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                    每秒4.4萬億幀!這樣的高速攝影太恐怖

                  3. 時間:2021-05-13 11:22:48瀏覽量:625來源:管理員
                  4. 你可能知道電影是什么時候誕生的,但未必知道它們是如何在你眼里成為連貫的影片的——原因就在于電影在攝影和放映時,都會將幀率調整為24幅/s,這個參數與人眼的時間分辨能力是一致的,因此雖然電影是不連續放映的,但在人眼看來卻形成了連貫的影像。

                    也正因為人眼有這么一個局限,使得一些更高速的運動,人眼就無法完全捕捉了,這時候我們就需要借助外力,讓動作變慢,以確保可以完整觀看到——高速攝影技術,就是為此應運而生的產物。


                    高速相機的原理

                    想要進行高速攝影,就需要依靠高速相機,后者是工業相機的一種,具有高圖像穩定性、高傳輸能力和高抗干擾能力的優勢。不過在成像原理上,工業相機與民用相機是沒有區別的,都是依靠把光學圖像信號轉變為電信號,以實現存儲和傳輸的目的。而目前使用的最廣泛的就是CCD或CMOS芯片。在這里我們簡單描述一下二者的不同之處。

                    CCD即電荷耦合器,是一種特殊的半導體材料,由大量獨立的光敏元件按矩陣排列而成,通常以百萬像素為單位,而像素多少也就意味著CCD上有多少感光組件。在進行拍攝時,景物反射的光線通過相機的鏡頭透射到CCD上,被轉換成電荷(每個元件上的電荷量取決于它所受到的光照強度),再由控制芯片利用感光元件中的控制信號線路對光電二極管產生的電流進行控制,將一次成像產生的電信號收集起來,統一輸出到放大器,經過放大和濾波后的電信號被送到A/D(模/數轉換器),經其處理后變成數字信號,最終壓縮后存入緩存內,形成最終的照片。

                    而CMOS和CCD一樣都是可用來感受光線變化的半導體,但它屬于互補性金屬氧化物半導體,可細分為被動式與主動式兩種。CMOS本身是計算機上采用的一種主要芯片,1999年首次被XirLink公司做成影像傳感器推向市場,其核心結構上的每個像素點由一個感光電極、一個電信號轉換單元、一個信號傳輸晶體管,以及一個信號放大器所組成,當CMOS感受到光線之后,會經光電轉換后使電極帶上負電和正電,前者的互補效應會產生電信號,再被A/D轉換器上再被處理芯片記錄和解讀成影像數據。

                    高速攝像技術是重點

                    然而僅僅是高速相機還不足夠,高速攝影技術也是必不可少的手段。其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,高速攝影提供了一個耦合的時空信息系列,其中空間信息用圖像來表示,時間信息用拍攝頻率來表示。

                    總的來說,高速攝影是一種拍攝速度很快,曝光時間很短的一種攝影方法,再依靠“快攝慢放”的技術,最終將快速變化的運動過程放慢到人眼的視覺的時間分辨程度,使人能夠得以觀察。而這也就意味著在高速攝影時,其拍攝頻率(幀/秒)必須與物體運動變化的速率達到同步,變化越快的運動會要求越高的拍攝頻率。


                    值得一提的,閃光在高速攝影中的作用是最重要的,人類歷史上第一次真正意義的高速攝影就是靠速度為1/2000秒的閃光拍攝出了“靜止”的運動畫面,此外,2008年美國人塞勒所拍攝的子彈穿過香煙的照片,雖然其使用的尼康D90相機快門速度最高只有1/4000秒,遠遠跟不上300m/s左右的子彈的速度,但是操作者通過先將快門提前打開一秒,借由子彈觸發激光束點亮2萬伏微秒級的閃光燈,并在閃光燈閃亮的那一刻完成拍攝,從而完成了對于該照片的捕捉——因為當閃光以微秒計的時候,即便快門時間以秒計,最終保存在傳感器上的仍舊只有閃光下的幾微秒的圖像而已,這就使得高速運動中的物體能夠被清晰的捕捉下來。

                    高速攝影最新成果——每秒4.4萬億!

                    最初在相機曝光需要達到數十分鐘的時代,以秒計數就已經可以被稱為是高速攝影,但到了當下,高速攝影起點就定在了數千分之一秒左右,甚至幾億分之一秒甚至幾兆分之一秒的也不罕見了,而據最新的消息顯示,日本有科學家開發出了一種新型的高速相機,其光敏元件幀間隔達每秒4.4萬億幀,足以領先之前的高速相機一千倍之多。而之所以能夠實現這樣的效果,原因在于其使用了一項名為“連續定時全光學映射攝影”的技術,簡單來說其是一個基于運動的飛秒成像攝影術,即先對拍攝目標的空間輪廓進行光學映射,再使用脈沖模式相機發出極短的單脈沖串進行圖像采集,因而能夠實現一次成像,而無需像之前一樣反復測量。

                    而由于在傳感器面積一定的情況下,視頻的兩大主要參數——幀率與分辨率之間存在一定的制衡,因此當幀率提高,那么分辨率就會下降,這也是為何這款超高速相機拍攝的照片分辨率只有450×450的緣故。


                    而4.4萬億這個數字,是在該成果得到的影片幀率為229fs的基礎上計算得來的,fs是指飛秒,即千萬億分之一秒,而1/229fs則就等于4.36萬億,而事實上,這個數字也只能被計算出來,因為它已經無法被測量了。

                    高速攝影能上知天文下知地理

                    高速攝影目前最廣泛的應用,是安裝在流水線上代替人工來進行監測,其通過數字圖像拍攝目標后轉換成圖像信號(采集),再傳送給專用的圖像處理系統(傳輸),然后圖像處理系統再對這些信號進行各種運算來抽取目標特征(計算),最后依據判別結果控制現場設備(反饋)。

                    舉個例子,當流水線在灌裝飲料時,速度這項指標非常重要,因為過快會導致瓶身爆裂,過慢就會增加耗時與成本,想要達到最完美的成果,就需要確定最合適的速率,而這就要借助于高速攝影來實現了。


                    除此之外,高速攝影還廣泛應用于軍事(例如彈道分析)、制藥(細胞運動)、影視(動畫特效)、化工(噴流流體分析)、印刷(檢測高速印刷時可能存在的印刷缺陷)等行業,而在超高速相機的輔助下,還可以實現對化學反應瞬間、等離子體動力學、晶格振動波、熱傳導等現象進行拍攝。例如美國人就以每秒1000億幀的速率拍攝下了光在鏡面上反射的過程(見上圖)。

                    比起工業用途,民用高速攝影往往更富創造性

                    由于高速相機屬于工業用相機,因此很多人可能會連帶認為高速攝影不能夠應用于個人和民用市場,但這是錯誤的。比如最受大眾用戶歡迎的拍照設備iPhone 6,它就可以720P的分辨率下拍攝240fps的視頻,而定位極限運動愛好者的GoPro也同樣可以實現高速拍攝,雖然它們不如工業用高速相機那么專業和極致,但已經足夠用戶驚嘆一聲“Cool”了。


                    一般來說,常見的高速攝影場景,包括對于運動中的孩子或寵物的動作捕捉,像蕩在秋千上的小孩、滑雪場上騰空翻滾的英姿、高速飛行的鳥類等等,之前有人用iPhone 6的高速攝影功能拍攝過一只剛從水里出來的狗甩動身體的動作,狗的皮膚就伴隨著身體的動作來回甩動,非常有趣。


                    或者你也可以自己嘗試拍攝水與火這兩種高速攝影常見的題材,比如往空杯子里倒水,或者是點燃一個乒乓球——然后你就會發現這些原本轉瞬即逝,甚至你以為無法被看到和記錄的東西,它們不但富有著別樣的精彩,也可以成就你的個性化攝影佳作。


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