高速攝像機
高速攝像機
高徠速攝像機就是能夠以很高的頻率記錄一個動態的圖像,因為一個動態的圖像是需要數個靜止的連貫的圖片按一定時間速度播放出來的,高速攝像機一般可以每秒1000~220000幀的速度記錄,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。早期的高速攝像機使用膠片記錄高速事件,但被完全使用電荷耦合器件(CCD)或CMOS有源像素感測器的電子設備取代,通常每秒超過1000幀記錄到DRAM上,慢慢地回放研究瞬態現象的科學研究動作。
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。
高速攝像機
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。