高速攝像簡述

千里之行，始于腳下。第2頁/共2頁精品文檔推薦高速攝像簡述一.高速攝像概述

術(shù)語“高速攝影”、“高速攝像”很簡單被人們直觀地理解。那就是用不同制式的相機(jī)以很高的速度一幅一幅地（即攝影頻率）來拍攝迅速運(yùn)動的物體，將物體的運(yùn)動變化過程記錄下來。高速攝影是采納膠片作為記錄介質(zhì)，而高速攝像則是采納非膠片的攝影，使用的記錄介質(zhì)為存儲器和磁盤，光敏器件為固體圖像傳感器。前者浮現(xiàn)較早，技術(shù)成熟，但后者進(jìn)展快速，大有取代前者而成為現(xiàn)代主流相機(jī)的趨勢。因此，談到高速攝像就不能不提到高速攝影，本章在簡要回顧高速攝影歷史軌跡的同時，著重對高速攝像舉行概述。

當(dāng)我們觀察體育運(yùn)動的電影時，經(jīng)?？吹竭\(yùn)動員各種慢動作的特寫鏡頭，高速攝影能更好地體現(xiàn)這種藝術(shù)效果。攝影作為一種藝術(shù)，已得到廣泛的應(yīng)用，它的實(shí)質(zhì)是記錄空間兩維信息的一種辦法。我們知道當(dāng)用相機(jī)拍攝迅速運(yùn)動的物體時，如近距離拍攝高速行駛的摩托車，即使采納極短的曝光時光，也往往得不到清楚的照片。其緣由是在曝光時光內(nèi)，物體的影像在底片上發(fā)生了移動，沒有實(shí)現(xiàn)影像的“凍結(jié)”。此外，為了討論分析迅速運(yùn)動的過程，要求得到一系列不同時刻的延續(xù)畫幅。因此，“高速攝影”這個詞就包含著兩個內(nèi)容：一個是以很高的攝影頻率獲得一系列畫幅；另一個是每個畫幅的曝光時光極短，把迅速運(yùn)動物體的影像凍結(jié)在記錄介質(zhì)上。

人眼的視網(wǎng)膜有1/24ｓ的視覺暫留效應(yīng)，所以人眼的時光辨別能力（辨別率）惟獨(dú)1/24ｓ。電影攝影與放映的頻率選為24幅／ｓ，正是利用這一特點(diǎn)，以不延續(xù)的放映使人獲得延續(xù)的感觸。但對于許多瞬變現(xiàn)象，受到眼睛時光辨別率的限制，我們卻只能看１到變化前后的結(jié)果，而看不清過程。高速攝影是一種

以高于電影拍攝頻率攝影的技術(shù)，當(dāng)拍攝結(jié)果以電影放映頻率放映時，現(xiàn)象的變化就被放慢了。

二.高速攝影的定義

最初XXX的電影與電視工程師學(xué)會（SMPTE）建議高速攝影定義為：攝影的曝光時光小于等于１ｍｓ，攝影速度大于或等于250幅／ｓ。后來充分考慮到各個方面修改為（fuller，1994）：以足夠短的曝光時光和足夠快的攝影速度記錄光學(xué)及光電信息，獲得的空間和時光辨別率應(yīng)滿足試驗者的需求。2023年在XXX召開的第26屆國際高速攝影和光子學(xué)會議把高速攝影的定義修改為：速度大于128幅／ｓ，可延續(xù)獲得３幅以上的攝影。

三.高速攝影的歷史

高速攝影已有100多年的歷史。其按記錄原理可分為３類：20世紀(jì)60年月的化學(xué)技術(shù)（膠片）、70年月浮現(xiàn)的磁帶技術(shù)和當(dāng)代的半導(dǎo)體技術(shù)，這一技術(shù)已成為高速相機(jī)的主流。

１．膠片攝影的歷史

高速攝影是由英國化學(xué)家、語言學(xué)家及攝影先驅(qū)亨利·塔爾博特（HenryTalbot）完成的。1851年，塔爾博特將《倫敦時報》的一小塊版面貼在一個XXX上，讓XXX在一個暗室里迅速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)XXX旋轉(zhuǎn)時，塔爾博特利用來自萊頓電瓶（這是一種能聚攏電荷的容器，就是現(xiàn)在的電容器的前身）的閃光（速度為1/2000ｓ），拍攝了幾平方厘米的原版面。終于獲得了清楚的圖像，它好似是從一種靜止的實(shí)體上拍下來的，但實(shí)際上卻是運(yùn)動中的實(shí)體。那時的記錄介質(zhì)是采納“珂羅酊濕版法”制成的玻璃干板，即在玻璃板上鍍上感光材料，其敏

感度十分低，大約在ASA4左右，在一般照明條件下，曝光時光達(dá)數(shù)秒鐘以上。鏡頭的光圈大約是F32，但攝影十分勝利。

1856年，F(xiàn)oucault以及隨后眾多人對波陣面及其在透亮?????介質(zhì)中振動影響的討論，導(dǎo)致了紋影攝影術(shù)（schlierenphotography）的浮現(xiàn)。

1861年，在倫敦附近舉行了一次實(shí)驗。實(shí)驗采納陰影攝影

（shadowgraphs）來獵取彈丸飛翔的照片，彈丸從照相機(jī)和100μｓ的照明光源中間穿過，采納短時光的照明，使彈丸在底片上成像。

1867年,AlfredA.Pollock制成可以在旋轉(zhuǎn)的圓盤上得到50幅照片的相機(jī)，同時又指出假如膠片的敏捷度足夠高，像人和動物的運(yùn)動過程都可以記錄下來。

1871年發(fā)明白“溴化銀明膠干板法”，干板的曝光時光降低到幾非常之一秒，為拍攝運(yùn)動物體提供了較便利的條件。

1872年，攝影師EadweardMuybidge受加州州長LelandStanford委任，到加利福尼亞解決關(guān)于奔馳快馬的腳步問題，以平靜爭辯。爭辯的一方稱馬總是至少有一個腳是在地上，而另一方認(rèn)為在眨眼全部的腳都不著地。Mubridge設(shè)計了一套攝影系統(tǒng)，用絲線同時控制多臺相機(jī)的快門，得到了一系列在黑群背景下白馬奔走的照片。

1874年，法國宇航員PierreJulesCesarJennsen設(shè)計了一種自動相機(jī)，用來拍攝金星的運(yùn)動軌跡。相機(jī)70s可拍攝８幅照片，圖像記錄在圓形的照相銀板盤上，照相盤由發(fā)條裝置驅(qū)動。

1882年，Dr.EtinneJulesMarey使這種自動相機(jī)得到了改進(jìn)，稱為照相槍。這種相機(jī)最初每秒可拍攝12幅照片，曝光時光為1/720s，記錄介質(zhì)為玻璃干板。后來膠片代替了玻璃板，曝光時光達(dá)到1/1000ｓ，速度可達(dá)100幅／ｓ。

他還發(fā)明白一種用唱針把聲音記錄在旋轉(zhuǎn)柱面上的裝置，這和后來的示波器記錄原理相同。

1884年，普魯士攝影師發(fā)明白焦平面快門的便攜式攝影機(jī)，其曝光時光可達(dá)1/1000ｓ。1886年他又發(fā)了寬銀幕電影系（schnellseher），用來觀察12個到14個攝影機(jī)獲得的圖像。

早期攝影的進(jìn)展同放映機(jī)的發(fā)明緊密相連JosephAntoineFerdinandPlateau在1829年提出了視覺暫留理論，并在1832年設(shè)計了放映機(jī)，1853年放映機(jī)得到了普遍的應(yīng)用。

1893年ThomasAlvaEdison（愛迪生）發(fā)明白活動電影放機(jī)。1893年—1894年Ｃ．FrancisJenkins發(fā)明的電影放映機(jī)是當(dāng)今電影放映機(jī)的前身。

1939年—1945年二戰(zhàn)，戰(zhàn)斗期間推進(jìn)了XXX事討論的進(jìn)展。幾種延續(xù)補(bǔ)償式相機(jī)相繼在XXX、英國、法國、德國被研制出來；XXX的Genkins，德國的AEG和Thun，法國的Merlin和Gerin，英國的Vinten等廠家都著手于Maskelyne轉(zhuǎn)鏡式相機(jī)的討論，德國研制出了一種新式Zeisslkon16mm和35ｍｍ轉(zhuǎn)鏡相機(jī)。二戰(zhàn)期間為主的相機(jī)是Fastax和Eastman相機(jī)，F(xiàn)astax相機(jī)最大速度可達(dá)800幅／ｓ（分幅可達(dá)6000幅／ｓ）。為了記錄XXX的爆炸、炮彈的飛翔和降臨傘的張開等過程的需要，浮現(xiàn)了速度為250幅／ｓ的Debrie（法國）和Zeiss（德國）35ｍｍ間歇式相機(jī)。其中被公認(rèn)為最快的相機(jī)是Vinten有限公司的HS300，速度為275幅／ｓ，快門曝光時光范圍為100μｓ至２ｍｓ，并在膠片邊緣上記錄有音叉振蕩器得到的50Ｈｚ時標(biāo)信號，獲得了較高的計時精度。二戰(zhàn)期間為了討論炮彈的飛翔和XXX的爆炸狀況，浮現(xiàn)了一些使用特別膠片規(guī)格、不同記錄方式的新式專用相機(jī)。比如Bowen條紋相機(jī)

（ribbonframecamera）和單幅畫面的YOC（YawObservationCamera）高速相機(jī)。YOC相機(jī)是彈道同步相機(jī)（ballisticsynchro）的前身。由于這種技術(shù)不僅可記錄高速運(yùn)動目標(biāo)的細(xì)節(jié)，而且可給出目標(biāo)的速度、轉(zhuǎn)速和姿勢等數(shù)據(jù)，因此直到今天還向來在使用。

一般電影攝影機(jī)因為曝光時光太長、幀速過慢，不能用于諸如子彈、XXX、等離子體中微秒級至毫微級大事的分析討論，于是一種在迅速旋轉(zhuǎn)鼓輪四面裝上短尺寸膠片的相機(jī)產(chǎn)生了，從而獲得離散延續(xù)的圖像。該相機(jī)在250μｓ時光內(nèi)幀速可達(dá)250000幅／ｓ。1940年至1945年間，英國研制出了超高速轉(zhuǎn)鏡攝影機(jī)（Miller相機(jī)）。該相機(jī)畫幅為20ｍｍ，速度為２百萬幅／ｓ，畫幅為８ｍｍ，時速度可達(dá)８百萬幅／ｓ，時光辨別率為１×１０－８ｓ。XXX的BeckmanWhitley和Cordin公司也都相繼生產(chǎn)了相像的Miller相機(jī)。20世紀(jì)80年月，Cordin仍在大量生產(chǎn)35ｍｍ和70ｍｍ鼓輪轉(zhuǎn)鏡式相機(jī)，速度為（1000～20000000）ｒ／ｓ，能記錄８ｍｍ～８０ｍｍ的高質(zhì)量彩群和黑白圖像。

戰(zhàn)后，AcmadeLimitedofDwnham創(chuàng)造出一種特別的35ｍｍ旋轉(zhuǎn)棱鏡相機(jī)。在３個互換旋轉(zhuǎn)棱鏡作用下，速度可達(dá)2000幅／ｓ，兩分幅后速度可達(dá)4000幅／ｓ，四分幅后速度可達(dá)8000幅／ｓ。

1955年—1975年，XXX國防航空航天管理局（ＮＡＳＡ）為了空

間技術(shù)的討論，設(shè)計研制了速度為500幅／ｓ的新型間歇式攝影

機(jī)，以適應(yīng)惡劣環(huán)境下工作。期間DBMilliken、Mitchell、Photosonics、RedLake四個廠家都生產(chǎn)16ｍｍ相機(jī)。Photosonics也研發(fā)了35ｍｍ和70ｍｍ系列的高速相機(jī)，并配以半自動和全自動跟蹤架。

直至20世紀(jì)60年月，以AWRE、Barr、Steoud以及BeckmanWhitley為代表的轉(zhuǎn)鏡式相機(jī)始終主宰著超高速攝影領(lǐng)域。

２．電子成像技術(shù)的進(jìn)展

光學(xué)機(jī)械式高速攝影機(jī)雖然工作穩(wěn)定牢靠，像質(zhì)較好，使用面廣，但是在時光分辯率方面要有更大的提高是有困難的。1949年Counteyprett教授利用電與磁的作用使電子束偏轉(zhuǎn)掃描，以達(dá)到比光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)大得多的掃描速度。研制了一只變像管，時光辨別率為（10－７～10－８）ｓ。

20世紀(jì)50年月，電子攝像管可在相對暗背景下記錄單幅高質(zhì)量圖像。XXX，XXX空間技術(shù)試驗室研制出了STL變像管高速攝影機(jī)。它由光電陰極、電子透鏡和熒光屏組成。記錄介質(zhì)為（４×５）英寸Polaroid或一般膠片，可產(chǎn)生三幀延續(xù)圖像，每幅大小為17ｍｍ×25ｍｍ，辨別率為12對線／ｍｍ，速度為（200～2000000）幅／ｓ，時光辨別率可達(dá)0.5ｎｓ，觸發(fā)至第一幅圖像之間的延遲僅為12ｎｓ。

1969年,Imacon相機(jī)問世,HadlandPhotonics有限公司和Imco光電有限公司因此在圖像轉(zhuǎn)換領(lǐng)域成為領(lǐng)頭羊，創(chuàng)造出一大批幀速率為（10000～600000000）幅／ｓ、掃描時光辨別力為２ｐｓ的高速攝像系統(tǒng)。

３．磁帶記錄的歷史

1884年，PaulNipkow提出了原始ＴＶ系統(tǒng)的原理。

1897年，德國人Braun研制出陰極管。一年后，Braun提出了磁信號存儲原理。此后，視頻磁帶記錄原理沒有根本上的制造，僅是技術(shù)上的長進(jìn)。直到1923年，Zworykin獲得了映像管專利，一種高敏感ＣＲＴ取代了Nipkow的圓盤，這種技術(shù)同Braun的ＣＲＴ相結(jié)合形成了當(dāng)初的電視系統(tǒng)。

20世紀(jì)30年月德國的電子和化學(xué)技術(shù)很發(fā)達(dá)，從而推進(jìn)了

磁帶錄音機(jī)的進(jìn)展。1928年FritzPfleumer獲得磁帶（在膠帶上涂上磁粉）的專利，經(jīng)過幾年的討論探究，1935年Basf和Telefunken制作的磁帶錄音機(jī)在柏林電臺展示，使得磁帶錄音機(jī)成了磁帶記錄機(jī)的通用名詞。BingCrosby在消遣行業(yè)是行家里手，他的公司終于完成了一種高品質(zhì)的磁帶記錄機(jī)。那時，一個高品質(zhì)的聲音要求磁帶的速度是（10～20）ｃｍ／ｓ，作為視頻記錄需要更高的帶寬。那時磁帶較寬，并使用多個并行磁頭。1951年BingCrosby研制的系統(tǒng)使用了12個磁頭，磁帶速度為2.5ｍ／ｓ。ＲＣＡ在1953年僅用了３個磁頭，速度為９ｍ／ｓ。商業(yè)的螺旋掃描Ampex視頻磁帶記錄機(jī)在1956年完成。同年，ＩＢＭ公司研制出磁盤內(nèi)存電腦。

從1970年開頭，XXX生產(chǎn)出了許多以常速記錄的高質(zhì)量彩群／黑白圖像、曝光時光為100μｓ的相機(jī)。兩種真正的慢速運(yùn)動分析系統(tǒng)是XXX的ＮＡＣｓ

av200和XXX的Instar相機(jī)，他們都是對一般視頻記錄系統(tǒng)的改進(jìn)型。

1980年12月，XXXEastmanKodak公司生產(chǎn)出SP2000視頻運(yùn)動分析系統(tǒng)。從而真正開頭了視頻運(yùn)動分析系統(tǒng)的研制和廣泛應(yīng)用。

1986年，使用微處理器控制磁帶記錄的Ektapro系列1000取代了SP2000，它的速度范圍是（25～1000）幅／ｓ，分幅后速度可達(dá)6000幅／ｓ。它的性能雖比不上SP2000系統(tǒng)，但造價約比SP2000系統(tǒng)少1/2以上。

４．半導(dǎo)體相機(jī)的進(jìn)展

由計算機(jī)來存儲和處理圖像，是在計算機(jī)進(jìn)展到大約第三代電腦的時候。在20世紀(jì)90年月，基于ＰＣ的高速相機(jī)結(jié)束了基于視頻磁帶的高速相機(jī)的統(tǒng)治。20世紀(jì)70年月的ＴＶ和視頻相機(jī)體積大而且不便利攜帶，半導(dǎo)體ＴＶ傳感器的

浮現(xiàn)轉(zhuǎn)變了這一切。目前，多數(shù)主流相機(jī)都是基于ＣＣＤ和ＣＭＯＳ技術(shù)。在20世紀(jì)90年月，半導(dǎo)體和電腦技術(shù)使得基于電腦的高速相機(jī)成為可能。ＰＣ的內(nèi)存大小和ＣＰＵ的速度隨時光的推移不斷地提高，終于高速相機(jī)能夠使用自身的半導(dǎo)體內(nèi)存。數(shù)字存儲運(yùn)動分析系統(tǒng)比如XXX視頻討論機(jī)構(gòu)生產(chǎn)的PhantomV2.0，相對于磁帶存儲系統(tǒng)來說有許多優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)可延續(xù)存儲圖像，當(dāng)空間不足時，最早存儲的圖像則釋放掉，以保證繼續(xù)存儲。圖像在存儲過程中，可挑選性地存儲所要保存的部分。該系統(tǒng)滿辨別率的攝像速度可達(dá)500幅／ｓ。

1989年問世的Ektapro1000EM是一種固態(tài)電子存儲系統(tǒng)，可以1000幅／ｓ的速度存儲1200幀信息，或以6000幅／ｓ存儲7200幅分幅圖像信息，滿畫幅可延續(xù)記錄1.2ｓ，可以手動控制，也可遙控。

1993年浮現(xiàn)的EktaproHS4540運(yùn)動分析系統(tǒng)使幀速提高至4500幅／ｓ。系統(tǒng)采納數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)，可在電存儲器里存儲5152幅圖像，這些數(shù)字圖像可即刻從存儲器里重放。該系統(tǒng)的傳感器大小為（256×256）像元，傳感器的敏捷度為ＩＳＯ3000，可由ＲＳ232／ＩＥＥ接口同計算機(jī)舉行通信。因為使用了ＰＣ，高速相機(jī)的價格降到了一個新的水平。高速影像通常記錄時光不長，大多數(shù)都是在幾秒的時光內(nèi)。當(dāng)大事結(jié)束后相機(jī)停止工作，圖像采納循環(huán)記錄的工作方式。視頻磁帶記錄儀可以長時光記錄，但磁帶須（５～20）ｍｉｎ左右時光來重繞，而半導(dǎo)體相機(jī)能夠延續(xù)記錄，并當(dāng)大事結(jié)束后相機(jī)就停止。但ＰＣ的存儲空間、顯示、硬拷貝設(shè)備和后期處理都很便利簡單。在21世紀(jì)開頭到現(xiàn)在（2023年），實(shí)際上全部高速相機(jī)都是基于ＰＣ，沒有什么大的顯然轉(zhuǎn)變，只是速度