攝影技術(shù)——高速攝影[1]

1、什么是高速攝影什么是高速攝影？o人眼的時間分辨能力只有1/24s。而電影攝影與放映的頻率選為24幅s，正是利用這一特點，以不連續(xù)的放映使人獲得連續(xù)的感受。但對于許多高速運動的物體或瞬變現(xiàn)象，受到人眼時間分辨率的限制，我們無法看清過程。o而高速攝影，能把高速運動現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展和運動規(guī)律等清晰地展現(xiàn)在人們的面前，是一種有效的記錄方式和研究方法。 高速攝影的定義o高速攝影在信息論中的定義為：對于一個人眼無法跟隨的高速流逝過程，高速攝影提供了一種耦合的時空信息系列，其中空間信息用圖像來表達，時間信息用拍攝頻率來表達。 o2004年，在美國召開的第26屆“國際高速攝影和光子學會議”上，把高速攝影的定義

2、修改為：速度大于128幅s，可連續(xù)獲得3幅以上的攝影。o但是現(xiàn)在，構(gòu)成高速攝影的含意遠遠超過這些普通攝影的范疇，最短的曝光極限也必須不斷的修正。十年前，這個極限為幾億分之一秒；現(xiàn)在為幾兆分之一秒或更少，每秒鐘可連續(xù)拍攝6億幅畫面。 o下面讓我們看幾幅令人震撼的攝影作品 蘋果被子彈擊穿的瞬間 多彩的牛奶 炮彈飛出炮膛 o以上這些令人瞠目的精彩瞬間，用普通的攝影手段是無法記錄的，他們都是“高速攝影”的杰作。歷史o顧名思義，“高速攝影”，就是拍攝速度很快，曝光時間很短的一種攝影方法。但是，不同的歷史時期，“高速攝影”的概念也是在不斷變化的。o在攝影技術(shù)誕生的初期，由于感光材料的靈敏度很低，拍攝一張照

3、片往往需要曝光數(shù)十分鐘乃至幾個小時，那個時候，凡以秒計的攝影都可算得上“高速”了。攝影先驅(qū)亨利塔爾博特（Henry Talbot）o第一次高速攝影是由英國化學家、語言學家及攝影先驅(qū)亨利塔爾博特完成的。o1851年，塔爾博特將倫敦時報的一小塊版面貼在一個輪子上，讓輪子在一個暗室里快速旋轉(zhuǎn)。當輪子旋轉(zhuǎn)時，塔爾博特利用來自萊頓電瓶（這是一種聚集電荷的容器，就是現(xiàn)在的電容器的前身）的閃光（速度為12000秒），拍攝了幾平方厘米的原版面。最終結(jié)果是獲得了清晰的圖像，它好像是從一種靜止的實體上拍下來的，但實際上卻是運動中的實體。 閃光攝影之父哈羅德埃杰頓o埃杰頓的關(guān)鍵之處是意識到了閃光燈與相機一旦結(jié)合起來

4、，將會發(fā)揮出巨大的潛力。 o他的實驗與亨利塔爾博特有類似之處：n一部同步發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)著的轉(zhuǎn)子，只能見到一片模模糊糊的影像。n這次實驗的目的，是為了了解這類電機在經(jīng)受強烈的震動后如何仍然會保持同步。n埃杰頓根據(jù)實驗的部分內(nèi)容，用汞弧整流器加強發(fā)電機轉(zhuǎn)子的勵磁。突然間，埃杰頓發(fā)現(xiàn)在汞弧整流器發(fā)出的明亮的閃光照耀下，旋轉(zhuǎn)著的轉(zhuǎn)子似乎一直都是靜止不動的。 埃杰頓的頓悟o，如果能夠控制閃光，使之與旋轉(zhuǎn)著的機器同步，就有可能創(chuàng)造出史無前例的奇跡，使運動“凝結(jié)”，藉以研究在運動中的高速發(fā)電機。o在1931年出版的電氣工程雜志上，埃杰頓正式宣布了他的這一發(fā)現(xiàn)o埃杰頓想到，如能控制用以照明被攝者的光線，則比控制

5、快門來得方便，利用這種方法，他甚至能夠用普通的相機來凝結(jié)非?？焖俚倪\動。o很快，埃杰頓和幾位志同道合者，利用充有水銀蒸汽和其他氣體的閃光燈，實現(xiàn)了能夠產(chǎn)生時間非常短促的閃光燈短到只有百萬分之一秒，亮度超過陽光。 埃杰頓的成果o1940年，他應(yīng)MGM電影制片公司的緊急請求，證明了用來拍電影的攝影速度至少要快到什么程度，使得由該公司制作的一部名為眨眼之間的影片奪得了一項奧斯卡金像獎。o第二次世界大戰(zhàn)期間，他曾指導美軍飛行大隊怎樣使用閃光彈進行夜間空中偵察攝影。這項技術(shù)后來在1944年的盟軍“D日”(6月6日)突襲戰(zhàn)中發(fā)揮了極大的作用。o他還曾為美國原子能委員會發(fā)明地一種拍攝核爆炸的方法，拍攝距離可

6、以近到十英里。 o目前一些普通的35毫米照相機已具有最高速度可達14000秒的焦平面快門，發(fā)光時間在110000秒到125000秒之間的小型電子閃光也比比皆是。o所以，現(xiàn)在所說的高速攝影起點就是數(shù)千分之一秒，在科技攝影領(lǐng)域，曝光時間在幾億分之一秒甚至幾兆分之一秒的已不顯見，已經(jīng)誕生了每秒鐘可連續(xù)拍攝6億幅畫面的高速攝影機。 左圖顯示的是用條紋攝影術(shù)拍攝的一些蠟燭的形象。 右邊的一組圖也是用條紋攝影術(shù)拍攝的電焊槍熾熱的焊頭加熱了空氣的景像，所不同的是光線在某個瞬間穿過不同熱量的空氣（也是根據(jù)其不同密度）而發(fā)生不同的偏離。光線在每一瞬間的偏離照射在條紋攝影板上的不同點上。就產(chǎn)生了每幅圖中的視覺效果

7、。 高速攝影的應(yīng)用o高速攝影把動作放慢，可以顯示肉眼看不見的瞬間動作 。 1、科研領(lǐng)域 o高速攝影在科研領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，常被用作記錄分析物體的運動變化，甚至生物器官、微生物、分子的運動。 利用高速攝影記錄汽車碰撞瞬間各部位的變化以及人體模型的受力狀況，可生產(chǎn)出安全系數(shù)更高的汽車。人們先把碰撞的過程拍攝成電影，然后以很慢的速度放映，以便觀察在碰撞期間車身如何變形，從而發(fā)現(xiàn)薄弱的部位。 工業(yè)上也缺少不了這種攝影技術(shù)，事實上，由于有了這種技術(shù)，人們才能夠使一些生產(chǎn)過程得到改善，因為在這些生產(chǎn)過程中，速度是至關(guān)重要的。比如，在向玻璃瓶中灌飲料時，如果灌裝速度過快，就可能導致容器破碎，但如果過程過于緩

8、慢，那么成本就會提高。所以，為了看得更清楚一點，獲得更科學的設(shè)計方案，必須拍一些照片，以顯示出生產(chǎn)線上的薄弱環(huán)節(jié)。 o這是一套用于分析焊接質(zhì)量的高速攝影系統(tǒng)，利用攝影記錄，可以改進生產(chǎn)工藝。用針刺破裝滿水的氣球的情景，可以說明驗證很多力學、材料學方面的科學理論。 可以研究不同的人面對突如其來的變化的不同心理、生理反映 2、體育競技 o近半個多世紀，人類競技體育的運動水平有了長足的進步，一些以前曾被認為是人類能力的極限相繼被打破。在競技能力的提升方面，高速攝影也功不可沒。 1.網(wǎng)球運動員的擊球動作 2.跳水運動員躍下跳板 人們用高速攝影技術(shù)，分析優(yōu)秀運動員的技術(shù)特色，查找自己運動員的差距和不足，

9、有針對性地改進訓練方法，使競技水平迅速提高。 跳繩的小姑娘 除了體育競技的目的，高速攝影照片本身，也是非常美妙的藝術(shù)作品 3、軍事領(lǐng)域 高速攝影能記錄肉眼難以分辨的瞬間變化，在軍事領(lǐng)域自然也有非常廣泛的用途。 1.可以檢驗（己方）、偵查（敵方）武器性能 2.可以分析爆炸效果 3.研究不同彈速的破壞效果 子彈速度越快，切割平面越平滑 子彈對不同材質(zhì)物體的殺傷效果也能通過高速攝影研究出來。 4、純藝術(shù)攝影 除了以上列舉的明確用途之外，除了以上列舉的明確用途之外，高速攝影也是獲取令人驚異的藝術(shù)高速攝影也是獲取令人驚異的藝術(shù)效果的一種攝影方法效果的一種攝影方法 這不是盛開的虞美人，而是彩色液體濺起的浪

10、花 被高速攝影“凝固”的咖啡 葡萄入水的瞬間 牛奶的浪花 不是水晶，勝似水晶。 水珠濺起的瞬間，是那么的晶瑩剔透。 高速攝影原理o空間分辨率 o時間分辨率o攝影頻率 空間分辨率o影像的空間分辨率也叫解像能力，是表征圖像清晰程度的指標，即是分析圖像細節(jié)的能力?？臻g分辨率一般指在攝影物鏡的像平面上，能測得分辨率板的圖像最小二黑線之間的距離d，它的倒數(shù)N定義為“空間分辨率” （線對mm） 。 空間信息量o一幅圖像有若干個像元組成，不同的攝影系統(tǒng)具有不同的像元數(shù)。假如像元數(shù)為Z，每個像元由于圖像的灰度和色度差別，又分成K個信息級，在信息理論中，把的以2為底的對數(shù)，定義為空間信息量： KZKIZR22l

11、oglogo信息量的單位為比特。對目視而論，人眼能分辨200個左右的灰度級和1000個左右的色度級，這樣對應(yīng)的K值就可達2001000=2105。 173log2K時間分辨率o時間分辨率是表征攝影機曝光時間快慢的指標，是指能夠識別運動物體的最小時間間隔。時間分辨率越小，則可以拍攝像速越快的目標。時間分辨率有兩種度量的方法，即畫幅攝影和掃描攝影。 畫幅攝影o畫幅攝影又分單幅和分幅攝影兩類。對于單幅高速攝影，它的時間分辨率就是指有效曝光時間。o而對分幅高速攝影，它的時間分辨率是兩幅照片之間的時間間隔，也就是攝影頻率的倒數(shù)。 掃描攝影 o狹縫的像寬與膠片速度之比，即o極限時間分辨，對可見光而言為 1

12、0-14秒。 vbT時攝影頻率o普通電影攝影機的攝影頻率為24幅s，而高速攝影機的攝影頻率要搞出很多，約為102109幅s，超高速攝影機的頻率甚至更高。 攝影機類型攝影機類型攝影頻率攝影頻率（幅（幅s） 獲得的幅獲得的幅數(shù)數(shù)拍攝時間拍攝時間總信息總信息量量A間歇式4000-4000-100001000010s-2min10s-2min（bitbits s）B棱鏡補償式4000-4000-16000160002s-30s2s-30s3.23.210108 8C旋轉(zhuǎn)反射鏡式25-20025-2005-50s5-50s4343109109D多幅克爾盒2-202-200.05-0.05-3s3s1.6

13、1.610101111E變像管式2-202-200.1-1s0.1-1s1.51.510101212F網(wǎng)格式30-30030-3002-20s2-20s1.51.510101313典型事件平均持續(xù)時間和獲得的有用畫幅數(shù) 目標或事件持續(xù)時間/s畫幅數(shù)(幀/ks)目標或事件持續(xù)時間/s畫幅數(shù)(幀/ks)分鈔機分鈔過程1.21200擊打高爾夫球及球桿軌跡0.6600內(nèi)燃機燃燒實驗0.7700復(fù)合材料斷裂0.1100輪胎試驗0.4400汽車碰撞試驗（相撞時）0.3300高壓電路斷路器(一個周期) 0.2200安全氣囊充氣 0.03535時間信息量o利用高速攝影來研究事物的運動和變化需要獲得清晰的圖像，

14、也就是獲得豐富的空間信息。但這還不夠，更重要的是高速攝影還要求有精確的時間信息。 o影像的時間信息量同系統(tǒng)的畫幅時間分辨率相關(guān)聯(lián)。o時間信息可以粗略的用攝影頻率來表示，它表征了攝影儀器能夠把物體的運動或變化在時間上分開的能力。o如上所述，對于人眼來說，從接收光信號到這光信號消失需要一定的時間，我們可以認為是1/48s。若比這變化速度更快的運動現(xiàn)象，人眼就分辨不出來了。 o高速攝影，是要求時-空耦合的信息系列，其中突出點是它的時間信息要求。可以說高速攝影機是一個攝影儀器，也是一個記時儀器。o時間信息，就是前后兩畫幅間隔時間的倒數(shù)1T，即拍攝頻率N(每秒鐘拍攝的次數(shù))。o攝影就是取樣，所以攝影頻率

15、就是取樣頻率，它越高則時間分辨率也越高。曝光系數(shù) o在一個畫幅攝影周期中，只有部分時間是在對畫幅進行曝光，其他時間由于設(shè)計或使用上的需要，而有意識的設(shè)法修改光路，縮短曝光時間從而控制運動物體因速度所形成的模糊量，保證一定的成像質(zhì)量。 曝光時間t與畫幅周期T之比 Tto高速攝影系統(tǒng)總的信息量空間信息容量時間信息容量 高速攝影機 o進行高速攝影的機器稱為高速攝影機。o按工作原理分為n光機式n光電子式高速攝影機；o按工作結(jié)果分為：n掃描（條紋）相機n分幅相機；o按拍攝速度分為：n中低速相機n高速相機n超高速相機。 光機式高速攝影機 o所有使用幾何光學原理及高速動作的機械機構(gòu)，實現(xiàn)對快速現(xiàn)象的觀測記錄

16、的設(shè)備，都稱為光機式高速攝影機。o通常又可以十分清晰地分為以下三類：n間歇式n光學補償式n轉(zhuǎn)鏡式o這三種相機的拍攝頻率依次大幅度增高。 間歇式高速攝影機 o相機有一個輸片機構(gòu)、收片機構(gòu)與光學系統(tǒng)。 間歇式電影攝影機o普通間歇式電影攝影機的標準頻率為24幅秒，而間歇式高速攝影機的攝影頻率為1001000幅秒或更高一些。o底片通常長約200300米，持續(xù)拍攝約數(shù)分鐘。o我們通?？吹降捏w育運動的慢動作，早先都是用這類攝影機拍攝的。如果將高速拍攝的膠片用普通的電影機放映，則時間放大率約為440倍，也可以用專門的判讀儀測出運動的多種參數(shù)。 間歇式高速攝影機的主要特點 （1）光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，光能量達到充

17、分利用；（2）空間分辨率比較高，一般為3050線對mm，它比后面講到的棱鏡補償式和轉(zhuǎn)鏡式高速攝影機高1.5倍左右，比變像管高速攝影機高5倍左右；（3）具有較高的畫幅質(zhì)量，畫幅穩(wěn)定性好，便于膠片數(shù)據(jù)分析，并且能提高重放的質(zhì)量。 o以西安光機所研制的70mm間歇式同步高速攝影機系統(tǒng)為例，它是我國第一臺大畫幅、同步、間歇式、高速攝影機，它填補了空白，使我國成為繼美國之后第二個擁有該項技術(shù)的國家。o主要用于拍攝激光制導炸彈、火箭、導彈的三維飛行姿態(tài)和空間參數(shù)的測試，具有畫幅大、精度高、機動靈活的特點。 光學補償式高速攝影機 o為了克服間歇運動的缺點，提高攝影頻率，于是出現(xiàn)了在攝影過程中膠片作連續(xù)運動的

18、型式。o為了能夠使圖像與膠片同步移動，獲得清晰的圖像，因此在光學系統(tǒng)中安置了一個旋轉(zhuǎn)光學元件（如移動的透鏡、旋轉(zhuǎn)的棱鏡或反射鏡），使得影象在曝光時間內(nèi)與膠片同速運動、相對靜止，起到補償像移的作用。o根據(jù)這種工作原理制造的高速攝影機，稱為補償式高速攝影機。 o旋轉(zhuǎn)棱鏡補償式高速攝影機原理示意圖o旋轉(zhuǎn)棱鏡補償式高速攝影機可以按底片運動的方式分為：n牽引輸片式，其膠片總長約200300米，拍攝頻率每秒數(shù)千幅，上限1.1萬幅/秒；n鼓輪式，它的底片固定在一個高速的鼓輪的內(nèi)表面或外表面，片長約1米，拍攝頻率數(shù)萬-數(shù)十萬幅/秒，畫幅總數(shù)數(shù)百-數(shù)千幅。 主要特點 o空間分辨率要比間歇式高速攝影機低，通常為2

19、030線對mm o底片長度通常在30120米之間，最長也有600米的，所得結(jié)果可以放電影 o結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，體積小而造價低廉 高速過程要求的拍攝同步o為了解決精確的同步問題，在這類高速攝影機里一般都設(shè)計有專門的信號裝置，可以在攝影啟動后，經(jīng)過一定的時間或者輸過一定長度的膠片以后，送出一個同步信號，用以激發(fā)需要拍攝的高速現(xiàn)象。o一般遇到特殊的同步要求時，使用單位就要自己配以合適的同步控制裝置。 轉(zhuǎn)鏡式高速攝影機o膠片是靜止的，固定在暗箱內(nèi)一個近似圓弧的片架上o相機的光學系統(tǒng)中有一個處于膠片所在圓圓心的高速旋轉(zhuǎn)反射鏡，它使成像光束相對于膠片高速運動，完成掃描拍攝。o由于反射鏡尺寸可以做得很小，

20、能夠高速旋轉(zhuǎn)，而且出射光線轉(zhuǎn)角是反射鏡轉(zhuǎn)角的2倍，所以其頻率非常高，可以進行超高速攝影 o按照轉(zhuǎn)鏡式高速攝影機所記錄的圖像，一般可分為o掃描（or條紋）相機，記錄某一瞬變?nèi)^程的單張一維掃描照片；o分幅相機，按一定的拍攝頻率（時間間隔），記錄了某一瞬變過程的一系列二維分幅照片 掃描相機o如果在光學系統(tǒng)前設(shè)置一個狹縫，先將目標成像在狹縫上，然后再經(jīng)旋轉(zhuǎn)反射鏡成像在膠片上，則當轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)掃描時會在膠片上形成一個條帶，稱為條紋相機，或因其來自光束在底片上的掃描而稱為掃描相機。1.目標 2.物鏡 3.物象 4.狹縫 5.投影鏡 6.旋轉(zhuǎn)反射鏡 7.工作角 8.掃描像 9.膠片 分幅相機o如果在膠片前面放

21、置一排小透鏡，當反射鏡旋轉(zhuǎn)時，反射光線相繼掃過一系列排透鏡，它們每一個都相當于一架照相機，會在底片上形成一系列二維圖像，構(gòu)成所謂分幅相機。o分幅相機得到的照片在時間-空間上都彼此獨立，每一幅照片反映了目標在某一瞬間的實際形象，相鄰的照片就反映了目標的變化過程。 1.目標 2.物鏡 3.視場光闌 4.一次像 5.場鏡 6.中間像 7.旋轉(zhuǎn)反射鏡 8.分幅透鏡 9.膠片 10.像 o光機式高速相機在20世紀70年代末已經(jīng)發(fā)展得十分成熟，由于它們的拍攝速度都分別達到了它們所使用的機構(gòu)和材料的極限，所以自80年代以來這三類相機的技術(shù)沒有什么顯著的進步。 o我國自60年代初開展高速攝影技術(shù)的研究，到80

22、年代初，已經(jīng)成功地研制了上述各類相機并且達到了國際先進水平，打破了當時的禁運，滿足了國防科研的需要。 光電子式高速攝影機 o所有使用電光、光電效應(yīng)以及脈沖電光源的高速相機，統(tǒng)稱為光電子類高速攝影機。o這種攝影類型還可以細分為：o 脈沖照明高速攝影o 電光高速攝影o 變像管高速攝影等。 脈沖照明高速攝影 o在暗環(huán)境中利用極短的曝光時間，使動態(tài)目標瞬變過程某一時刻的圖象凍結(jié)，并記錄在膠片上，從而獲得清晰的圖象。這與我們?nèi)粘Ｔ诠饩€暗的場合使用閃光燈拍照類似，只是所使用的閃光的持續(xù)時間要短得多。 閃光高速攝影o曝光時間就是光脈沖的寬度。o一般火花放電的持續(xù)時間可以短至納秒（10-9秒），而激光脈沖則可

23、以短至皮秒（10-12秒）及飛秒（10-15秒）。o如果使用依次放電的火花隙陣列或者序列激光脈沖，也可以獲得多幅照片。射線高速攝影o使用X射線、電子（中子）束脈沖閃光。o射線高速攝影可以透視拍攝某些利用可見光無法直接觀察、記錄的快速現(xiàn)象，如：炮筒內(nèi)炮彈的運動等，也可以避開煙霧、火光的干擾。 克爾盒高速攝影機o某些液體，例如硝基苯、二硫化碳等，在電場中有雙折射現(xiàn)象，電場消失后這種現(xiàn)象也很快消失，稱為“Kerr電光效應(yīng)”。o在一對正交的偏振片中間放置一個能施加電場的充有這類液體的的克爾盒，就構(gòu)成一個快門。o不加電場時，這個快門是不透光的，即快門關(guān)閉；當加一合適的電場時，這個快門就透光了。o克爾盒快

24、門打開的持續(xù)時間取決于電場存在的時間，即加在克爾盒上的高壓電脈沖的寬度，通常為納秒（10-9秒）量級。o當使用二硫化碳液體并用脈沖激光的電場驅(qū)動時，可以達到皮秒（10-12秒）量級。o1964年，我國第一顆原子彈爆炸時，我們就使用了自己研制的三臺克爾盒高速相機，獲得了珍貴的核爆的早期照片。o另外，也可以用某些晶體的電致雙折射效應(yīng)構(gòu)成一個高速快門，用于高速攝影。o類似地，還可以利用法拉第磁光效應(yīng)構(gòu)成快門，不過因為磁場建立較慢，曝光時間較長。變像管高速攝影o光機式高速攝影機的拍攝速度，受到其高速運動零部件的機械強度和慣性的限制，已經(jīng)達到了極限值。o為了進一步提高拍攝速度，人們使用了一種光電成像器件變像管，利用慣性極小的電子束在電磁場作用下的通、斷與掃描實現(xiàn)高速攝影。JTG-305型通用高速攝影變像管結(jié)構(gòu)1.光電陰極 2.快門電極 3.聚焦電極 4.陽極 5.花樣偏轉(zhuǎn)器 6.熒光屏 變像管的優(yōu)點第一，它可以實現(xiàn)波長變換。依靠使用不同的光電陰極，可以將紅外圖像、紫外圖像及X射線影像轉(zhuǎn)化為可見光圖像。第二，利用在