stringtranslate.com

Высокоскоростная камера

Высокоскоростная камера — это устройство, способное захватывать движущиеся изображения с выдержкой менее 1/1000 секунды или частотой кадров более 250 кадров в секунду . [1] Используется для записи быстродвижущихся объектов в виде фотографических изображений на носитель информации. После записи изображения, хранящиеся на носителе, можно воспроизвести в замедленном режиме . Первые высокоскоростные камеры использовали фотопленку для записи высокоскоростных событий, но были заменены полностью электронными устройствами, использующими датчик изображения (например, устройство с зарядовой связью (CCD) или датчик активных пикселей MOS (ASP)), записывающие , как правило, более 1000 кадров в секунду в DRAM для медленного воспроизведения для изучения движения в целях научного изучения переходных явлений. [2]

Обзор

Высокоскоростную камеру можно классифицировать как:

  1. Высокоскоростная пленочная камера, записывающая на пленку,
  2. Высокоскоростная видеокамера, записывающая в электронную память,
  3. Высокоскоростная кадрирующая камера, которая записывает изображения в нескольких плоскостях изображения или в нескольких местах в одной плоскости изображения [3] (обычно пленка или сеть ПЗС-камер),
  4. Высокоскоростная полосовая камера, записывающая серию изображений размером в одну строку на пленку или в электронную память.

Обычный кинофильм воспроизводится со скоростью 24 кадра в секунду , тогда 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 через вращающуюся призму или зеркало вместо использования затвора , что снижает необходимость остановки и запуска пленки за затвором, который может привести к разрыву пленки. на таких скоростях. Используя эту технику, одну секунду действия можно растянуть до десяти минут воспроизведения (сверхзамедленная съемка). Высокоскоростные видеокамеры широко используются в научных исследованиях, [4] [5] военных испытаниях и оценках, [6] и в промышленности. [7] Примерами промышленного применения являются съемки производственной линии для лучшей настройки машины или съемка краш- теста в автомобильной промышленности для изучения воздействия на пассажиров манекена и автомобиль . Сегодня цифровая высокоскоростная камера заменила пленочную камеру, используемую для испытаний транспортных средств на удар. [8]

Шлирен- видео промежуточного баллистического события дробового патрона. Натан Бур, Целевое исследование.

В телесериалах , таких как «Разрушители мифов » и «Искажение времени», часто используются высокоскоростные камеры, чтобы показать свои испытания в замедленном режиме. 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 и будут записывать со скоростью 11 гигабайт в секунду. Технологически эти камеры очень продвинуты, однако для сохранения изображений требуется использование более медленных стандартных видеокомпьютерных интерфейсов. [9] Хотя запись происходит очень быстро, сохранение изображений происходит значительно медленнее. Чтобы сократить необходимое пространство для хранения и время, необходимое людям для просмотра записи, для съемки можно выбирать только те части действия, которые представляют интерес или имеют отношение к делу. При записи циклического процесса для анализа промышленных аварий снимается только соответствующая часть каждого цикла.

Проблемой 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 высокой температуры освещения. Монохроматическая (черно-белая) съемка иногда используется для уменьшения необходимой интенсивности света. Еще более высокая скорость визуализации возможна при использовании специализированных систем визуализации с электронными устройствами с зарядовой связью (ПЗС), которые могут достигать скорости более 25 миллионов кадров в секунду . Однако в этих камерах 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 в настоящее время сосредоточены на цифровых видеокамерах, которые имеют множество эксплуатационных и финансовых преимуществ по сравнению с пленочными камерами.

В 2010 году исследователи создали камеру, экспонирующую каждый кадр в течение двух триллионных долей секунды ( пикосекунд ), с эффективной частотой кадров в полтриллиона кадров в секунду ( фемтофотография ). [12] [13] Современные высокоскоростные камеры преобразуют падающий свет ( фотоны ) в поток электронов , которые затем отклоняются на фотоанод , обратно в фотоны, которые затем можно записать на пленку или ПЗС-матрицу.

Использование на телевидении

Использование в науке

Высокоскоростные камеры часто используются в науке для описания событий, которые происходят слишком быстро для традиционной светочувствительности пленки. Биомеханика использует такие камеры для съемки высокоскоростных движений животных, таких как прыжки лягушек и насекомых, [15] кормления рыб всасыванием, ударов раков-богомолов , а также аэродинамическое исследование вертолетоподобных движений голубей [16] с использованием движения анализ результирующих 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-запуска. При использовании пленочных высокоскоростных камер следователь должен запустить пленку, а затем попытаться побудить животное выполнить определенное поведение за короткое время до того, как пленка закончится, что приводит к множеству бесполезных сцен, в которых животное ведет себя слишком поздно или вообще не ведет себя. В современных цифровых высокоскоростных камерах [17] камера может просто вести непрерывную запись, пока следователь пытается выявить поведение, после чего кнопка запуска останавливает запись и позволяет исследователю сохранить заданный интервал времени до и после срабатывания триггера. (определяется частотой кадров, размером изображения и объемом памяти во время непрерывной записи). Большинство программного обеспечения позволяет сохранять подмножество записанных кадров, сводя к минимуму проблемы с размером файла за счет исключения ненужных кадров до или после интересующей последовательности. Такой запуск также можно использовать для синхронизации записи между несколькими камерами.

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

Видео, снятое цифровой высокоскоростной камерой, во многом способствовало пониманию молний в сочетании с приборами для измерения электрического поля и датчиками, которые могут составить карту распространения лидеров молний посредством обнаружения радиоволн , генерируемых этим процессом. [19]

Использование в промышленности

При переходе от реактивного обслуживания к профилактическому техническому обслуживанию крайне важно правильно понимать поломки. Одним из основных методов анализа является использование высокоскоростных камер для описания 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 вести непрерывную запись, пока механик ожидает поломки, после чего триггерный сигнал (внутренний или внешний) остановит запись и позволит исследователю сохранить заданный интервал времени до триггера (определяется частотой кадров, размером изображения и объемом памяти во время непрерывной записи). Некоторое программное обеспечение позволяет просматривать проблемы в режиме реального времени, отображая только часть записанных кадров, минимизируя размер файла и проблемы со временем просмотра за счет удаления ненужных кадров до или после интересующей последовательности.

Высокоскоростные видеокамеры используются в качестве дополнения к другим промышленным технологиям, таким как рентгеновская радиография. При использовании с соответствующим люминофорным экраном, который преобразует рентгеновские лучи в видимый свет, высокоскоростные камеры можно использовать для съемки высокоскоростных рентгеновских видео событий внутри механических устройств и биологических образцов. Скорость формирования изображений в основном ограничивается скоростью затухания люминофорного экрана и усилением интенсивности, что напрямую зависит от экспозиции камеры. Импульсные источники рентгеновского излучения ограничивают частоту кадров и должны быть правильно синхронизированы с кадрами, записываемыми камерой. [20]

Использование в войне

В 1950 году Мортон Султанофф, физик армии США на Абердинском полигоне, изобрел сверхскоростную камеру, которая делала кадры с частотой в одну миллионную долю секунды и была достаточно быстрой, чтобы зафиксировать ударную волну небольшого взрыва. [21] Высокоскоростные цифровые камеры использовались для изучения того, как мины, сброшенные с воздуха, будут размещаться в прибрежных регионах, [22] включая разработку различных систем вооружения. В 2005 году высокоскоростные цифровые камеры с разрешением 4 мегапикселя, записывающие со скоростью 1500 кадров в секунду , заменили высокоскоростные пленочные камеры 35 мм и 70 мм, используемые в следящих установках на испытательных полигонах, которые фиксируют баллистические перехваты. [23]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Журнал Общества киноинженеров: Высокоскоростная фотография, Предисловие, стр.5, март 1949 г.
  2. ^ «Электронная обработка изображений с высокой частотой кадров» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Проверено 7 марта 2010 г.
  3. ^ «Учебные пособия по высокоскоростной камере».
  4. ^ научные исследования Чен, Сяньфэн (2012). «Влияние соотношения CH4–воздух на микроструктуру и поведение пламени газового взрыва». Энергии . 5 (10): 4132–4146. дои : 10.3390/en5104132 .
  5. ^ научные исследования Андерсон, Кристофер В. (2010). «Баллистическая проекция языка у хамелеонов сохраняет высокие характеристики при низкой температуре» (PDF) . Труды Национальной академии наук . 107 (12): 5495–5499. Бибкод : 2010PNAS..107.5495A. дои : 10.1073/pnas.0910778107 . ПМЦ 2851764 . ПМИД  20212130 . Проверено 2 февраля 2010 г. 
  6. ↑ Чу, доктор Питер К. (4 мая 2006 г.). «Эксперимент по установке нецилиндрической мины» (PDF) . Седьмой международный симпозиум по технологиям и минной проблеме, NPS, Монтерей, Калифорния, США.
  7. ^ "Камера Photoron удостоена награды Японского общества инженеров-механиков" . Журнал «Качество» . Проверено 23 января 2008 г.
  8. ^ Замена 16-мм пленочных фотоаппаратов на цифровые фотоаппараты высокого разрешения.
  9. ^ ОБЗОР: Высокоскоростные камеры, 4 января 2011 г.
  10. ^ «Гипервидение ВПЧ-X2».
  11. ^ Brandaris 128: цифровая камера со скоростью 25 миллионов кадров в секунду и 128 высокочувствительными кадрами.
  12. ^ Фельтен, Андреас; Лоусон, Эверетт; Бардагджи, Эндрю; Бавенди, Мунги; Раскар, Рамеш (13 декабря 2011 г.). «Медленное искусство с камерой со скоростью триллиона кадров в секунду». Плакаты ACM SIGGRAPH 2011 . Веб.media.mit.edu. п. 1. дои : 10.1145/2037715.2037730. ISBN 9781450309714. S2CID  9641010 . Проверено 4 октября 2012 г.Работа поддержана исследовательскими грантами в 2009 и 2010 годах.
  13. ^ Фельтен, Андреас; Ди Ву; Адриан Харабо; Белен Масия; Кристофер Барси; Чинмая Джоши; Эверетт Лоусон; Мунги Бавенди; Диего Гутьеррес; Рамеш Раскар (июль 2013 г.). «Фемтофотография: захват и визуализация распространения света» (PDF) . Транзакции ACM с графикой . 32 (4). дои : 10.1145/2461912.2461928. hdl : 1721.1/82039 . S2CID  14478222 . Проверено 21 ноября 2013 г.
  14. ^ «Высокоскоростные камеры NAC — популярный выбор для европейского вещания» . Проверено 8 октября 2010 г.
  15. ^ Кесель, Антония Б. «Количественная оценка реакции тараканов на приземление» (PDF) . Университет прикладных наук Бремена . Проверено 15 декабря 2009 г.
  16. ^ Рос, Иво Г.; Бассман, Лори К.; Бэджер, Марк А.; Пирсон, Алисса Н.; Бивенер, Эндрю А. (13 декабря 2011 г.). «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. Бибкод : 2011PNAS..10819990R. дои : 10.1073/pnas.1107519108 . ISSN  0027-8424. ПМК 3250151 . ПМИД  22123982. 
  17. ↑ Балч, Крис С. (16 сентября 1990 г.). «Анализатор движения четвертого поколения». 19-й Международный конгресс по высокоскоростной фотографии и фотонике. Том. 1358. стр. 373–398. дои : 10.1117/12.23937. ISBN 9780819404190. {{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )
  18. ^ Мейсон, Филип Э.; Улиг, Фрэнк; Ванек, Вацлав; Баттерсак, Тиллманн; Бауэрекер, Сигурд; Юнгвирт, Павел (01 марта 2015 г.). «Кулоновский взрыв на ранних стадиях реакции щелочных металлов с водой». Природная химия . 7 (3): 250–254. Бибкод :2015НатЧ...7..250М. дои : 10.1038/nchem.2161. ISSN  1755-4330. ПМИД  25698335.
  19. ^ «Образование». ЗТ Исследования . 06.05.2017 . Проверено 8 сентября 2018 г.
  20. ^ «Услуги высокоскоростной визуализации - целевые исследования» .
  21. ^ "Сверхскоростная камера снимает ударную волну" Popular Mechanics , октябрь 1950 г., стр. 158.
  22. ^ разработка оружия Чу, доктор Питер К. «Эксперимент по сбросу нецилиндрической мины» (PDF) . Седьмой международный симпозиум по технологиям и минной проблеме, NPS, Монтерей, Калифорния, США . Проверено 4 мая 2006 г.. Используя высокоскоростные цифровые камеры для записи и воспроизведения изображений в замедленном режиме, можно оптимизировать траекторию входа мины в воду для обеспечения точности путем регулирования формы мины и угла входа в воду. Существует множество примеров использования высокоскоростных цифровых камер для изучения баллистики огнестрельного оружия «Влияние ранения из пистолета из-за скорости вращения пули» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 22 декабря 2013 года . Проверено 18 февраля 2013 г.
  23. ^ Бриджес, Эндрю (1 августа 2005 г.). «ВЗГЛЯД НА ПРОМЫШЛЕННОСТЬ: Военные полигоны переходят с пленки на цифровое изображение». Журнал «Военная и аэрокосмическая электроника» . Проверено 1 августа 2005 г.
Викискладе есть медиафайлы по теме высокоскоростных камер .