要多慢有多慢,每秒万亿帧的高速摄影

2015-04-23 19:07:52来源: 雷锋网 关键字:每秒  万亿  高速  高速摄影
    你可能知道电影是什么时候诞生的,但未必知道它们是如何在你眼里成为连贯的影片的——原因就在于电影在摄影和放映时,都会将帧率调整为24幅/s,这个参数与人眼的时间分辨能力是一致的,因此虽然电影是不连续放映的,但在人眼看来却形成了连贯的影像。

  也正因为人眼有这么一个局限,使得一些更高速的运动,人眼就无法完全捕捉了,这时候我们就需要借助外力,让动作变慢,以确保可以完整观看到——高速摄影技术,就是为此应运而生的产物。

  

 

  高速相机的原理

  想要进行高速摄影,就需要依靠高速相机,后者是工业相机的一种,具有高图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力的优势。不过在成像原理上,工业相机与民用相机是没有区别的,都是依靠把光学图像信号转变为电信号,以实现存储和传输的目的。而目前使用的最广泛的就是CCD或CMOS芯片。在这里我们简单描述一下二者的不同之处。

  CCD即电荷耦合器,是一种特殊的半导体材料,由大量独立的光敏元件按矩阵排列而成,通常以百万像素为单位,而像素多少也就意味着CCD上有多少感光组件。在进行拍摄时,景物反射的光线通过相机的镜头透射到CCD上,被转换成电荷(每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度),再由控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对光电二极管产生的电流进行控制,将一次成像产生的电信号收集起来,统一输出到放大器,经过放大和滤波后的电信号被送到A/D(模/数转换器),经其处理后变成数字信号,最终压缩后存入缓存内,形成最终的照片。

  而CMOS和CCD一样都是可用来感受光线变化的半导体,但它属于互补性金属氧化物半导体,可细分为被动式与主动式两种。CMOS本身是计算机上采用的一种主要芯片,1999年首次被XirLink公司做成影像传感器推向市场,其核心结构上的每个像素点由一个感光电极、一个电信号转换单元、一个信号传输晶体管,以及一个信号放大器所组成,当CMOS感受到光线之后,会经光电转换后使电极带上负电和正电,前者的互补效应会产生电信号,再被A/D转换器上再被处理芯片记录和解读成影像数据。

  高速摄像技术是重点

  然而仅仅是高速相机还不足够,高速摄影技术也是必不可少的手段。其在信息论中的定义为——对于一个人眼无法跟随的高速流逝过程,高速摄影提供了一个耦合的时空信息系列,其中空间信息用图像来表示,时间信息用拍摄频率来表示。

  总的来说,高速摄影是一种拍摄速度很快,曝光时间很短的一种摄影方法,再依靠“快摄慢放”的技术,最终将快速变化的运动过程放慢到人眼的视觉的时间分辨程度,使人能够得以观察。而这也就意味着在高速摄影时,其拍摄频率(帧/秒)必须与物体运动变化的速率达到同步,变化越快的运动会要求越高的拍摄频率。

  

 

  值得一提的,闪光在高速摄影中的作用是最重要的,人类历史上第一次真正意义的高速摄影就是靠速度为1/2000秒的闪光拍摄出了“静止”的运动画面,此外,2008年美国人塞勒所拍摄的子弹穿过香烟的照片,虽然其使用的尼康D90相机快门速度最高只有1/4000秒,远远跟不上300m/s左右的子弹的速度,但是操作者通过先将快门提前打开一秒,借由子弹触发激光束点亮2万伏微秒级的闪光灯,并在闪光灯闪亮的那一刻完成拍摄,从而完成了对于该照片的捕捉——因为当闪光以微秒计的时候,即便快门时间以秒计,最终保存在传感器上的仍旧只有闪光下的几微秒的图像而已,这就使得高速运动中的物体能够被清晰的捕捉下来。

  高速摄影最新成果——每秒4.4万亿!

  最初在相机曝光需要达到数十分钟的时代,以秒计数就已经可以被称为是高速摄影,但到了当下,高速摄影起点就定在了数千分之一秒左右,甚至几亿分之一秒甚至几兆分之一秒的也不罕见了,而据最新的消息显示,日本有科学家开发出了一种新型的高速相机,其光敏元件帧间隔达每秒4.4万亿帧,足以领先之前的高速相机一千倍之多。而之所以能够实现这样的效果,原因在于其使用了一项名为“连续定时全光学映射摄影”的技术,简单来说其是一个基于运动的飞秒成像摄影术,即先对拍摄目标的空间轮廓进行光学映射,再使用脉冲模式相机发出极短的单脉冲串进行图像采集,因而能够实现一次成像,而无需像之前一样反复测量。

  而由于在传感器面积一定的情况下,视频的两大主要参数——帧率与分辨率之间存在一定的制衡,因此当帧率提高,那么分辨率就会下降,这也是为何这款超高速相机拍摄的照片分辨率只有450×450的缘故。

  

 

  而4.4万亿这个数字,是在该成果得到的影片帧率为229fs的基础上计算得来的,fs是指飞秒,即千万亿分之一秒,而1/229fs则就等于4.36万亿,而事实上,这个数字也只能被计算出来,因为它已经无法被测量了。

  高速摄影能上知天文下知地理

  高速摄影目前最广泛的应用,是安装在流水线上代替人工来进行监测,其通过数字图像拍摄目标后转换成图像信号(采集),再传送给专用的图像处理系统(传输),然后图像处理系统再对这些信号进行各种运算来抽取目标特征(计算),最后依据判别结果控制现场设备(反馈)。

  举个例子,当流水线在灌装饮料时,速度这项指标非常重要,因为过快会导致瓶身爆裂,过慢就会增加耗时与成本,想要达到最完美的成果,就需要确定最合适的速率,而这就要借助于高速摄影来实现了。

  

 

  除此之外,高速摄影还广泛应用于军事(例如弹道分析)、制药(细胞运动)、影视(动画特效)、化工(喷流流体分析)、印刷(检测高速印刷时可能存在的印刷缺陷)等行业,而在超高速相机的辅助下,还可以实现对化学反应瞬间、等离子体动力学、晶格振动波、热传导等现象进行拍摄。例如美国人就以每秒1000亿帧的速率拍摄下了光在镜面上反射的过程(见上图)。

  比起工业用途,民用高速摄影往往更富创造性

  由于高速相机属于工业用相机,因此很多人可能会连带认为高速摄影不能够应用于个人和民用市场,但这是错误的。比如最受大众用户欢迎的拍照设备iPhone 6,它就可以720P的分辨率下拍摄240fps的视频,而定位极限运动爱好者的GoPro也同样可以实现高速拍摄,虽然它们不如工业用高速相机那么专业和极致,但已经足够用户惊叹一声“Cool”了。

  

 

  一般来说,常见的高速摄影场景,包括对于运动中的孩子或宠物的动作捕捉,像荡在秋千上的小孩、滑雪场上腾空翻滚的英姿、高速飞行的鸟类等等,之前有人用iPhone 6的高速摄影功能拍摄过一只刚从水里出来的狗甩动身体的动作,狗的皮肤就伴随着身体的动作来回甩动,非常有趣。

  

 

  或者你也可以自己尝试拍摄水与火这两种高速摄影常见的题材,比如往空杯子里倒水,或者是点燃一个乒乓球——然后你就会发现这些原本转瞬即逝,甚至你以为无法被看到和记录的东西,它们不但富有着别样的精彩,也可以成就你的个性化摄影佳作。

关键字:每秒  万亿  高速  高速摄影

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2015/0423/article_8356.html
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