[科普中國(guó)]-高速攝象機(jī)

簡(jiǎn)介

高速攝像機(jī)就是能夠以很高的頻率記錄一個(gè)動(dòng)態(tài)的圖像，因?yàn)橐粋€(gè)動(dòng)態(tài)的圖像是需要數(shù)個(gè)靜止的連貫的圖片按一定時(shí)間速度播放出來的，高速攝像機(jī)一般可以每秒1000~10000幀的速度記錄，但這導(dǎo)致了每張像素不會(huì)太高，甚至不會(huì)超過一個(gè)家用數(shù)碼照相機(jī)的像素水平。

攝像機(jī)種類繁多，其工作的基本原理都是一樣的：把光學(xué)圖象信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，以便于存儲(chǔ)或者傳輸。當(dāng)我們拍攝一個(gè)物體時(shí)，此物體上反射的光被攝像機(jī)鏡頭收集，使其聚焦在攝像器件的受光面（例如攝像管的靶面）上，再通過攝像器件把光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，即得到了“視頻信號(hào)”。光電信號(hào)很微弱，需通過預(yù)放電路進(jìn)行放大，再經(jīng)過各種電路進(jìn)行處理和調(diào)整，最后得到的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)可以送到錄像機(jī)等記錄媒介上記錄下來，或通過傳播系統(tǒng)傳播或送到監(jiān)視器上顯示出來。1

一般家庭用攝像機(jī)，DV最多能達(dá)到100幀每秒，手機(jī)30幀/s，而高速攝像機(jī)一般可以每秒1000~10000幀的速度記錄，有些軍方專用的高速攝像機(jī)甚至可達(dá)1百萬~1千萬幀每秒，但這導(dǎo)致了每張像素不會(huì)太高，甚至不會(huì)超過一個(gè)家用數(shù)碼照相機(jī)的像素水平，試想下假設(shè)一張圖片最少是500kb那乘以1千萬是多少。.而且這還是一秒的，所以一個(gè)驚人的儲(chǔ)存器也是必不可少的。

當(dāng)水滴輕輕地落入池塘?xí)r，它產(chǎn)生一系列幾乎無形的壯觀過程的。小水滴首先在水面上跳躍奔騰，接著水珠四方散射而支離，直到完全被池水吸收而消失。

以肉眼看起來，這看起來不過就是水面的震動(dòng)，但是透過高速攝像機(jī)觀看，整個(gè)過程看起來就如籃球反彈的超級(jí)慢動(dòng)作。高速影像專家馬特?克尼 (Matt Kearney)在剪輯這段水滴的視頻時(shí)表示，“這將會(huì)沖擊你的世界?！笨四崤臄z的這段影片稱為“聚集滴落”，是為了探索頻道的電視影集“Time Warp”所做，而此節(jié)目運(yùn)用高速影像拍攝了一系列自然界活動(dòng)。

過去的科學(xué)家都有在實(shí)驗(yàn)室里拍攝水珠滴落的畫面，不過使用的都是低分辨率的照相機(jī)快照，而非高清晰度攝像。因此當(dāng)約翰?布什 (John Bush)，麻省理工學(xué)院的應(yīng)用數(shù)學(xué)教授，在上個(gè)月參觀在波士頓貝克海灣的“Time Warp”高清照相機(jī)展示會(huì)時(shí)，他感到無比驚訝。布什教授在接受采訪時(shí)表示：“我從來沒看過任何像這樣的影像”。他進(jìn)一步表示高速攝像機(jī)“能將肉眼無法看到的高速世界賦予新生命?！?/p>

高速攝像機(jī)系統(tǒng)工作原理高速攝像機(jī)可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)高速目標(biāo)的快速、多次采樣，當(dāng)以常規(guī)速度放映時(shí)，所記錄目標(biāo)的變化過程就清晰、緩慢地呈現(xiàn)在我們眼前。高速攝像機(jī)技術(shù)具有實(shí)時(shí)目標(biāo)捕獲、圖像快速記錄、即時(shí)回放、圖像直觀清晰等突出優(yōu)點(diǎn)。

高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)受到自然光或人工輔助照明燈光的照射產(chǎn)生反射光，或者運(yùn)動(dòng)目標(biāo)本身發(fā)光,這些光的一部分透過高速成像系統(tǒng)的成像物鏡。經(jīng)物鏡成像后，落在光電成像器件的像感面上，受驅(qū)動(dòng)電路控制的光電器件，會(huì)對(duì)像感面上的目標(biāo)像快速響應(yīng)，即根據(jù)像感面上目標(biāo)像光能量的分布，在各采樣點(diǎn)即像素點(diǎn)產(chǎn)生響應(yīng)大小的電荷包，完成圖像的光電轉(zhuǎn)換。帶有圖像信息的各個(gè)電荷包被迅速轉(zhuǎn)移到讀出寄存器中。讀出信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理后傳輸至電腦中，由電腦對(duì)圖像進(jìn)行讀出顯示和判讀，并將結(jié)果輸出。因此，一套完整的高速成像系統(tǒng)由光學(xué)成像、光電成像、信號(hào)傳輸、控制、圖像存儲(chǔ)與處理等幾部分組成。2

高速攝像機(jī)拍攝頻率高速攝像機(jī)憑借著高頻率的拍攝速度才與普通攝像機(jī)區(qū)分開來，普通攝像機(jī)的拍攝頻率在30FPS，這是人眼所能捕捉到的頻率，而高速攝像機(jī)能夠達(dá)到成千甚至上萬的頻率。

下面就以國(guó)產(chǎn)高速攝像機(jī)為例進(jìn)行具體說明。高速攝像機(jī)的拍攝頻率在全幅時(shí)可達(dá)4,000幀/秒，小畫幅時(shí)更是達(dá)到200,000幀/秒的速度，這不是普通攝像機(jī)所能比的。在如此高頻率的拍攝速度下，高速攝像機(jī)的連拍時(shí)間能長(zhǎng)達(dá)250秒，要知道這在高速攝像機(jī)領(lǐng)域是很驚人的。

當(dāng)然高速攝像機(jī)的拍攝頻率還與分辨率掛鉤，他們是反比例函數(shù)，頻率越高，分辨率越低，反之，頻率越低，分辨率越高。如高速攝像機(jī)在分辨率為1024x1024時(shí)幀率為4,000FPS，而在分辨率為640x480時(shí)幀率為13,000FPS，而在128x128的分辨率下，幀率更是高達(dá)256,000FPS。

國(guó)產(chǎn)品牌高速攝像機(jī)與進(jìn)口對(duì)比高速相機(jī)是隨著工業(yè)化的發(fā)展而產(chǎn)生的，但其因?yàn)閼?yīng)用不是很廣泛而不為人們所熟知，但工業(yè)的發(fā)展帶動(dòng)了其性能也在不斷加強(qiáng)，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，從工業(yè)到農(nóng)業(yè)、科研等。

高速相機(jī)作為一種商品進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)主要是在2003年，那時(shí)國(guó)內(nèi)工業(yè)化的發(fā)展急需高速相機(jī)加以輔助，于是便出現(xiàn)了國(guó)外進(jìn)口的高速相機(jī)一直壟斷著國(guó)內(nèi)這方面的市場(chǎng)。這一局面于2010年被打破，千眼狼的出現(xiàn)標(biāo)志國(guó)內(nèi)有了自己研發(fā)的國(guó)產(chǎn)高速相機(jī)，是國(guó)內(nèi)高速相機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)重要的里程碑。

由于高速相機(jī)不是普通相機(jī)，價(jià)格也不是普通相機(jī)能比的，所以在選擇上我們要擇優(yōu)，肯定是想選擇一款性價(jià)比最高的高速相機(jī)?，F(xiàn)在市場(chǎng)上主要有兩類高速相機(jī)，進(jìn)口的和國(guó)產(chǎn)的，那到底哪種更具性價(jià)比呢？

下面羅列國(guó)外和國(guó)內(nèi)高速攝象機(jī)的大致數(shù)據(jù)：

國(guó)外攝像機(jī)在1280x1240的分辨率下，可以達(dá)2000幀/秒，而國(guó)內(nèi)攝像機(jī)在1024x1024下便能夠達(dá)到4000幀/秒。國(guó)外攝像機(jī)的最高幀率是150,000幀/秒，而國(guó)內(nèi)攝像機(jī)的最高可達(dá)200,000幀/秒。

應(yīng)用高速攝像機(jī)多年來被使用在研究上，有些非常實(shí)用，例如車禍模擬測(cè)試的紀(jì)錄。一直到當(dāng)下，才有這類研究工具被娛樂界所運(yùn)用。高速攝像機(jī)有較為便攜的款式，可以用來拍攝商業(yè)電視和影片，捕捉“CSI”影集中子彈的沖擊畫面、“流言終結(jié)者”節(jié)目中的大爆炸，以及迪士尼新作“Earth”中的動(dòng)物飛行特技。

在電視上，視頻是以每秒30幀的速度播放，適合于人眼觀看。多數(shù)電視節(jié)目和家庭電影都是以相同的速度錄制。不過高速攝像機(jī)能夠以每秒325,000幀的速度錄影 (一秒可以作為三小時(shí)播放)。當(dāng)照相機(jī)運(yùn)作如此快速時(shí)，大功率的照明設(shè)備是必需的，而且所有攝影成員都還必須使用烤箱手套來操作聚焦透鏡。

克尼過去從事出租和販?zhǔn)鄹咚贁z像機(jī)給制片公司 (以拍攝慢動(dòng)作鏡頭使用) 和制造商 (以檢查生產(chǎn)線問題)。他表示百萬像素的高色彩和感光度高速攝像機(jī)，早在很早已經(jīng)出現(xiàn)在市場(chǎng)上。不過在那之后，這種相機(jī)都被用來拍攝黑白影像。運(yùn)動(dòng)節(jié)目制作公司如CBS是率先將高速像機(jī)使用在電視網(wǎng)的公司，其中以紀(jì)錄職業(yè)高爾夫選手揮桿的節(jié)目“Swing Vision”，則是拿下艾美獎(jiǎng)。

高速攝像機(jī)還不斷在演化中。在“Time Warp”攝制中，加入了一款小型的、以電池供電的攝像機(jī)進(jìn)入拍攝，以用來捕捉跳傘中的影像。克尼還想要運(yùn)用紫外線、紅外線，和延時(shí)攝影技術(shù)來將扭曲時(shí)間。

當(dāng)被問到是否有某些現(xiàn)象速度過快以至于不能記錄，攝影小組的人都噗哧笑出來。他們都很想要拍攝玻璃破裂時(shí)的裂縫是如何蔓延開來，不過影集制作人之一杰夫·利伯曼表示，玻璃是每秒破裂60,000英寸，比起高速攝像機(jī)以最高幀率可拍到的畫面還快。

高速攝像在流體力學(xué)中的應(yīng)用：

高速攝像在工業(yè)應(yīng)用中應(yīng)用廣泛，高速攝像機(jī)能拍攝到肉眼無法看清楚的圖像和運(yùn)動(dòng)過程。流體力學(xué)中的湍流、流體的流速、流場(chǎng)、氣泡、沸騰、兩相流等運(yùn)動(dòng)規(guī)律的觀察和分析更是少不了高速攝像機(jī)的參與。如用高速攝像拍攝的石頭進(jìn)入水中一剎那的細(xì)節(jié)。通過高速攝像機(jī)影像，研究人員能夠了解石頭水下的受力情況，并通過流體動(dòng)力學(xué)，分析出為何石頭能在水面上連續(xù)多次漂浮。3

高速攝像機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)（1）更快速

拍攝速率：

2000年以前：500fps-1000fps；

2001-2008年：2000fps-6000fps；

2009-2013年：7000fps-16000fps；

未來5-10年：20000fps-100000fps；

（2）更清楚

（3）更長(zhǎng)時(shí)

2000年以前：2s；

2001-2008年：12s；

2009-2013年：512s；

未來5-10年：Nh；

（4）更小巧

機(jī)載相機(jī)體積更?。?/p>

2000年以前：300mm×150mm×150mm；

2001-2006年：240mm×110mm×100mm；

2007-2011年：110mm×80mm×80mm；

2012-2013年：100mm×80mm×60mm；

未來5-10年：50mm×30mm×45mm；甚至針孔式高速攝像頭。

（5）更智能

在2008年以前，高速攝像機(jī)的控制和拍攝幾乎完全人工設(shè)置，不具備智能判斷能力；

自2009年開始，圖像判斷和智能控制技術(shù)開始應(yīng)用，如監(jiān)視拍攝的區(qū)域有無物體動(dòng)作來控制相機(jī)的拍攝；

在未來10年內(nèi)，必將實(shí)現(xiàn)圖像信的智能分析、自動(dòng)跟蹤和全自動(dòng)控制的功能，可以實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)、調(diào)整拍攝速率、視場(chǎng)、角度。

（6）更廣泛45

僅舉例以下方向：

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