高速攝像技術(shù)及應(yīng)用

高速攝像是一種能夠以小于1/1000秒的曝光或超過每秒250幀的幀速率捕獲運(yùn)動(dòng)圖像的技術(shù)。

它用于將快速移動(dòng)的物體作為照片圖像記錄到存儲(chǔ)介質(zhì)上。錄制后，存儲(chǔ)在媒體上的圖像可以慢動(dòng)作播放。早期的高速攝像機(jī)使用膠片記錄高速事件，但被完全使用電荷耦合器件（CCD）或CMOS有源像素傳感器的電子設(shè)備取代，通常每秒超過1000幀記錄到DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）上，慢慢地回放研究瞬態(tài)現(xiàn)象的科學(xué)研究動(dòng)作。

通常來說，決定高速攝像機(jī)性能主要的參數(shù)有：

1、分辨率

2、幀率

3、感光度

4、曝光時(shí)間

5、像元尺寸

6、圖像深度

高速攝像機(jī)具有實(shí)時(shí)目標(biāo)捕獲、圖像快速記錄、即時(shí)回放、圖像直觀清晰等突出優(yōu)點(diǎn)。高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)受到自然光或者人工輔助照明燈光的照射差生反射光，或者運(yùn)動(dòng)目標(biāo)本身發(fā)光，這些光的一部分透過高速成像系統(tǒng)的成像物鏡。經(jīng)過物鏡成像后，落在光電成像器件的像感面上，受驅(qū)動(dòng)電路控制的光電器件，會(huì)對(duì)像感面上的目標(biāo)像快速響應(yīng)，即根據(jù)像感面上目標(biāo)像光能量的分布，在各采樣點(diǎn)即像素點(diǎn)產(chǎn)生響應(yīng)大小的電荷包，完成圖像的光電轉(zhuǎn)換。帶有圖像信息的各個(gè)電荷包被迅速轉(zhuǎn)移到讀出寄存器中。讀出信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理后傳輸至電腦中，由電腦對(duì)圖像進(jìn)行讀出顯示和判讀，并將結(jié)果輸出。因此，一套完整的高速成像系統(tǒng)由光學(xué)成像、光電成像、信號(hào)傳輸、控制、圖像存儲(chǔ)與處理等幾部分組成。

高速攝像機(jī)主要應(yīng)用于科研，軍事測(cè)試以及工業(yè)生產(chǎn)評(píng)估等領(lǐng)域。例如汽車碰撞測(cè)試，焊接過程中的電弧的產(chǎn)生，電池爆炸過程中的有機(jī)液體飛濺，像這一類速度非?？斓默F(xiàn)象必須借助高速攝像機(jī)才能清晰的捕捉到。高速攝像機(jī)可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)高速目標(biāo)的快速、多次采樣，當(dāng)以常規(guī)速度放映時(shí)，所記錄目標(biāo)的變化過程就清晰、緩慢地呈現(xiàn)在我們眼前。

>> 航空航天領(lǐng)域

高速攝像機(jī)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用主要表現(xiàn)在：彈道追蹤、導(dǎo)彈發(fā)射、燃燒測(cè)試、材料測(cè)試、PIV測(cè)試等。高速攝像機(jī)是憑借著它高頻率的拍攝速度以捕捉那些普通相機(jī)無法捕捉到的高速物體的移動(dòng)軌跡，準(zhǔn)確的跟蹤對(duì)象運(yùn)動(dòng)，測(cè)量其大小、距離及變化和速度，然后再以人眼所能看到的畫面頻率進(jìn)行播放。

如圖為瑞士AOS品牌的H-EM 501型號(hào)高速攝像機(jī)所捕捉到的導(dǎo)彈發(fā)射的圖片

>> 科學(xué)研究領(lǐng)域

高速攝像機(jī)在科學(xué)研究領(lǐng)域主要表現(xiàn)在：材料測(cè)試、燃燒、生物力學(xué)、裂紋擴(kuò)展、流體動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)、噴霧和噴霧等分析。為了滿足高校實(shí)驗(yàn)室、研究所及科研的實(shí)驗(yàn)分析，需要用到超高分辨率高速攝像機(jī)的記錄，能將高速運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展和運(yùn)動(dòng)規(guī)律等清晰成像。

如圖為瑞士AOS品牌的Promom 12M型號(hào)高速攝像機(jī)所捕捉到的液滴下落及反彈的圖片

>> 汽車測(cè)試領(lǐng)域

高速攝像機(jī)在汽車測(cè)試領(lǐng)域主要表現(xiàn)在：車輛碰撞試驗(yàn)、氣囊點(diǎn)爆試驗(yàn)、汽車零部件沖擊試驗(yàn)、燃燒測(cè)試試驗(yàn)、車輛性能測(cè)試、發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪動(dòng)態(tài)測(cè)試等。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)車輛的安全性能提出了越來越高的要求。汽車生產(chǎn)商和汽車研發(fā)機(jī)構(gòu)為了改善車輛的安全性能，進(jìn)行著越來越多的汽車測(cè)試與實(shí)驗(yàn)，高速攝像機(jī)在這一領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。

如圖為瑞士AOS品牌的S-Mize型號(hào)高速攝像機(jī)所捕捉到的車輛碰撞試驗(yàn)的圖片

【來源：光虎光學(xué)內(nèi)部培訓(xùn)資料】