[科普中国]-高速摄象机

简介

高速摄像机就是能够以很高的频率记录一个动态的图像，因为一个动态的图像是需要数个静止的连贯的图片按一定时间速度播放出来的，高速摄像机一般可以每秒1000~10000帧的速度记录，但这导致了每张像素不会太高，甚至不会超过一个家用数码照相机的像素水平。

摄像机种类繁多，其工作的基本原理都是一样的：把光学图象信号转变为电信号，以便于存储或者传输。当我们拍摄一个物体时，此物体上反射的光被摄像机镜头收集，使其聚焦在摄像器件的受光面（例如摄像管的靶面）上，再通过摄像器件把光转变为电能，即得到了“视频信号”。光电信号很微弱，需通过预放电路进行放大，再经过各种电路进行处理和调整，最后得到的标准信号可以送到录像机等记录媒介上记录下来，或通过传播系统传播或送到监视器上显示出来。1

一般家庭用摄像机，DV最多能达到100帧每秒，手机30帧/s，而高速摄像机一般可以每秒1000~10000帧的速度记录，有些军方专用的高速摄像机甚至可达1百万~1千万帧每秒，但这导致了每张像素不会太高，甚至不会超过一个家用数码照相机的像素水平，试想下假设一张图片最少是500kb那乘以1千万是多少。.而且这还是一秒的，所以一个惊人的储存器也是必不可少的。

当水滴轻轻地落入池塘时，它产生一系列几乎无形的壮观过程的。小水滴首先在水面上跳跃奔腾，接著水珠四方散射而支离，直到完全被池水吸收而消失。

以肉眼看起来，这看起来不过就是水面的震动，但是透过高速摄像机观看，整个过程看起来就如篮球反弹的超级慢动作。高速影像专家马特‧克尼 (Matt Kearney)在剪辑这段水滴的视频时表示，“这将会冲击你的世界。”克尼拍摄的这段影片称为“聚集滴落”，是为了探索频道的电视影集“Time Warp”所做，而此节目运用高速影像拍摄了一系列自然界活动。

过去的科学家都有在实验室里拍摄水珠滴落的画面，不过使用的都是低分辨率的照相机快照，而非高清晰度摄像。因此当约翰・布什 (John Bush)，麻省理工学院的应用数学教授，在上个月参观在波士顿贝克海湾的“Time Warp”高清照相机展示会时，他感到无比惊讶。布什教授在接受采访时表示：“我从来没看过任何像这样的影像”。他进一步表示高速摄像机“能将肉眼无法看到的高速世界赋予新生命。”

高速摄像机系统工作原理高速摄像机可以在很短的时间内完成对高速目标的快速、多次采样，当以常规速度放映时，所记录目标的变化过程就清晰、缓慢地呈现在我们眼前。高速摄像机技术具有实时目标捕获、图像快速记录、即时回放、图像直观清晰等突出优点。

高速运动目标受到自然光或人工辅助照明灯光的照射产生反射光，或者运动目标本身发光,这些光的一部分透过高速成像系统的成像物镜。经物镜成像后，落在光电成像器件的像感面上，受驱动电路控制的光电器件，会对像感面上的目标像快速响应，即根据像感面上目标像光能量的分布，在各采样点即像素点产生响应大小的电荷包，完成图像的光电转换。带有图像信息的各个电荷包被迅速转移到读出寄存器中。读出信号经信号处理后传输至电脑中，由电脑对图像进行读出显示和判读，并将结果输出。因此，一套完整的高速成像系统由光学成像、光电成像、信号传输、控制、图像存储与处理等几部分组成。2

高速摄像机拍摄频率高速摄像机凭借着高频率的拍摄速度才与普通摄像机区分开来，普通摄像机的拍摄频率在30FPS，这是人眼所能捕捉到的频率，而高速摄像机能够达到成千甚至上万的频率。

下面就以国产高速摄像机为例进行具体说明。高速摄像机的拍摄频率在全幅时可达4,000帧/秒，小画幅时更是达到200,000帧/秒的速度，这不是普通摄像机所能比的。在如此高频率的拍摄速度下，高速摄像机的连拍时间能长达250秒，要知道这在高速摄像机领域是很惊人的。

当然高速摄像机的拍摄频率还与分辨率挂钩，他们是反比例函数，频率越高，分辨率越低，反之，频率越低，分辨率越高。如高速摄像机在分辨率为1024x1024时帧率为4,000FPS，而在分辨率为640x480时帧率为13,000FPS，而在128x128的分辨率下，帧率更是高达256,000FPS。

国产品牌高速摄像机与进口对比高速相机是随着工业化的发展而产生的，但其因为应用不是很广泛而不为人们所熟知，但工业的发展带动了其性能也在不断加强，其应用领域也在不断扩大，从工业到农业、科研等。

高速相机作为一种商品进入中国市场主要是在2003年，那时国内工业化的发展急需高速相机加以辅助，于是便出现了国外进口的高速相机一直垄断着国内这方面的市场。这一局面于2010年被打破，千眼狼的出现标志国内有了自己研发的国产高速相机，是国内高速相机发展史上的一个重要的里程碑。

由于高速相机不是普通相机，价格也不是普通相机能比的，所以在选择上我们要择优，肯定是想选择一款性价比最高的高速相机。现在市场上主要有两类高速相机，进口的和国产的，那到底哪种更具性价比呢？

下面罗列国外和国内高速摄象机的大致数据：

国外摄像机在1280x1240的分辨率下，可以达2000帧/秒，而国内摄像机在1024x1024下便能够达到4000帧/秒。国外摄像机的最高帧率是150,000帧/秒，而国内摄像机的最高可达200,000帧/秒。

应用高速摄像机多年来被使用在研究上，有些非常实用，例如车祸模拟测试的纪录。一直到当下，才有这类研究工具被娱乐界所运用。高速摄像机有较为便携的款式，可以用来拍摄商业电视和影片，捕捉“CSI”影集中子弹的冲击画面、“流言终结者”节目中的大爆炸，以及迪士尼新作“Earth”中的动物飞行特技。

在电视上，视频是以每秒30帧的速度播放，适合于人眼观看。多数电视节目和家庭电影都是以相同的速度录制。不过高速摄像机能够以每秒325,000帧的速度录影 (一秒可以作为三小时播放)。当照相机运作如此快速时，大功率的照明设备是必需的，而且所有摄影成员都还必须使用烤箱手套来操作聚焦透镜。

克尼过去从事出租和贩售高速摄像机给制片公司 (以拍摄慢动作镜头使用) 和制造商 (以检查生产线问题)。他表示百万像素的高色彩和感光度高速摄像机，早在很早已经出现在市场上。不过在那之后，这种相机都被用来拍摄黑白影像。运动节目制作公司如CBS是率先将高速像机使用在电视网的公司，其中以纪录职业高尔夫选手挥杆的节目“Swing Vision”，则是拿下艾美奖。

高速摄像机还不断在演化中。在“Time Warp”摄制中，加入了一款小型的、以电池供电的摄像机进入拍摄，以用来捕捉跳伞中的影像。克尼还想要运用紫外线、红外线，和延时摄影技术来将扭曲时间。

当被问到是否有某些现象速度过快以至于不能记录，摄影小组的人都噗哧笑出来。他们都很想要拍摄玻璃破裂时的裂缝是如何蔓延开来，不过影集制作人之一杰夫·利伯曼表示，玻璃是每秒破裂60,000英寸，比起高速摄像机以最高帧率可拍到的画面还快。

高速摄像在流体力学中的应用：

高速摄像在工业应用中应用广泛，高速摄像机能拍摄到肉眼无法看清楚的图像和运动过程。流体力学中的湍流、流体的流速、流场、气泡、沸腾、两相流等运动规律的观察和分析更是少不了高速摄像机的参与。如用高速摄像拍摄的石头进入水中一刹那的细节。通过高速摄像机影像，研究人员能够了解石头水下的受力情况，并通过流体动力学，分析出为何石头能在水面上连续多次漂浮。3

高速摄像机的发展趋势（1）更快速

拍摄速率：

2000年以前：500fps-1000fps；

2001-2008年：2000fps-6000fps；

2009-2013年：7000fps-16000fps；

未来5-10年：20000fps-100000fps；

（2）更清楚

（3）更长时

2000年以前：2s；

2001-2008年：12s；

2009-2013年：512s；

未来5-10年：Nh；

（4）更小巧

机载相机体积更小：

2000年以前：300mm×150mm×150mm；

2001-2006年：240mm×110mm×100mm；

2007-2011年：110mm×80mm×80mm；

2012-2013年：100mm×80mm×60mm；

未来5-10年：50mm×30mm×45mm；甚至针孔式高速摄像头。

（5）更智能

在2008年以前，高速摄像机的控制和拍摄几乎完全人工设置，不具备智能判断能力；

自2009年开始，图像判断和智能控制技术开始应用，如监视拍摄的区域有无物体动作来控制相机的拍摄；

在未来10年内，必将实现图像信的智能分析、自动跟踪和全自动控制的功能，可以实时处理数据、调整拍摄速率、视场、角度。

（6）更广泛45

仅举例以下方向：

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