Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
См. Также: Высокоскоростная фотография § Высокоскоростные пленочные камеры.

Высокоскоростная камера представляет собой устройство , способное захватывать двигающиеся изображения с экспозицией менее 1/1 000 или второй кадром скорости свыше 250 кадров в секунду. [1] 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 медленно воспроизвести, чтобы изучить движение для научного изучения переходных явлений. [2]

Обзор [ править ]

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 [3] (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 до четверти миллиона кадров в секунду, если пропустить пленку над вращающейся призмой или зеркалом вместо использования затвора , что снижает необходимость останавливать и запускать пленку за затвором, который может разорвать пленку. запас пленки на таких скоростях. Используя эту технику, одна секунда действия может быть увеличена до более чем десяти минут воспроизведения (сверхзамедленное движение). Скоростные видеокамеры широко используются для научных исследований, [4] [5] военное испытание и оценка, [6] и промышленность. [7] Примерами промышленного применения являются съемка производственной линии для лучшей настройки машины или съемка в автомобильной промышленности краш-теста для исследования воздействия манекена на пассажиров и автомобиль . Сегодня цифровая высокоскоростная камера заменила пленочную камеру, используемую для испытаний транспортных средств на удар. [8]

Шлиренское видео промежуточного баллистического события 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. [9]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. [10] [11] 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 ). [12] [13] 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 на пленку или ПЗС-матрицу.

Используется на телевидении [ править ]

  • 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 . [14]

Использование в науке [ править ]

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, [15] всасывающее кормление рыб, удары креветок-богомолов и аэродинамические исследования вертолетных движений голубей [16] с использованием движения анализ результирующих последовательностей с одной или нескольких камер для характеристики движения в двух или трех измерениях.

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 скоростных камерах [17]камера может просто вести непрерывную запись, пока исследователь пытается вызвать поведение, после чего кнопка триггера останавливает запись и позволяет исследователю сохранить заданный временной интервал до и после триггера (определяется частотой кадров, размером изображения и объемом памяти во время 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. [18]

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. [19]

Использование в промышленности [ править ]

При переходе от реактивного обслуживания к профилактическому обслуживанию, очень 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 триггерный сигнал (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 расширения 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 изображения в основном ограничена скоростью затухания люминофорного экрана и усилением интенсивности, которые напрямую зависят от экспозиции камеры. Импульсные источники рентгеновского излучения ограничивают частоту кадров и должны быть должным образом синхронизированы с захватами кадров камеры. [20]

Использование в войне [ править ]

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. [21] Высокоскоростные цифровые камеры использовались для изучения того, как мины, сброшенные с воздуха, будут разворачиваться в прибрежных районах [22], 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 для отслеживания на испытательных полигонах, которые фиксируют баллистические перехваты. [23]

См. Также [ править ]

  • Видео с высокой частотой кадров
  • Замедленное движение
  • Photron (высокоскоростные камеры Photron FASTCAM)
  • Vision Research Phantom (Высокоскоростные камеры Vision Research Phantom)
  • Микротрон (скоростные камеры)
  • Скоростная фотография
  • Rapatronic камера
  • Режим серийной съемки (фотография)
  • Юбер Шарден

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Журнал Общества инженеров киноискусства: высокоскоростная фотография, предисловие, стр. 5, март 1949 г.
  2. ^ «Электронное изображение с высокой частотой кадров» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 04 марта 2016 года . Проверено 7 марта 2010 .
  3. ^ «Учебники по высокоскоростной камере» .
  4. ^ научное исследование Chen, Xianfeng (2012). "Влияние соотношений CH4 и воздуха на микроструктуру пламени взрыва газа и поведение при распространении" . Энергии . 5 (10): 4132–4146. DOI : 10.3390 / en5104132 .
  5. ^ научное исследование Андерсон, Кристофер В. (2010). «Баллистический выступ языка у хамелеонов сохраняет высокие характеристики при низких температурах» (PDF) . Труды Национальной академии наук . 107 (12): 5495–5499. DOI : 10.1073 / pnas.0910778107 . PMC 2851764 . PMID 20212130 . Проверено 2 февраля 2010 года .   
  6. ↑ Чу, доктор Питер С. (4 мая 2006 г.). "Эксперимент с падением нецилиндрической мины" (PDF) . Седьмой международный симпозиум по технологиям и проблемам шахт, NPS, Монтерей, Калифорния, США.
  7. ^ "Фотронная камера, удостоенная награды Японского общества инженеров-механиков" . Журнал качества . Проверено 23 января 2008 года .
  8. ^ Замена пленочных фотоаппаратов 16 мм цифровыми фотоаппаратами высокой четкости
  9. ↑ ОБЗОР: Высокоскоростные камеры, 4 января 2011 г.
  10. ^ https://www.shimadzu.com/an/test/hpv/hpv-x2/index.html
  11. ^ Brandaris 128: А цифровые 25 миллионов кадров в секунду камера с 128 высокочувствительных кадров
  12. ^ Фельтен, Андреас; Лоусон, Эверетт; Бардагы, Андрей; Бавенди, Мунги; Раскар, Рамеш (13 декабря 2011 г.). «Медленное искусство с камерой с триллионом кадров в секунду» . Визуализация света со скоростью триллиона кадров в секунду, Camera Culture, MIT Media Lab . Web.media.mit.edu. п. 1. дои : 10,1145 / 2037715,2037730 . ISBN 9781450309714. S2CID  9641010 . Проверено 4 октября 2012 . Работа поддержана исследовательскими грантами 2009 и 2010 гг.
  13. ^ Фельтен, Андреас; Ди Ву; Адриан Харабо; Белен Масия; Кристофер Барси; Чинмая Джоши; Эверетт Лоусон; Мунги Бавенди; Диего Гутьеррес; Рамеш Раскар (июль 2013 г.). «Фемто-фотография: захват и визуализация распространения света» (PDF) . Транзакции ACM на графике . 32 (4). DOI : 10.1145 / 2461912.2461928 . ЛВП : 1721,1 / 82039 . S2CID 14478222 . Проверено 21 ноября 2013 года .  
  14. ^ «Высокоскоростные камеры NAC - популярный выбор для европейского вещания» . Проверено 8 октября 2010 года .
  15. ^ Кесель, Антония Б. "Количественная оценка реакции тараканов при приземлении" (PDF) . Университет прикладных наук Бремена . Проверено 15 декабря 2009 года .
  16. ^ Рос, Иво G .; Бассман, Лори С .; Барсук, Марк А .; Пирсон, Алисса Н .; Бивенер, Эндрю А. (13 декабря 2011 г.). «Голуби управляют, как вертолеты, и создают подъемную силу при движении вниз и вверх во время поворотов на малой скорости» . Труды Национальной академии наук . 108 (50): 19990–19995. Bibcode : 2011PNAS..10819990R . DOI : 10.1073 / pnas.1107519108 . ISSN 0027-8424 . PMC 3250151 . PMID 22123982 .   
  17. ^ Болкх, Kris S. (16 сентября 1990). «Анализатор движения четвертого поколения». 19-й Международный конгресс по высокоскоростной фотографии и фотонике . Proc. SPIE 1358, 19-й Международный конгресс по высокоскоростной фотографии и фотонике . 1358 . С. 373–398. DOI : 10.1117 / 12.23937 . ISBN 9780819404190.
  18. ^ Мейсон, Филип Э .; Улиг, Франк; Ванек, Вацлав; Баттерсэк, Тиллманн; Бауэркер, Сигурд; Юнгвирт, Павел (01.03.2015). «Кулоновский взрыв на ранних стадиях реакции щелочных металлов с водой». Химия природы . 7 (3): 250–254. Bibcode : 2015NatCh ... 7..250M . DOI : 10.1038 / nchem.2161 . ISSN 1755-4330 . PMID 25698335 .  
  19. ^ «Образование» . ZT Research . 2017-05-06 . Проверено 8 сентября 2018 года .
  20. ^ «Службы высокоскоростной визуализации - целевое исследование» .
  21. ^ "Суперскоростная камера снимает ударную волну" Popular Mechanics , октябрь 1950, стр. 158.
  22. ^ Разработка оружия Чу, доктор Питер С. «Эксперимент с падением нецилиндрической мины» (PDF) . Седьмой международный симпозиум по технологиям и проблемам шахт, NPS, Монтерей, Калифорния, США . Проверено 4 мая 2006 года . . Используя высокоскоростные цифровые камеры для записи и воспроизведения изображений в замедленном движении, траекторию захода мины в воду можно оптимизировать с точки зрения точности, отрегулировав форму мины и угол входа в воду. Существует множество примеров использования высокоскоростных цифровых камер для изучения баллистики огнестрельного оружия «Эффекты ранения из пистолета, обусловленные скоростью вращения пули» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 22 декабря 2013 года . Проверено 18 февраля 2013 года .
  23. Перейти ↑ Bridges, Andrew (1 августа 2005 г.). «ОБЗОР ОТРАСЛИ: военные испытательные полигоны переходят от пленки к цифровой обработке изображений» . Журнал «Военная и аэрокосмическая электроника» . Проверено 1 августа 2005 года .