjärjestelmät, jotka sallivat eri sovellutusten ajamisen samanaikaisesti.
Tietokoneet alkoivat löytää töitä myös perinteisen laskennan ulkopuolelta. Koneita laitettiin ohjaamaan teollisia prosesseja. Ensimmäiset kuvankäsittelykokeet tehtiin kolmannen sukupolven koneilla. Kuvien vaatima suuri muistitila oli kuitenkin liikaa tuolloisille koneille, jotta mielekkäitä kuvasovellutuksia olisi syntynyt.
Neljäs tietokonesukupolvi (1971-)
Teknologia harppoi eteenpäin. Oli selvää, että jos piipalalle voitiin integroida 3 transistoria, kuten ensimmäisessä mikropiirissä oli, sille voitiin integroida enemmänkin. Pian oltiinkin sadoissa tuhansissa ja miljoonissa transistoreissa. Niinpä selvää rajaa kolmannen ja neljännen tietokonesukupolven välillä ei ole. Eräänä taitekohtana pidetään ensimmäistä mikroprosessoria. Intelin 4004 (1971) piti sisällään suurimman osan tietojenkäsittelyyn tarvittavasta elektroniikasta. Ennen 4004:ä koottiin keskusyksiköt loogisista piireistä. 4004 oli liian hidas suuriin tietokoneisiin, mutta se laajensi tietokoneen käyttöaluetta.
Mikroprosessori mahdollisti dramaattisen hinta- ja kokokehityksen. Erilaisia konttori- ja jopa harrastajatason tietokoneita alkoi ilmestyä markkinoille. Nimet Commodore, Atari ja Apple lienevät edelleen muistissa.
Kun IBM julkisti 1981 PC:nsä, räjähtivät mikrotietokonemarkkinat kasvuun. Kun IBM PC:n arkkitehtuuri ja tekniikka oli julkista, saattoivat tuhannet eri valmistajat tehdä siihen sopivia osia ja ohjelmia. Muistikoot ja prosessorien tehot alkoivat olla riittävät kuvien ja jopa elävän kuvan käsittelyyn.
Ohjelmien ja sovellutusten kirjo kasvoi valtavasti. Graafisten käyttöliittymien myötä käyttäjät eristettiin koneiden tekniikasta eikä tavallisen käyttäjän tarvitse enää olla juurikaan perehtynyt tietokoneen rakenteeseen.
1990-luvulla voitiin suurnopeuskameroita tehdä jo PC-perustaisiksi ja videonauhurikoneet alkoivat väistyä.
Puolijohdekameroiden kehitys
TV- ja videokamerat olivat vielä 1970-luvulla suuria ja hankalasti kuljeteltavia laitteita. Puolijohdetekniikan kehittyminen mullisti niiden maailman.
Kameroiden hallitsevat puolijohdetekniikat ovat CCD ja CMOS. Niiden kehitys on seurausta tietokonetekniikan kehityksestä.
CCD-tekniikkaa ei alunperin ajateltu kameroihin. Toisen tietokonesukupolven aikana merkittävä pullonkaula oli nopean keskusmuistin koko ja kalleus. Kokeiltiin mitä merkillisimpiä menetelmiä tiedon lyhytaikaiseksi tallentamiseksi. Eräs hallitsevista tekniikoista oli magneettikuplatekniikka. Edelleen (2003) on käytössä painokoneita, joiden ohjauselektroniikan muisti on kuplamuisteilla toteutettu, varaosia tuskin on saatavilla. 1960-luvulla havaittiin, että mikropiiriin voi rakentaa suuren määrän pieniä soluja, jotka voidaan hallitusti varata ja purkaa. Varaus ei kuitenkaan pysy soluissa kuin sekunnin osia, joten soluja on jatkuvasti luettava ja kirjoitettava. 'CCD' on lyhennys sanoista Charge Coupled Device: toisiinsa kytkettyjä varauksia kuljetellaan solujen välillä ketjumaisesti. CCD-tekniikalla tehtyjä keskusmuisteja käytettiin toisen ja kolmannen sukupolven tietokoneissa
Oli tiedossa, että jos valon annetaan vaikuttaa puolijohdediodiin, syntyy varauksia. Kun CCD-muistisolu altistettiin valolle, tuli soluun valon määrästä riippuva määrä varausta. Solun varaus voitiin kuljettaa piirin ulkopuolelle mitattavaksi. Yhdessä CCD-piirissä saattoi olla tuhansia soluja. Tällainen CCD-kamerasensori on perustoiminnaltaan analoginen, varauksen määrä vaihtelee verrannollisena valon määrään. Muistikäytössä CCD oli binäärinen; solu oli varattu tai ei ollut. CCD-soluja käytettiin analogiamuisteinakin, ovathan ne perustoiminnaltaan analogisia.
Vuonna 1974 esiteltiin 100*100 -pikselinen CCD-kuva-anturi ja jo vuotta myöhemmin voitiin CCD-tekniikkaa käyttää kaupallisissa TV-lähetyksissä. CCD-tekniikka on sittemmin kehittynyt muun puolijohdetekniikan myötä. Suurimmat CCD-anturit lienevät luokkaa 6000*6000 pikseliä.
CCD-tekniikan etuna on hyvä kuvanlaatu. Teknologia suosii varausten syntymistä valon vaikutuksesta on ja siten luonnostaan kamerakäyttöön soveltuvaa. CCD:n haittapuolena on prosessin huono soveltuvuus muuhun elektroniikkakäyttöön. Niinpä CCD vaatii ympärilleen apuelektroniikkaa.
Tietokoneiden logiikka on nykyisin (2003) edullisinta rakentaa CMOS-puolijohdeprosessilla. CMOS-tekniikan suuri ansio on, että se on yksinkertainen prosessi ja siksi voidaan tuottaa halvalla suuria määriä mikropiirejä. Jos samalla prosessilla voitaisiin tuottaa kuva-antureita, ne olisivat hyvin edullisia.. Tietyin edellytyksin CMOS-prosessilla voidaankin tehdä valoherkkiä piirejä, joskaan niiden laatu ei ole kovin hyvä.
Halpojen videokameroiden kysyntä on kasvanut huimasti. Markkinoilla on nettikameroita, leluissa on kameroita ja jopa puhelimissa on kameroita. Nämä kamerat, joissa hinta on kuvanlaatua tärkeämpi, on järkevää tehdä CMOSilla.
Tällä hetkellä valinta CCD- ja CMOS-tekniikoiden välillä määräytyy sovellutuksen laatu- ja hintavaatimusten mukaan: jos etsitään edullisinta tapaa rakentaa kamera eikä kuvan laatu ole kovin tärkeä, kannattaa kamera rakentaa CMOS-tekniikalla. Jos taas laatu on tärkeä, käytetään CCD:tä.
CMOS-tekniikka on luonnostaan varsin kohinaista ja tämän eliminoimiseksi kuva-anturiin rakennetaan jokaiseen pikseliin apuelektroniikkaa kohinan vähentämiseksi. Tämä apuelektroniikka vie tilaa juuri tärkeimmältä alueelta eli kuvaherkältä pinnalta: mitä enemmän kohinan poistoon halutaan panostaa, sitä enemmän kuvaherkkää pintaa joudutaan uhraamaan ja herkkyys vähenee. CMOS-anturit saatetaan varustaa pikselikohtaisilla mikrolinsseillä, jotka kohdistavat valon pikselin valoherkkään kohtaan. Nämä rakenteet syövät kuitenkin CMOS:in hintaetua.
CMOS-tekniikan tehonkulutus on huomattavasti pienempi kuin CCD:n, mikä antaa CMOSille etusijan kaikkein kevyimmissä laitteissa. CMOS-kameroiden kuvanlaatu on kuitenkin heikko, että digitaaliset valokuvaukseen tarkoitetut kamerat käyttävät CCD:tä laatusyistä, vaikka paristojen säästö olisi niissä erityisen tärkeää.
Miten suurnopeuskameroita on eri aikoina toteutettu
Filmitekniikan kehityksen myötä voitiin tehdä ensimmäiset suurnopeuskamerat, jotka kuvasivat tapahtumien kulkua eivätkä vain ottaneet yksittäisiä kuvia. Filmin kulkua ja suljinmekanismia nopeutettiin, filmejä herkennettiin, optiikoita paranneltiin. Filmitekniikka on edelleen käytössä, joskin uudemmat tekniikat ovat ylivoimaisia filmiin nähden. Filmikamerat saivat kilpailijan suurnopeuskäytössä vasta 1970-luvulla erikoisrakenteisten videonauhureiden myötä. Filmin hankala ongelma on, että on kyettävä arvaamaan, milloin jotain tapahtuu; filmiä ei voi käyttää uudelleen. Filmi on nopeimmillaankin katsottavissa vasta tuntien kuluttua kuvaamisesta, useimmiten kehitysprosessi vie viikkoja.
Magneettinen kuvantallennus mahdollisti sähköisesti toimivat suurnopeuskamerat. Videonauhurit eivät kyenneet tallentamaan juurikaan nopeammin kuin TV-lähetyslaatu vaati. Kun tingittiin kuvan erottelukyvystä ja käytettiin saatu hyöty kuvien määrän lisäämiseen, päästiin satoihin ja jopa tuhansiin kuviin sekunnissa. Ääritapauksissa kuva oli vain yhden pikselin korkuinen ja ehkä 100 pikseliä leveä. Monissa sovellutuksissa tämä oli kuitenkin valtaisa harppaus, eihän aiemmin ollut nähty mitään!
Videonauhuriin perustuvan tekniikan suuria nimiä olivat Kodak ja NAC. Suurnopeuskameroihin rakennettiin videonauhureita, joiden suorituskyky oli huomattavasti parempi kuin TV-käytössä olevilla nauhureilla. Nauhojen materiaalia ja nauhurin koneiston tarkkuutta kehittämällä voitiin moninkertaistaa kuvausnopeus, tosin kovaan hintaan. Nauhojen takaisinkelaamista varten saattoi olla oma laitteensa, joka kelasi nauhan tarkasti tiettyyn jännitykseen. Pelkästään takaisinkelauslaite saattoi maksaa henkilöauton hinnan. Suurnopeuskamera oli pikemminkin kuvausjärjestelmä, jonka paino oli 40-80 kiloa ja jonka hintaan kuului nokkakärry kuljettamista varten!
1990-luvulla oltiin niin pitkällä, että suurnopeuskamerat voitiin perustaa tietokonetekniikkaan. PC:t tulivat vaiheeseen, jossa muistia ja sen nopeutta lisättiin rajusti. PC:n muistiin ei ollut mahdollista kuvata suoraan, mutta muisti halpeni ja nopeutui. Suurnopeuskameroihin voitiin rakentaa oma puolijohdemuisti, johon sopi yli 5 sekunnin otoksia. Eräänä pioneerina oli suomalainen KSV Instruments Ltd, jonka HiSIS2001-kamera lienee ollut markkinoilla ensimmäisiä tietokonetekniikkaan perustuvia suurnopeuskameroita. KSV kehitti 2001:n pohjalta 2002-kameran, joka nosti nopeuden tuhansiin kuviin sekunnissa. Citius Imaging Ltd jatkaa KSV:n viitoittamalla tiellä.
PC:n avulla voitiin suurnopeuskameroiden hinta tuoda tasolle, joka avasi kokonaan uusia sovellutuksia. Suurnopeuskuvauksessa ei tarvita pitkiä kuvausaikoja, kunhan kamera voidaan riittävän tarkasti pysäyttää tai käynnistää. Filmitekniikassa oli kyettävä ennustamaan, milloin kuvattava tapahtuma alkaa. Nauhuritekniikka oli tässä suhteessa parempi, voitiinhan nauhaa käyttää uudelleen. Nauha oli kuitenkin 5-20 minuutin välein kelattava takaisin, eikä kelauksen aikana kuvaa saatu talteen. Puolijohdemuistiin kuvattaessa kamera voi kuvata jatkuvasti, ja kun kuvattava tapahtuma on ohi, kamera pysäytetään. Tällaisia muutaman sekunnin otoksia mahtui hyvin 1990-luvun alunkin PC:n kovalevylle, kunhan kamera itse huolehti kuvaamishetken muistitarpeesta. PC:n myötä tallennusväline, näyttö, tulostus ja jälkikäsittely ovat lähes ilmaisia.
2000-luvun alussa suurnopeuskamerat tehdään PC-perustaisina eikä juuri nyt (2003) ole näkyvissä suuria mullistuksia. Nopeudet ja tallennusajat kasvavat. PC-perustainen digitaalinen suurnopeuskuvaus on hallinnut noin 10 vuotta. Edellinen hallitsija (nauha) oli vallassa 20 vuotta ja sitä edellinen (filmi) 60 vuotta.
Puolijohdetekniikan ja tietokoneiden kehitykselle ei ole sellaista selkeää päämäärää kuin filmien tai videonauhureiden kehityksellä oli. Kun pystyttiin tallentamaan elävää kuvaa, ei nopeuden suhteen ollut enää kehityspaineita. Puolijohdetekniikan ja tietokoneiden maailmassa kuva on vain yksi sovellutus muiden joukossa. Puolijohdetekniikka ei etene kameroiden ehdoilla, vaan kamerat kehittyvät puolijohdetekniikan mukana. Niinpä kameroiden ja kuvankäsittelyn kehitys jatkunee ripeästi. Ehkä ihmissilmän resoluutio on kehityksen katto. Kun kuvan laatu ja erottelukyky ovat niin hyvät, että näkökyky asettaa rajat, vähenevät kehityspaineet. Suurnopeuskuvauksella ei tällaistakaan kattoa ole, aina tarvitaan nopeampi kamera. Niinpä voi olla, että puolijohdetekniikkaa syrjäyttävää tekniikkaa ole suurnopeuskuvaustarkoituksiin mielekästä kehittääkään. Ilmeisesti jonkin muun kehityksen sivutuotteena on kuitenkin jo olemassa seuraava hallitseva kuvaustekniikka.