高速攝像機

攝像機video camera

攝像機種類繁多，其工作的基本原理都是一樣的：把光學圖象信號轉變為電信號，以便於存儲或者傳輸。當我們拍攝一個物體時，此物體上反射的光被攝像機鏡頭收集，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變為電能，即得到了“視頻信號”。光電信號很微弱，需通過預放電路進行放大，再經過各種電路進行處理和調整，最後得到的標準信號可以送到錄像機等記錄媒介上記錄下來，或通過傳播系統傳播或送到監視器上顯示出來。

一般家庭用攝像機，DV最多能達到100幀每秒，手機30幀/s，而高速攝像機一般可以每秒1000~10000幀的速度記錄，有些軍方專用的高速攝像機甚至可達到1百萬~1千萬幀每秒，但這導致了每張像素不會太高，甚至不會超過一個家用數碼照相機的像素水平，試想下假設一張圖片最少是500kb那乘以1千萬是多少。而且這還是一秒的。所以一個驚人的儲存器也是必不可少的。

當水滴輕輕地落入池塘時，它產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，但是透過高速攝像機觀看，整個過程看起來就如籃球反彈的超級慢動作。高速影像專家馬特‧克尼(Matt Kearney)在剪輯這段水滴的視頻時表示，“這將會衝擊你的世界。”克尼拍攝的這段影片稱為“聚集滴落”，是為了探索頻道的電視影集“Time Warp”所做，而此節目運用高速影像拍攝了一系列自然界活動。

過去的科學家都有在實驗室里拍攝水珠滴落的畫面，不過使用的都是低解析度的照相機快照，而非高清晰度攝像。因此當約翰・布希 (John Bush)，麻省理工學院的應用數學教授，在上個月參觀在波士頓貝克海灣的“Time Warp”高清照相機展示會時，他感到無比驚訝。布希教授在接受採訪時表示：“我從來沒看過任何像這樣的影像”。他進一步表示高速攝像機“能將肉眼無法看到的高速世界賦予新生命。”

高速攝像機多年來被使用在研究上，有些非常實用，例如車禍模擬測試的紀錄。一直到當下，才有這類研究工具被娛樂界所運用。高速攝像機有較為便攜的款式，可以用來拍攝商業電視和影片，捕捉“CSI”影集中子彈的衝擊畫面、“流言終結者”節目中的大爆炸，以及迪士尼新作“Earth”中的動物飛行特技。

在電視上，視頻是以每秒30幀的速度播放，適合於人眼觀看。多數電視節目和家庭電影都是以相同的速度錄製。不過高速攝像機能夠以每秒325,000幀的速度錄影(一秒可以作為三小時播放)。當照相機運作如此快速時，大功率的照明設備是必需的，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售高速攝像機給製片公司(以拍攝慢動作鏡頭使用)和製造商(以檢查生產線問題)。他表示百萬像素的高色彩和感光度高速攝像機，早在很早已經出現在市場上。不過在那之後，這種相機都被用來拍攝黑白影像。運動節目製作公司如CBS是率先將高速像機使用在電視網的公司，其中以紀錄職業高爾夫選手揮桿的節目“Swing Vision”，則是拿下艾美獎。

高速攝像機還不斷在演化中。在“Time Warp”攝製中，加入了一款小型的、以電池供電的攝像機進入拍攝，以用來捕捉跳傘中的影像。克尼還想要運用紫外線、紅外線，和延時攝影技術來將扭曲時間。

當被問到是否有某些現象速度過快以至於不能記錄，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的裂縫是如何蔓延開來，不過影集製作人之一傑夫·利伯曼表示，玻璃是每秒破裂60,000英寸，比起高速攝像機以最高幀率可拍到的畫面還快。

高速攝像徠機系統工作原理

高速攝像機可以在很短的時間內完成對高速目標的快速、多次採樣，當以常規速度放映時，所記錄目標的變化過程就清晰、緩慢地呈現在我們眼前。高速攝像機技術具有實時目標捕獲、圖像快速記錄、即時回放、圖像直觀清晰等突出優點。

高速運動目標受到自然光或人工輔助照明燈光的照射產生反射光，或者運動目標本身發光，這些光的一部分透過高速成像系統的成像物鏡。經物鏡成像后，落在光電成像器件的像感面上，受驅動電路控制的光電器件，會對像感面上的目標像快速響應，即根據像感面上目標像光能量的分佈，在各採樣點即像素點產生響應大小的電荷包，完成圖像的光電轉換。帶有圖像信息的各個電荷包被迅速轉移到讀出寄存器中。讀出信號經信號處理後傳輸至電腦中，由電腦對圖像進行讀出顯示和判讀，並將結果輸出。因此，一套完整的高速成像系統由光學成像、光電成像、信號傳輸、控制、圖像存儲與處理等幾部分組成。

高速攝像在流體力學中的應用

高速攝像在工業應用中應用廣泛，高速攝像機能拍攝到肉眼無法看清楚的圖像和運動過程。流體力學中的湍流、流體的流速、流場、氣泡、沸騰、兩相流等運動規律的觀察和分析更是少不了高速攝像機的參與。如用高速攝像拍攝的石頭進入水中一剎那的細節。通過高速攝像機影像，研究人員能夠了解石頭水下的受力情況，並通過流體動力學，分析出為何石頭能在水面上連續多次漂浮。