[科普中國]-高速攝象機

簡介

高速攝像機就是能夠以很高的頻率記錄一個動態(tài)的圖像，因為一個動態(tài)的圖像是需要數(shù)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1000~10000幀的速度記錄，但這導(dǎo)致了每張像素不會太高，甚至不會超過一個家用數(shù)碼照相機的像素水平。

攝像機種類繁多，其工作的基本原理都是一樣的：把光學(xué)圖象信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺员阌诖鎯蛘邆鬏?。?dāng)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(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，即得到了“視頻信號”。光電信號很微弱，需通過預(yù)放電路進行放大，再經(jīng)過各種電路進行處理和調(diào)整，最后得到的標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)傳播或送到監(jiān)視器上顯示出來。1

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1百萬~1千萬幀每秒，但這導(dǎo)致了每張像素不會太高，甚至不會超過一個家用數(shù)碼照相機的像素水平，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，所以一個驚人的儲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，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)目運用高速影像拍攝了一系列自然界活動。

過去的科學(xué)家都有在實驗室里拍攝水珠滴落的畫面，不過使用的都是低分辨率的照相機快照，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。布什教授在接受采訪時表示：“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。”

高速攝像機系統(tǒng)工作原理高速攝像機可以在很短的時間內(nèi)完成對高速目標(biāo)的快速、多次采樣，當(dāng)以常規(guī)速度放映時，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。高速攝像機技術(shù)具有實時目標(biāo)捕獲、圖像快速記錄、即時回放、圖像直觀清晰等突出優(yōu)點。

高速運動目標(biāo)受到自然光或人工輔助照明燈光的照射產(chǎn)生反射光，或者運動目標(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)動電路控制的光電器件，會對像感面上的目標(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，在各采樣點即像素點產(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電荷包被迅速轉(zhuǎn)移到讀出寄存器中。讀出信號經(jīng)信號處理后傳輸至電腦中，由電腦對圖像進行讀出顯示和判讀，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、信號傳輸、控制、圖像存儲與處理等幾部分組成。2

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

下面就以國產(chǎn)高速攝像機為例進行具體說明。高速攝像機的拍攝頻率在全幅時可達4,000幀/秒，小畫幅時更是達到200,000幀/秒的速度，這不是普通攝像機所能比的。在如此高頻率的拍攝速度下，高速攝像機的連拍時間能長達250秒，要知道這在高速攝像機領(lǐng)域是很驚人的。

當(dāng)然高速攝像機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。如高速攝像機在分辨率為1024x1024時幀率為4,000FPS，而在分辨率為640x480時幀率為13,000FPS，而在128x128的分辨率下，幀率更是高達256,000FPS。

國產(chǎn)品牌高速攝像機與進口對比高速相機是隨著工業(yè)化的發(fā)展而產(chǎn)生的，但其因為應(yīng)用不是很廣泛而不為人們所熟知，但工業(yè)的發(fā)展帶動了其性能也在不斷加強，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大，從工業(yè)到農(nóng)業(yè)、科研等。

高速相機作為一種商品進入中國市場主要是在2003年，那時國內(nèi)工業(yè)化的發(fā)展急需高速相機加以輔助，于是便出現(xiàn)了國外進口的高速相機一直壟斷著國內(nèi)這方面的市場。這一局面于2010年被打破，千眼狼的出現(xiàn)標(biāo)志國內(nèi)有了自己研發(fā)的國產(chǎn)高速相機，是國內(nèi)高速相機發(fā)展史上的一個重要的里程碑。

由于高速相機不是普通相機，價格也不是普通相機能比的，所以在選擇上我們要擇優(yōu)，肯定是想選擇一款性價比最高的高速相機。現(xiàn)在市場上主要有兩類高速相機，進口的和國產(chǎn)的，那到底哪種更具性價比呢？

下面羅列國外和國內(nèi)高速攝象機的大致數(shù)據(jù)：

國外攝像機在1280x1240的分辨率下，可以達2000幀/秒，而國內(nèi)攝像機在1024x1024下便能夠達到4000幀/秒。國外攝像機的最高幀率是150,000幀/秒，而國內(nèi)攝像機的最高可達200,000幀/秒。

應(yīng)用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(jì)錄。一直到當(dāng)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(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(dāng)照相機運作如此快速時，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像機給制片公司 (以拍攝慢動作鏡頭使用) 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，早在很早已經(jīng)出現(xiàn)在市場上。不過在那之后，這種相機都被用來拍攝黑白影像。運動節(jié)目制作公司如CBS是率先將高速像機使用在電視網(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。

高速攝像機還不斷在演化中。在“Time Warp”攝制中，加入了一款小型的、以電池供電的攝像機進入拍攝，以用來捕捉跳傘中的影像?？四徇€想要運用紫外線、紅外線，和延時攝影技術(shù)來將扭曲時間。

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，高速攝像機能拍攝到肉眼無法看清楚的圖像和運動過程。流體力學(xué)中的湍流、流體的流速、流場、氣泡、沸騰、兩相流等運動規(guī)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(jié)。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，并通過流體動力學(xué)，分析出為何石頭能在水面上連續(xù)多次漂浮。3

高速攝像機的發(fā)展趨勢（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）更長時

2000年以前：2s；

2001-2008年：12s；

2009-2013年：512s；

未來5-10年：Nh；

（4）更小巧

機載相機體積更小：

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)域有無物體動作來控制相機的拍攝；

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

（6）更廣泛45

僅舉例以下方向：

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