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幀的幀速率捕獲運動圖像的技術(shù)。

它用于將快速移動的物體作為照片圖像記錄到存儲介質(zhì)上。錄制后，存儲在媒體上的圖像可以慢動作播放。早期的高速攝像機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（動態(tài)隨機存取存儲器）上，慢慢地回放研究瞬態(tài)現(xiàn)象的科學(xué)研究動作。

通常來說，決定高速攝像機性能主要的參數(shù)有：

1、分辨率

2、幀率

3、感光度

4、曝光時間

5、像元尺寸

6、圖像深度

高速攝像機具有實時目標(biāo)捕獲、圖像快速記錄、即時回放、圖像直觀清晰等突出優(yōu)點。高速運動目標(biāo)受到自然光或者人工輔助照明燈光的照射差生反射光，或者運動目標(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)動電路控制的光電器件，會對像感面上的目標(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，在各采樣點即像素點產(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電荷包被迅速轉(zhuǎn)移到讀出寄存器中。讀出信號經(jīng)信號處理后傳輸至電腦中，由電腦對圖像進(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、信號傳輸、控制、圖像存儲與處理等幾部分組成。

高速攝像機主要應(yīng)用于科研，軍事測試以及工業(yè)生產(chǎn)評估等領(lǐng)域。例如汽車碰撞測試，焊接過程中的電弧的產(chǎn)生，電池爆炸過程中的有機液體飛濺，像這一類速度非常快的現(xiàn)象必須借助高速攝像機才能清晰的捕捉到。高速攝像機可以在很短的時間內(nèi)完成對高速目標(biāo)的快速、多次采樣，當(dāng)以常規(guī)速度放映時，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、燃燒測試、材料測試、PIV測試等。高速攝像機是憑借著它高頻率的拍攝速度以捕捉那些普通相機無法捕捉到的高速物體的移動軌跡，準(zhǔn)確的跟蹤對象運動，測量其大小、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型號高速攝像機所捕捉到的導(dǎo)彈發(fā)射的圖片

>> 科學(xué)研究領(lǐng)域

高速攝像機在科學(xué)研究領(lǐng)域主要表現(xiàn)在：材料測試、燃燒、生物力學(xué)、裂紋擴展、流體動力學(xué)、振動、噴霧和噴霧等分析。為了滿足高校實驗室、研究所及科研的實驗分析，需要用到超高分辨率高速攝像機的記錄，能將高速運動現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展和運動規(guī)律等清晰成像。

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

>> 汽車測試領(lǐng)域

高速攝像機在汽車測試領(lǐng)域主要表現(xiàn)在：車輛碰撞試驗、氣囊點爆試驗、汽車零部件沖擊試驗、燃燒測試試驗、車輛性能測試、發(fā)動機和車輪動態(tài)測試等。隨著社會的不斷發(fā)展，人們對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試與實驗，高速攝像機在這一領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。

如圖為瑞士AOS品牌的S-Mize型號高速攝像機所捕捉到的車輛碰撞試驗的圖片

【來源：光虎光學(xué)內(nèi)部培訓(xùn)資料】