stringtranslate.com

Высокоскоростная камера

Высокоскоростная камера — это устройство, способное снимать движущиеся изображения с выдержкой менее ⁠1/1 000⁠ секунды или частоты кадров свыше 250 кадров в секунду . [1] Используется для записи быстро движущихся объектов в виде фотографических изображений на носитель информации. После записи изображения, сохраненные на носителе, можно воспроизводить в замедленном режиме . Ранние высокоскоростные камеры использовали фотопленку для записи высокоскоростных событий, но были вытеснены полностью электронными устройствами, использующими датчик изображения (например, прибор с зарядовой связью (ПЗС) или активный пиксельный датчик МОП (APS)), обычно записывающими более 1000 кадров в секунду на DRAM для медленного воспроизведения с целью изучения движения для научного изучения переходных явлений. [2]

Обзор

Высокоскоростную камеру можно классифицировать как:

  1. Высокоскоростная кинокамера, которая записывает на пленку,
  2. Высокоскоростная видеокамера, которая записывает на электронную память,
  3. Высокоскоростная камера с кадровой съемкой, которая записывает изображения в нескольких плоскостях изображения или в нескольких местах на одной плоскости изображения [3] (обычно это пленка или сеть ПЗС-камер),
  4. Высокоскоростная электронно-оптическая камера, которая записывает серию изображений размером с линию на пленку или 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 кинокамеры могут снимать до четверти миллиона кадров в секунду, пропуская пленку через вращающуюся призму или зеркало вместо использования затвора , тем самым уменьшая необходимость остановки и запуска пленки за затвором, который порвал бы пленку на таких скоростях. Используя эту технику, одну секунду действия можно растянуть до более чем десяти минут времени воспроизведения (сверхзамедленная съемка). Высокоскоростные видеокамеры широко используются для научных исследований, [4] [5] военных испытаний и оценки, [6] и промышленности. [7] Примерами промышленного применения являются съемка производственной линии для лучшей настройки машины или в автомобильной промышленности съемка краш-теста для изучения воздействия на пассажиров манекена и автомобиль . Сегодня цифровая высокоскоростная камера заменила пленочную камеру, используемую для испытаний на удар транспортных средств. [8]

Видео шлирен- снимка промежуточного баллистического события дробового патрона. Натан Бур, Aimed Research.

Такие телесериалы , как MythBusters и Time Warp, часто используют высокоскоростные камеры для показа своих тестов в замедленном темпе. Сохранение записанных высокоскоростных изображений может занять много времени, поскольку 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, однако сохранение изображений требует использования более медленных стандартных видеокомпьютерных интерфейсов. [9] Хотя запись происходит очень быстро, сохранение изображений происходит значительно медленнее. Чтобы сократить требуемое пространство для хранения и время, необходимое людям для изучения записи, для съемки можно выбрать только те части действия, которые представляют интерес или имеют значение. При записи циклического процесса для анализа промышленной поломки снимается только соответствующая часть каждого цикла.

Проблемой для высокоскоростных камер является необходимая экспозиция для пленки; для съемки со скоростью 40 000  кадров в секунду необходим очень яркий свет , что иногда приводит к разрушению объекта исследования из-за нагревания освещения. Иногда используется монохромная (черно-белая) съемка для снижения требуемой интенсивности света. Еще более высокоскоростная съемка возможна с использованием специализированных систем формирования изображений на основе электронных приборов с зарядовой связью (ПЗС), которые могут достигать скорости более 25 миллионов кадров в секунду . Однако эти камеры по-прежнему используют вращающиеся зеркала, как и их старые пленочные аналоги. Твердотельные камеры могут достигать скорости до 10 миллионов кадров в секунду . [10] [11] Все разработки в области высокоскоростных камер в настоящее время сосредоточены на цифровых видеокамерах, которые имеют множество эксплуатационных и стоимостных преимуществ по сравнению с пленочными камерами.

В 2010 году исследователи создали камеру, экспонирующую каждый кадр в течение двух триллионных долей секунды ( пикосекунды ), что обеспечивает эффективную частоту кадров в полтриллиона кадров в секунду ( фемтофотография ). [12] [13] Современные высокоскоростные камеры работают, преобразуя падающий свет ( фотоны ) в поток электронов , которые затем отклоняются на фотоанод , обратно в фотоны, которые затем могут быть записаны либо на пленку, либо на ПЗС-матрицу.

Использование на телевидении

Использование в науке

Высокоскоростные камеры часто используются в науке для характеристики событий, которые происходят слишком быстро для традиционных скоростей пленки. Биомеханика использует такие камеры для захвата высокоскоростных движений животных, таких как прыжки лягушек и насекомых [15] , всасывание пищи рыбами, удары раков -богомолов и аэродинамическое исследование вертолетоподобных движений голубей [16] с использованием анализа движения полученных последовательностей с одной или нескольких камер для характеристики движения в 2-D или 3-D.

Переход от пленочных к цифровым технологиям значительно снизил сложность использования этих технологий с непредсказуемым поведением, в частности, за счет использования непрерывной записи и пост-триггера. В случае с пленочными высокоскоростными камерами исследователь должен запустить пленку, а затем попытаться побудить животное выполнить поведение за короткое время до того, как закончится пленка, что приводит к множеству бесполезных последовательностей, где животное ведет себя слишком поздно или вообще не ведет себя. В современных цифровых высокоскоростных камерах [17] камера может просто непрерывно записывать, 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 емкостью памяти во время непрерывной записи). Большинство программного обеспечения позволяет сохранять подмножество записанных кадров, минимизируя проблемы с размером файла за счет устранения бесполезных кадров до или после интересующей последовательности. Такой триггер также может использоваться для синхронизации записи на нескольких камерах.

Взрыв щелочных металлов при контакте с водой изучался с помощью высокоскоростной камеры. Покадровый анализ взрывающегося в воде сплава натрия/калия в сочетании с молекулярно-динамическим моделированием показал, что первоначальное расширение может быть результатом кулоновского взрыва , а не сгорания водорода, как считалось ранее. [18]

Цифровые высокоскоростные кадры видеокамеры внесли большой вклад в понимание молний , ​​когда они были объединены с приборами для измерения электрического поля и датчиками, которые могут отображать распространение лидеров молний посредством обнаружения радиоволн, генерируемых этим процессом. [19]

Использование в промышленности

При переходе от реактивного обслуживания к предиктивному обслуживанию крайне важно, чтобы поломки были действительно поняты. 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 предварительного или последующего срабатывания камера может просто непрерывно записывать, пока механик ждет, когда произойдет поломка, после чего сигнал запуска (внутренний или внешний) остановит запись и позволит исследователю сохранить заданный временной интервал до срабатывания (определяется частотой кадров, размером изображения и емкостью памяти во время непрерывной записи). Некоторое программное обеспечение позволяет просматривать проблемы в реальном времени, отображая только подмножество записанных кадров, минимизируя размер файла и проблемы со временем просмотра, удаляя бесполезные кадры до или после интересующей последовательности.

Высокоскоростные видеокамеры используются для дополнения других промышленных технологий, таких как рентгеновская радиография. При использовании с соответствующим фосфорным экраном, который преобразует рентгеновские лучи в видимый свет, высокоскоростные камеры могут использоваться для захвата высокоскоростных рентгеновских видеороликов событий внутри механических устройств и биологических образцов. Скорость визуализации в основном ограничена скоростью распада фосфорного экрана и усилением интенсивности, которые имеют прямую связь с экспозицией камеры. Импульсные рентгеновские источники ограничивают частоту кадров и должны быть правильно синхронизированы с захватами кадров камеры. [20]

Использование в военных действиях

В 1950 году Мортон Султанофф, физик армии США на Абердинском испытательном полигоне, изобрел сверхскоростную камеру, которая делала кадры за одну миллионную долю секунды и была достаточно быстрой, чтобы запечатлеть ударную волну небольшого взрыва. [21] Высокоскоростные цифровые камеры использовались для изучения того, как сбрасываемые с воздуха мины будут развертываться 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 , заменили 35-мм и 70-мм высокоскоростные пленочные камеры, используемые на следящих установках на испытательных полигонах, которые фиксируют баллистические перехваты. [23]

Смотрите также

Ссылки

  1. ↑ Журнал Общества инженеров кино: Высокоскоростная фотография, Предисловие, стр. 5, март 1949 г.
  2. ^ "High Frame Rate Electronic Imaging" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2016-03-04 . Получено 2010-03-07 .
  3. ^ «Учебники по высокоскоростной камере».
  4. ^ научное исследование Чэнь, Сяньфэн (2012). "Влияние соотношений CH4–воздух на микроструктуру пламени взрыва газа и поведение при его распространении". Energies . 5 (10): 4132–4146. doi : 10.3390/en5104132 .
  5. ^ научное исследование Андерсон, Кристофер В. (2010). «Баллическая проекция языка у хамелеонов сохраняет высокую производительность при низкой температуре» (PDF) . Труды Национальной академии наук . 107 (12): 5495–5499. Bibcode :2010PNAS..107.5495A. doi : 10.1073/pnas.0910778107 . PMC 2851764 . PMID  20212130 . Получено 2 февраля 2010 г. . 
  6. ^ Чу, д-р Питер К. (4 мая 2006 г.). "Эксперимент по падению нецилиндрической мины" (PDF) . Седьмой международный симпозиум по технологиям и минной проблеме, NPS, Монтерей, Калифорния, США.
  7. ^ "Фотонная камера удостоена награды Японского общества инженеров-механиков". Журнал Quality Magazine . Получено 23 января 2008 г.
  8. ^ "Замена 16-мм пленочных камер на цифровые камеры высокой четкости" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2016-09-11 . Получено 2010-03-07 .
  9. ^ ОБЗОР: Высокоскоростные камеры, 4 января 2011 г.
  10. ^ «Гипервижн HPV-X2».
  11. ^ Brandaris 128: цифровая камера со скоростью 25 миллионов кадров в секунду и 128 высокочувствительными кадрами
  12. ^ Велтен, Андреас; Лоусон, Эверетт; Бардагджи, Эндрю; Бавенди, Мунги; Раскар, Рамеш (2011-12-13). «Медленное искусство с камерой, снимающей триллион кадров в секунду». Плакаты ACM SIGGRAPH 2011. Web.media.mit.edu. стр. 1. doi :10.1145/2037715.2037730. ISBN 9781450309714. S2CID  9641010 . Получено 2012-10-04 .Работа поддержана исследовательскими грантами в 2009 и 2010 годах.
  13. ^ Велтен, 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) . ACM Transactions on Graphics . 32 (4). doi :10.1145/2461912.2461928. hdl : 1721.1/82039 . S2CID  14478222 . Получено 21 ноября 2013 г. .
  14. ^ "Высокоскоростные камеры NAC — популярный выбор для европейского вещания" . Получено 8 октября 2010 г.
  15. ^ Кесель, Антония Б. "Количественная оценка реакции приземления тараканов" (PDF) . Университет прикладных наук Бремена . Получено 15 декабря 2009 г. .
  16. ^ Рос, Иво Г.; Бассман, Лори К.; Бэджер, Марк А.; Пирсон, Алисса Н.; Бивенер, Эндрю А. (13.12.2011). «Голуби управляются как вертолеты и создают подъемную силу при движении вниз и вверх во время поворотов на низкой 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. ^ Балч, Крис С. (16 сентября 1990 г.). «Анализатор движения четвертого поколения». 19-й Международный конгресс по высокоскоростной фотографии и фотонике. Т. 1358. С. 373–398. doi :10.1117/12.23937. ISBN 9780819404190. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  18. ^ Мейсон, Филип Э.; Улиг, Франк; Ванек, Вацлав; Баттерсак, Тиллманн; Бауэрекер, Сигурд; Юнгвирт, Павел (2015-03-01). «Кулоновский взрыв на ранних стадиях реакции щелочных металлов с водой». Nature Chemistry . 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 . Получено 8 сентября 2018 .
  20. ^ «Услуги высокоскоростной обработки изображений — целенаправленные исследования».
  21. ↑ «Сверхскоростная камера снимает ударную волну» Popular Mechanics , октябрь 1950 г., стр. 158.
  22. ^ развитие оружия Чу, д-р Питер К. "Эксперимент по нецилиндрическому падению мины" (PDF) . Седьмой международный симпозиум по технологиям и минной проблеме, NPS, Монтерей, Калифорния, США . Получено 4 мая 2006 г.. Используя высокоскоростные цифровые камеры для записи и воспроизведения изображений в замедленном режиме, траекторию мины, попадающей в воду, можно оптимизировать для точности, отрегулировав форму мины и угол входа в воду. Существует множество примеров использования высокоскоростных цифровых камер для изучения баллистики огнестрельного оружия "Handgun Wounding Effects Due to Bullet Rotational Velocity" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 22 декабря 2013 г. . Получено 18 февраля 2013 г. .
  23. ^ Бриджес, Эндрю (1 августа 2005 г.). "ОБЗОР ОТРАСЛИ: Военные испытательные полигоны переходят с пленки на цифровую съемку". Журнал Military & Aerospace Electronics . Получено 1 августа 2005 г.
На Викискладе есть медиафайлы по теме «Высокоскоростные камеры» .