Введение
Высокоскоростная камера – это устройство, способное фиксировать движущиеся изображения с выдержкой менее одной секунды или частотой кадров более 250 кадров в секунду. Она используется для записи быстродвижущихся объектов в виде фотографических изображений на носитель информации. После записи изображения, хранящиеся на носителе, могут воспроизводиться в замедленном режиме. Первые высокоскоростные камеры использовали фотопленку для записи быстропроисходящих событий, но их заменили полностью электронные устройства, использующие датчик изображения (например, ПЗС – прибор с зарядовой связью (CCD) или АПЗС – датчик активных пикселей MOS (APS)), которые обычно записывают более 1000 кадров в секунду в DRAM для последующего медленного воспроизведения и изучения движения при научном исследовании переходных процессов.
A high speed camera is a device capable of capturing moving images with exposures of less than second or frame rates in excess of 250 frames per second. It is used for recording fast moving objects as photographic images onto a storage medium. After recording, the images stored on the medium can be played back in slow motion. Early high speed cameras used photographic film to record the high speed events, but have been superseded by entirely electronic devices using an image sensor (e. g. a charge coupled device (CCD) or a MOS active pixel sensor (APS)), recording, typically, over 1 000 frames per second onto DRAM, to be played back slowly to study the motion for scientific study of transient phenomena.
Использование в телевидении
В шоу "Разрушители мифов" широко используются высокоскоростные камеры для измерения скорости или высоты. Рубрика "Time Warp" (Замедленная съемка) была основана на использовании высокоскоростных камер для замедления событий, которые обычно слишком быстры для восприятия невооруженным глазом. Высокоскоростные камеры часто применяются при телевизионных трансляциях крупных спортивных мероприятий для создания замедленных повторов, когда обычного замедления недостаточно, например, во время международных матчей по крикету.
Применение в науке
Высокоскоростные камеры часто используются в науке для характеристики событий, происходящих слишком быстро для традиционных скоростей съемки. Биомеханика использует такие камеры для регистрации быстрых движений животных, таких как прыжки лягушек и насекомых, вытягивание пищи у рыб, удары креветок-богомолов и аэродинамическое изучение движений голубей, напоминающих полет вертолета, с использованием анализа движения последовательностей, полученных с одной или нескольких камер, для характеристики движения в 2D или 3D. Переход от пленочной к цифровой технологии значительно упростил использование этих технологий при изучении непредсказуемого поведения, особенно благодаря непрерывной записи и последующему запуску записи по событию. При использовании пленочных высокоскоростных камер исследователю необходимо начинать съемку, а затем пытаться спровоцировать животное на выполнение нужного действия в короткий промежуток времени до окончания пленки, что часто приводило к большому количеству бесполезных записей, где животное действовало слишком поздно или вообще не действовало. В современных цифровых высокоскоростных камерах камера может просто непрерывно записывать, пока исследователь пытается вызвать нужное поведение, после чего нажатие кнопки запуска останавливает запись и позволяет сохранить заданный интервал времени до и после момента запуска (определяемый частотой кадров, размером изображения и объемом памяти при непрерывной записи). Большинство программных средств позволяют сохранять только часть записанных кадров, минимизируя проблемы с размером файла за счет удаления ненужных кадров до или после интересующей последовательности. Такой запуск по событию также может использоваться для синхронизации записи с нескольких камер. Взрыв щелочных металлов при контакте с водой изучался с помощью высокоскоростной камеры. Покадровая съемка взрыва сплава натрия и калия в воде, в сочетании с молекулярно-динамическим моделированием, позволила предположить, что начальное расширение может быть результатом кулоновского взрыва, а не сгорания водорода, как считалось ранее. Цифровые кадры с высокоскоростных камер внесли значительный вклад в понимание природы молнии в сочетании с измерительными приборами электрического поля и датчиками, которые могут отображать распространение лидеров молнии путем обнаружения радиоволн, генерируемых этим процессом.
The move from film to digital technology has greatly reduced the difficulty in use of these technologies with unpredictable behaviors, specifically via the use of continuous recording and post triggering. With film high speed cameras, an investigator must start the film then attempt to entice the animal to perform the behavior in the short time before the film runs out, resulting in many useless sequences where the animal behaves too late or not at all. In modern digital high speed cameras, the camera can simply record continuously as the investigator attempts to elicit the behavior, following which a trigger button will stop the recording and allow the investigator to save a given time interval before and after the trigger (determined by frame rate, image size and memory capacity during continuous recording). Most software allows saving a subset of recorded frames, minimizing file size issues by eliminating useless frames before or after the sequence of interest. Such triggering can also be used to synchronize recording across multiple cameras. The explosion of alkali metals on contact with water has been studied using a high speed camera. Frame by frame analysis of a sodium/potassium alloy exploding in water, combined with molecular dynamic simulations, suggested that the initial expansion may be the result of a Coulomb explosion and not combustion of hydrogen gas as previously thought. Digital high speed camera footage has strongly contributed to the understanding of lightning when combined with electric field measuring instrumentation and sensors which can map the propagation of lightning leaders through the detection of radio waves generated by this process.
Применение в промышленности
При переходе от реактивного обслуживания к прогнозирующему крайне важно глубокое понимание причин поломок. Один из основных методов анализа – использование высокоскоростных камер для регистрации событий, происходящих слишком быстро для визуального восприятия, например, в процессе производства. Аналогично научным исследованиям, благодаря возможности предварительного или последующего запуска, камера может непрерывно вести запись, пока механик ожидает возникновения поломки. После этого сигнал запуска (внутренний или внешний) остановит запись, позволяя исследователю сохранить определенный временной интервал до момента запуска (определяемый частотой кадров, размером изображения и объемом памяти при непрерывной записи). Некоторые программные средства позволяют просматривать проблемы в реальном времени, отображая лишь часть записанных кадров, что минимизирует размер файлов и время просмотра за счет исключения ненужных кадров до или после интересующей последовательности. Высокоскоростные видеокамеры используются в дополнение к другим промышленным технологиям, таким как рентгеновская радиография. При использовании с подходящим люминофорным экраном, преобразующим рентгеновское излучение в видимый свет, высокоскоростные камеры могут фиксировать высокоскоростное рентгеновское видео событий, происходящих внутри механических устройств и биологических образцов. Скорость съемки в основном ограничена временем затухания и усилением интенсивности люминофорного экрана, что напрямую влияет на экспозицию камеры. Импульсные источники рентгеновского излучения ограничивают частоту кадров и требуют точной синхронизации с моментом захвата кадров камерой.
Использование в военных целях
В 1950 году Мортон Султанов, физик армии США на Абердинском полигоне, изобрел сверхскоростную камеру, снимавшую кадры с экспозицией в одну миллионную долю секунды и достаточно быструю для регистрации ударной волны небольшого взрыва. Высокоскоростные цифровые камеры использовались для изучения поведения мин, сбрасываемых с воздуха, при развертывании в прибрежных зонах, а также при разработке различных систем вооружения. В 2005 году высокоскоростные цифровые камеры с разрешением 4 мегапикселя и частотой записи 1500 кадров в секунду стали заменять 35-мм и 70-мм высокоскоростные пленочные камеры, использовавшиеся на следящих установках на испытательных полигонах для фиксации баллистических перехватов.