Скоростная камера - High-speed camera

См. Также: Высокоскоростная фотография § Высокоскоростные пленочные камеры.

Высокоскоростная камера представляет собой устройство , способное захватывать движущиеся изображения с экспозицией менее 1/1000 или второго кадра скоростью свыше 250 кадров в секунду . Он используется для записи быстро движущихся объектов в виде фотографических изображений на носитель. После записи изображения, хранящиеся на носителе, можно воспроизводить в замедленном режиме . Ранние высокоскоростные камеры использовали пленку для записи высокоскоростных событий, но были заменены полностью электронными устройствами, использующими либо устройство с зарядовой связью (CCD), либо датчик CMOS с активными пикселями , записывая, как правило, более 1000 кадров в секунду в DRAM , чтобы воспроизводиться медленно, чтобы изучить движение для научного изучения переходных явлений.

Обзор

Скоростную камеру можно классифицировать как:

  1. Высокоскоростная пленочная камера, которая записывает на пленку,
  2. Высокоскоростная видеокамера с записью в электронную память,
  3. Высокоскоростная кадрирующая камера, которая записывает изображения на нескольких плоскостях изображения или в нескольких местах на одной плоскости изображения (обычно пленка или сеть камер CCD),
  4. Высокоскоростная линейная камера, которая записывает серию изображений размером в линию на пленку или в электронную память.

Обычный кинофильм воспроизводится со скоростью 24 кадра в секунду , в то время как телевидение использует 25 кадров / с ( PAL ) или 29,97 кадров / с ( NTSC ). Высокоскоростные пленочные камеры могут снимать со скоростью до четверти миллиона кадров в секунду , пропуская пленку над вращающейся призмой или зеркалом вместо использования затвора , что снижает необходимость останавливать и запускать пленку за затвором, который может разорвать пленку. на таких скоростях. Используя эту технику, одна секунда действия может быть увеличена до более чем десяти минут воспроизведения (сверхзамедленное движение). Высокоскоростные видеокамеры широко используются в научных исследованиях, военных испытаниях и оценках, а также в промышленности. Примерами промышленного применения являются съемка производственной линии для лучшей настройки машины или съемка в автомобильной промышленности краш-теста для изучения воздействия манекена на пассажиров и автомобиль . Сегодня цифровая высокоскоростная камера заменила пленочную камеру, используемую для испытаний транспортных средств на удар.

Шлирен видео о промежуточном баллистическом событии выстрела. Натан Бур, Целевое исследование.

В телесериалах, таких как MythBusters и Time Warp, часто используются высокоскоростные камеры, чтобы показывать свои тесты в замедленной съемке. Сохранение записанных высокоскоростных изображений может занять много времени, потому что по состоянию на 2017 год потребительские камеры имеют разрешение до четырех мегапикселей с частотой кадров более 1000 в секунду, что позволяет записывать со скоростью 11 гигабайт в секунду. Технологически эти камеры очень продвинуты, но для сохранения изображений требуется использование более медленных стандартных видео-компьютерных интерфейсов. Хотя запись идет очень быстро, сохранение изображений происходит значительно медленнее. Чтобы уменьшить необходимое пространство для хранения и время, необходимое людям для изучения записи, для записи можно выбрать только те части действия, которые представляют интерес или актуальность. При записи циклического процесса для анализа промышленной поломки снимается только соответствующая часть каждого цикла.

Проблема высокоскоростных фотоаппаратов - необходимая выдержка для пленки; очень яркий свет необходим, чтобы можно было снимать со скоростью 40 000  кадров в секунду , что иногда приводит к разрушению объекта исследования из-за высокой температуры освещения. Монохроматическая (черно-белая) съемка иногда используется для уменьшения требуемой интенсивности света. Даже более высокая скорость визуализации возможна с использованием специализированных систем визуализации электронных устройств с зарядовой связью (ПЗС), которые могут достигать скорости более 25 миллионов кадров в секунду . В этих камерах, однако, по-прежнему используются вращающиеся зеркала, как и в их старых пленочных аналогах. Твердотельные камеры могут достигать скорости до 10 миллионов кадров в секунду . Все разработки в области высокоскоростных камер сейчас сосредоточены на цифровых видеокамерах, которые имеют много эксплуатационных и экономических преимуществ по сравнению с пленочными камерами.

В 2010 году исследователи создали камеру, экспонирующую каждый кадр в течение двух триллионных долей секунды ( пикосекунды ), с эффективной частотой кадров в полтриллиона кадров в секунду ( фемтосъемка ). Современные высокоскоростные камеры работают путем преобразования падающего света ( фотонов ) в поток электронов, которые затем отклоняются на фотоанод , обратно в фотоны, которые затем могут быть записаны либо на пленку, либо на ПЗС-матрицу.

Используется на телевидении

  • В шоу « Разрушители мифов» широко используются высокоскоростные камеры для измерения скорости или высоты.
  • Time Warp был основан на использовании высокоскоростных камер для замедления вещей, которые обычно слишком быстрые, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом.
  • Высокоскоростные камеры часто используются в телепрограммах многих крупных спортивных мероприятий для замедленного воспроизведения мгновенных повторов, когда обычное замедленное воспроизведение недостаточно медленное, например, на международных матчах по крикету .

Использование в науке

Высокоскоростные камеры часто используются в науке для описания событий, которые происходят слишком быстро для традиционных светосил. Биомеханика использует такие камеры для захвата высокоскоростных движений животных, таких как прыжки лягушек и насекомых, всасывающее кормление рыб, удары креветок-богомолов и аэродинамическое исследование вертолетных движений голубей с использованием анализа движения результирующих последовательностей из одна или несколько камер для описания движения в 2-D или 3-D режиме.

Переход от пленки к цифровой технологии значительно снизил сложность использования этих технологий с непредсказуемым поведением, в частности, за счет использования непрерывной записи и пост-триггера. При использовании пленочных высокоскоростных фотоаппаратов исследователь должен запустить фильм, а затем попытаться побудить животное выполнить такое поведение за короткое время до того, как пленка закончится, что приводит к множеству бесполезных сцен, в которых животное ведет себя слишком поздно или совсем не ведет себя. В современных цифровых высокоскоростных камерах камера может просто непрерывно записывать, когда исследователь пытается вызвать поведение, после чего кнопка триггера останавливает запись и позволяет исследователю сохранить заданный интервал времени до и после триггера (определяется частота кадров, размер изображения и объем памяти при непрерывной записи). Большая часть программного обеспечения позволяет сохранять подмножество записанных кадров, сводя к минимуму проблемы с размером файла, удаляя ненужные кадры до или после интересующей последовательности. Такой запуск также можно использовать для синхронизации записи с нескольких камер.

Взрыв щелочных металлов при контакте с водой изучен с помощью высокоскоростной камеры. Покадровый анализ взрыва натрий-калиевого сплава в воде в сочетании с молекулярно-динамическим моделированием показал, что начальное расширение может быть результатом кулоновского взрыва, а не сгорания газообразного водорода, как считалось ранее.

Видеозаписи с цифровой высокоскоростной камеры в значительной степени способствовали пониманию молнии в сочетании с приборами для измерения электрического поля и датчиками, которые могут отображать распространение лидеров молний путем обнаружения радиоволн, генерируемых этим процессом.

Использование в промышленности

При переходе от реактивного обслуживания к профилактическому обслуживанию важно действительно понимать поломки. Одним из основных методов анализа является использование высокоскоростных камер для характеристики событий, которые происходят слишком быстро, чтобы их можно было увидеть, например, во время производства. Подобно использованию в науке, с возможностью до или после запуска камера может просто непрерывно записывать, пока механик ожидает поломки, после чего сигнал запуска (внутренний или внешний) остановит запись и позволит исследователю сохранить заданный интервал времени до срабатывания триггера (определяется частотой кадров, размером изображения и объемом памяти во время непрерывной записи). Некоторое программное обеспечение позволяет просматривать проблемы в реальном времени, отображая только подмножество записанных кадров, минимизируя размер файла и проблемы времени просмотра, удаляя ненужные кадры до или после интересующей последовательности.

Высокоскоростные видеокамеры используются для дополнения других промышленных технологий, таких как рентгеновская радиография. При использовании с подходящим люминофорным экраном, который преобразует рентгеновские лучи в видимый свет, высокоскоростные камеры могут использоваться для записи высокоскоростных рентгеновских видео событий внутри механических устройств и биологических образцов. Скорость визуализации в основном ограничена скоростью затухания люминофорного экрана и усилением интенсивности, которые напрямую зависят от экспозиции камеры. Источники импульсного рентгеновского излучения ограничивают частоту кадров и должны быть должным образом синхронизированы с захватами кадров камеры.

Использование в войне

В 1950 году Мортон Султанофф , инженер армии США на Абердинском полигоне, изобрел сверхскоростную камеру, которая снимала кадры с одной миллионной секунды и была достаточно быстрой, чтобы записать ударную волну небольшого взрыва. Высокоскоростные цифровые камеры использовались для изучения того, как мины, сброшенные с воздуха, будут разворачиваться в прибрежных районах, включая разработку различных систем вооружения. В 2005 году высокоскоростные цифровые камеры с разрешением 4 мегапикселя, записывающие со скоростью 1500 кадров в секунду , пришли на смену 35-мм и 70-мм высокоскоростным пленочным камерам, используемым в установках слежения на испытательных полигонах, которые фиксируют баллистические перехваты.

Смотрите также

использованная литература