Vysokorychlostní kamera - High-speed camera

Viz také: Vysokorychlostní fotografie § Vysokorychlostní filmové kamery

Vysokorychlostní kamera je zařízení schopné zachycení filmových obrazů s expozicemi menší než 1/1000 druhé nebo rámových ceny vyšším než 250 snímků za sekundu . Používá se pro záznam rychle se pohybujících předmětů jako fotografických snímků na paměťové médium. Po záznamu lze snímky uložené na médiu přehrávat zpomaleně . Počáteční vysokorychlostní kamery používaly film k záznamu vysokorychlostních událostí, ale byly nahrazeny zcela elektronickými zařízeními využívajícími buď zařízení s připojeným nábojem (CCD) nebo aktivní pixelový snímač CMOS , přičemž záznam, typicky, více než 1 000 fps na DRAM , přehrávat pomalu a studovat pohyb pro vědecké studium přechodových jevů.

Přehled

Vysokorychlostní kameru lze klasifikovat jako:

  1. Vysokorychlostní filmová kamera, která nahrává na film,
  2. Vysokorychlostní videokamera, která zaznamenává do elektronické paměti,
  3. Vysokorychlostní rámovací kamera, která zaznamenává snímky na více obrazových rovinách nebo na více místech ve stejné obrazové rovině (obecně film nebo síť CCD kamer),
  4. Vysokorychlostní kamera, která zaznamenává sérii řádkových snímků na filmovou nebo elektronickou paměť.

Normální film film přehráván na 24 snímků za sekundu , zatímco televize používá 25 snímků / s ( PAL ) nebo 29,97 rámců / s ( NTSC ). Vysokorychlostní filmové kamery dokážou natočit až čtvrt milionu snímků za sekundu tím, že místo použití závěrky přejedou film přes rotující hranol nebo zrcadlo , čímž se sníží nutnost zastavování a spouštění filmu za závěrkou, která by trhala zásobu filmu při takových rychlostech. Pomocí této techniky lze jednu sekundu akce natáhnout na více než deset minut přehrávání (super zpomalené přehrávání). Vysokorychlostní videokamery jsou široce používány pro vědecký výzkum, vojenské testy a hodnocení a průmysl. Příklady průmyslových aplikací jsou filmování výrobní linky za účelem lepšího vyladění stroje nebo v automobilovém průmyslu natáčení nárazového testu za účelem prozkoumání vlivu na pasažéry figuríny a automobil . Digitální vysokorychlostní kamera dnes nahradila filmovou kameru používanou pro testování nárazů vozidel.

Schlierenovo video mezilehlé balistické události brokové náboje. Nathan Boor, Cílený výzkum.

Televizní seriály jako MythBusters a Time Warp často používají vysokorychlostní kamery k tomu, aby své testy zobrazovaly zpomaleně. Ukládání zaznamenaných vysokorychlostních snímků může být časově náročné, protože od roku 2017 mají spotřebitelské kamery rozlišení až čtyři megapixely s obnovovací frekvencí více než 1 000 za sekundu, která bude nahrávat rychlostí 11 gigabajtů za sekundu. Technologicky jsou tyto kamery velmi pokročilé, přesto ukládání obrázků vyžaduje použití pomalejších standardních rozhraní video-počítač. Zatímco nahrávání je velmi rychlé, ukládání obrázků je podstatně pomalejší. Aby se zmenšil požadovaný úložný prostor a doba potřebná k tomu, aby si lidé mohli prohlédnout záznam, lze k filmu vybrat pouze ty části akce, které jsou zajímavé nebo relevantní. Při záznamu cyklického procesu pro analýzu průmyslových poruch se zaznamenává pouze příslušná část každého cyklu.

Problémem vysokorychlostních kamer je potřebná expozice filmu; Aby bylo možné natáčet rychlostí 40 000 fps , je zapotřebí velmi jasného světla  , což někdy vede k zničení předmětu zkoumání kvůli žáru osvětlení. Ke snížení požadované intenzity světla se někdy používá monochromatické (černobílé) filmování. Ještě vyšší rychlost zobrazení je možná pomocí specializovaných elektronických zobrazovacích systémů s elektronickým nábojem (CCD), které mohou dosáhnout rychlosti přes 25 milionů fps . Tyto kamery však stále používají rotující zrcadla, jako jejich starší filmové protějšky. Polovodičové kamery mohou dosáhnout rychlosti až 10 milionů fps . Veškerý vývoj vysokorychlostních kamer je nyní zaměřen na digitální videokamery, které mají oproti filmovým kamerám mnoho provozních i nákladových výhod.

V roce 2010 vědci sestrojili kameru, která vystaví každý snímek na dvě bilionty sekundy ( pikosekundy ), pro efektivní snímkovou frekvenci půl bilionu fps ( femto-fotografie ). Moderní vysokorychlostní kamery fungují tak, že převádějí dopadající světlo ( fotony ) na proud elektronů, které jsou poté vychýleny na fotoanodu , zpět na fotony, které lze poté zaznamenat na film nebo CCD.

Využití v televizi

  • Pořad MythBusters prominentně využívá vysokorychlostní kamery pro měření rychlosti nebo výšky.
  • Time Warp se soustředil na použití vysokorychlostních kamer ke zpomalení věcí, které jsou obvykle příliš rychlé na to, aby je bylo možné vidět pouhým okem.
  • Vysokorychlostní kamery se často používají v televizních produkcích mnoha velkých sportovních akcí pro zpomalené okamžité přehrávání, když normální zpomalené záběry nejsou dostatečně pomalé, jako jsou mezinárodní kriketové zápasy.

Využití ve vědě

Vysokorychlostní kamery se ve vědě často používají k charakterizaci událostí, které se dějí příliš rychle na tradiční rychlosti filmu. Biomechanika využívá takové kamery k zachycení vysokorychlostních pohybů zvířat, jako je skákání žabami a hmyzem, sací krmení ryb, údery kudlanky kudlanky a aerodynamická studie pohybů podobných helikoptéře holubů pomocí analýzy pohybu výsledných sekvencí z jedna nebo více kamer, které charakterizují pohyb ve 2-D nebo 3-D.

Přechod od filmu k digitální technologii výrazně snížil obtížnost používání těchto technologií s nepředvídatelným chováním, konkrétně prostřednictvím použití nepřetržitého záznamu a následného spouštění. U filmových vysokorychlostních kamer musí vyšetřovatel spustit film a poté se pokusit nalákat zvíře k provedení chování v krátkém čase, než dojde film, což má za následek mnoho zbytečných sekvencí, kdy se zvíře chová příliš pozdě nebo vůbec. V moderních digitálních vysokorychlostních kamerách může kamera jednoduše nepřetržitě nahrávat, když se vyšetřovatel pokouší vyvolat chování, po kterém spouštěcí tlačítko zastaví nahrávání a umožní vyšetřovateli uložit daný časový interval před a po spuštění (určeno snímková frekvence, velikost obrazu a kapacita paměti při nepřetržitém nahrávání). Většina softwaru umožňuje uložení podmnožiny zaznamenaných snímků a minimalizaci problémů s velikostí souboru odstraněním zbytečných rámců před nebo za sledovanou sekvencí. Takové spouštění lze také použít k synchronizaci záznamu mezi více kamerami.

Výbuch alkalických kovů při kontaktu s vodou byl studován pomocí vysokorychlostní kamery. Analýza rámce po snímku slitiny sodíku/draslíku explodující ve vodě v kombinaci s molekulárně dynamickými simulacemi naznačila, že počáteční expanze může být důsledkem Coulombovy exploze, a nikoli spalování plynného vodíku, jak se dříve předpokládalo.

Záznamy digitálních vysokorychlostních kamer výrazně přispěly k porozumění bleskům v kombinaci s přístroji pro měření elektrického pole a senzory, které mohou mapovat šíření bleskových vůdců pomocí detekce rádiových vln generovaných tímto procesem.

Využití v průmyslu

Při přechodu z reaktivní údržby na prediktivní údržbu je zásadní, aby byly poruchy skutečně chápány. Jednou ze základních analytických technik je použití vysokorychlostních kamer k charakterizaci událostí, které se dějí příliš rychle, například během výroby. Podobně jako ve vědě, se schopností před a po spuštění může kamera jednoduše nepřetržitě nahrávat, zatímco mechanik čeká, až dojde k poruše, a poté spouštěcí signál (interní nebo externí) zastaví nahrávání a umožní vyšetřovateli uložte daný časový interval před spuštěním (určeno snímkovou frekvencí, velikostí snímku a kapacitou paměti při nepřetržitém nahrávání). Některý software umožňuje prohlížení problémů v reálném čase tím, že zobrazuje pouze podmnožinu zaznamenaných snímků, minimalizuje velikost souboru a problémy s dobou sledování tím, že eliminuje zbytečné snímky před sledovanou sekvencí nebo po ní.

Vysokorychlostní videokamery se používají k rozšíření dalších průmyslových technologií, jako je rentgenová radiografie. Při použití se správnou fosforovou obrazovkou, která převádí rentgenové paprsky na viditelné světlo, lze použít vysokorychlostní kamery k pořizování vysokorychlostních rentgenových videí událostí uvnitř mechanických zařízení a biologických vzorků. Rychlost zobrazování je omezena hlavně rychlostí rozpadu fosforové obrazovky a zesílením intenzity, což má přímý vztah k expozici fotoaparátu. Pulzní zdroje rentgenového záření omezují obnovovací kmitočet a měly by být správně synchronizovány se snímáním snímků z kamery.

Používá se ve válce

V roce 1950 vynalezl Morton Sultanoff , inženýr americké armády v Aberdeen Proving Ground, super vysokorychlostní kameru, která snímala snímky s rychlostí miliontiny sekundy a byla dostatečně rychlá, aby zaznamenala rázovou vlnu malého výbuchu. Vysokorychlostní digitální fotoaparáty byly použity ke studiu toho, jak se miny vypuštěné ze vzduchu rozmístí v pobřežních oblastech, včetně vývoje různých zbraňových systémů. V roce 2005 nahradily vysokorychlostní digitální fotoaparáty s rozlišením 4 megapixely se záznamem 1 500 fps 35mm a 70 mm vysokorychlostní filmové kamery používané na sledovacích držácích na testovacích rozsazích, které zachycují balistické zachycení.

Viz také

Reference