1、高速摄影技术高速摄影技术什么是高速摄影什么是高速摄影？o人眼的时间分辨能力只有1/24s。而电影摄影与放映的频率选为24幅s，正是利用这一特点，以不连续的放映使人获得连续的感受。但对于许多高速运动的物体或瞬变现象，受到人眼时间分辨率的限制，我们无法看清过程。o而高速摄影，能把高速运动现象的发生、发展和运动规律等清晰地展现在人们的面前，是一种有效的记录方式和研究方法。 高速摄影的定义o高速摄影在信息论中的定义为：对于一个人眼无法跟随的高速流逝过程，高速摄影提供了一种耦合的时空信息系列，其中空间信息用图像来表达，时间信息用拍摄频率来表达。 o2004年，在美国召开的第26届“国际高速摄影和光子学会
2、议”上，把高速摄影的定义修改为：速度大于128幅s，可连续获得3幅以上的摄影。o但是现在，构成高速摄影的含意远远超过这些普通摄影的范畴，最短的曝光极限也必须不断的修正。十年前，这个极限为几亿分之一秒；现在为几兆分之一秒或更少，每秒钟可连续拍摄6亿幅画面。 o下面让我们看几幅令人震撼的摄影作品 苹果被子弹击穿的瞬间 多彩的牛奶 炮弹飞出炮膛 o以上这些令人瞠目的精彩瞬间，用普通的摄影手段是无法记录的，他们都是“高速摄影”的杰作。历史o顾名思义，“高速摄影”，就是拍摄速度很快，曝光时间很短的一种摄影方法。但是，不同的历史时期，“高速摄影”的概念也是在不断变化的。o在摄影技术诞生的初期，由于感光材料
3、的灵敏度很低，拍摄一张照片往往需要曝光数十分钟乃至几个小时，那个时候，凡以秒计的摄影都可算得上“高速”了。摄影先驱亨利塔尔博特（Henry Talbot）o第一次高速摄影是由英国化学家、语言学家及摄影先驱亨利塔尔博特完成的。o1851年，塔尔博特将伦敦时报的一小块版面贴在一个轮子上，让轮子在一个暗室里快速旋转。当轮子旋转时，塔尔博特利用来自莱顿电瓶（这是一种聚集电荷的容器，就是现在的电容器的前身）的闪光（速度为12000秒），拍摄了几平方厘米的原版面。最终结果是获得了清晰的图像，它好像是从一种静止的实体上拍下来的，但实际上却是运动中的实体。 闪光摄影之父哈罗德埃杰顿o埃杰顿的关键之处是意识到了
4、闪光灯与相机一旦结合起来，将会发挥出巨大的潜力。 o他的实验与亨利塔尔博特有类似之处：n一部同步发电机的旋转着的转子，只能见到一片模模糊糊的影像。n这次实验的目的，是为了了解这类电机在经受强烈的震动后如何仍然会保持同步。n埃杰顿根据实验的部分内容，用汞弧整流器加强发电机转子的励磁。突然间，埃杰顿发现在汞弧整流器发出的明亮的闪光照耀下，旋转着的转子似乎一直都是静止不动的。 埃杰顿的顿悟o，如果能够控制闪光，使之与旋转着的机器同步，就有可能创造出史无前例的奇迹，使运动“凝结”，藉以研究在运动中的高速发电机。o在1931年出版的电气工程杂志上，埃杰顿正式宣布了他的这一发现o埃杰顿想到，如能控制用以照
5、明被摄者的光线，则比控制快门来得方便，利用这种方法，他甚至能够用普通的相机来凝结非常快速的运动。o很快，埃杰顿和几位志同道合者，利用充有水银蒸汽和其他气体的闪光灯，实现了能够产生时间非常短促的闪光灯短到只有百万分之一秒，亮度超过阳光。 埃杰顿的成果o1940年，他应MGM电影制片公司的紧急请求，证明了用来拍电影的摄影速度至少要快到什么程度，使得由该公司制作的一部名为眨眼之间的影片夺得了一项奥斯卡金像奖。o第二次世界大战期间，他曾指导美军飞行大队怎样使用闪光弹进行夜间空中侦察摄影。这项技术后来在1944年的盟军“D日”(6月6日)突袭战中发挥了极大的作用。o他还曾为美国原子能委员会发明地一种拍摄
6、核爆炸的方法，拍摄距离可以近到十英里。 o目前一些普通的35毫米照相机已具有最高速度可达14000秒的焦平面快门，发光时间在110000秒到125000秒之间的小型电子闪光也比比皆是。o所以，现在所说的高速摄影起点就是数千分之一秒，在科技摄影领域，曝光时间在几亿分之一秒甚至几兆分之一秒的已不显见，已经诞生了每秒钟可连续拍摄6亿幅画面的高速摄影机。 左图显示的是用条纹摄影术拍摄的一些蜡烛的形象。 右边的一组图也是用条纹摄影术拍摄的电焊枪炽热的焊头加热了空气的景像，所不同的是光线在某个瞬间穿过不同热量的空气（也是根据其不同密度）而发生不同的偏离。光线在每一瞬间的偏离照射在条纹摄影板上的不同点上。就
7、产生了每幅图中的视觉效果。 高速摄影的应用o高速摄影把动作放慢，可以显示肉眼看不见的瞬间动作 。 1、科研领域 o高速摄影在科研领域应用非常广泛，常被用作记录分析物体的运动变化，甚至生物器官、微生物、分子的运动。 利用高速摄影记录汽车碰撞瞬间各部位的变化以及人体模型的受力状况，可生产出安全系数更高的汽车。人们先把碰撞的过程拍摄成电影，然后以很慢的速度放映，以便观察在碰撞期间车身如何变形，从而发现薄弱的部位。 工业上也缺少不了这种摄影技术，事实上，由于有了这种技术，人们才能够使一些生产过程得到改善，因为在这些生产过程中，速度是至关重要的。比如，在向玻璃瓶中灌饮料时，如果灌装速度过快，就可能导致容
8、器破碎，但如果过程过于缓慢，那么成本就会提高。所以，为了看得更清楚一点，获得更科学的设计方案，必须拍一些照片，以显示出生产线上的薄弱环节。 o这是一套用于分析焊接质量的高速摄影系统，利用摄影记录，可以改进生产工艺。用针刺破装满水的气球的情景，可以说明验证很多力学、材料学方面的科学理论。 可以研究不同的人面对突如其来的变化的不同心理、生理反映 2、体育竞技 o近半个多世纪，人类竞技体育的运动水平有了长足的进步，一些以前曾被认为是人类能力的极限相继被打破。在竞技能力的提升方面，高速摄影也功不可没。 1.网球运动员的击球动作 2.跳水运动员跃下跳板 人们用高速摄影技术，分析优秀运动员的技术特色，查找
9、自己运动员的差距和不足，有针对性地改进训练方法，使竞技水平迅速提高。 跳绳的小姑娘 除了体育竞技的目的，高速摄影照片本身，也是非常美妙的艺术作品 3、军事领域 高速摄影能记录肉眼难以分辨的瞬间变化，在军事领域自然也有非常广泛的用途。 1.可以检验（己方）、侦查（敌方）武器性能 2.可以分析爆炸效果 3.研究不同弹速的破坏效果 子弹速度越快，切割平面越平滑 子弹对不同材质物体的杀伤效果也能通过高速摄影研究出来。 4、纯艺术摄影 除了以上列举的明确用途之外，除了以上列举的明确用途之外，高速摄影也是获取令人惊异的艺术高速摄影也是获取令人惊异的艺术效果的一种摄影方法效果的一种摄影方法 这不是盛开的虞美
10、人，而是彩色液体溅起的浪花 被高速摄影“凝固”的咖啡 葡萄入水的瞬间 牛奶的浪花 不是水晶，胜似水晶。 水珠溅起的瞬间，是那么的晶莹剔透。 高速摄影原理o空间分辨率 o时间分辨率o摄影频率 空间分辨率o影像的空间分辨率也叫解像能力，是表征图像清晰程度的指标，即是分析图像细节的能力。空间分辨率一般指在摄影物镜的像平面上，能测得分辨率板的图像最小二黑线之间的距离d，它的倒数N定义为“空间分辨率” （线对mm） 。 空间信息量o一幅图像有若干个像元组成，不同的摄影系统具有不同的像元数。假如像元数为Z，每个像元由于图像的灰度和色度差别，又分成K个信息级，在信息理论中，把的以2为底的对数，定义为空间信息
11、量： KZKIZR22loglogo信息量的单位为比特。对目视而论，人眼能分辨200个左右的灰度级和1000个左右的色度级，这样对应的K值就可达2001000=2105。 173log2K时间分辨率o时间分辨率是表征摄影机曝光时间快慢的指标，是指能够识别运动物体的最小时间间隔。时间分辨率越小，则可以拍摄像速越快的目标。时间分辨率有两种度量的方法，即画幅摄影和扫描摄影。 画幅摄影o画幅摄影又分单幅和分幅摄影两类。对于单幅高速摄影，它的时间分辨率就是指有效曝光时间。o而对分幅高速摄影，它的时间分辨率是两幅照片之间的时间间隔，也就是摄影频率的倒数。 扫描摄影 o狭缝的像宽与胶片速度之比，即o极限时间
12、分辨，对可见光而言为 10-14秒。 vbT时摄影频率o普通电影摄影机的摄影频率为24幅s，而高速摄影机的摄影频率要搞出很多，约为102109幅s，超高速摄影机的频率甚至更高。 摄影机类型摄影机类型摄影频率摄影频率（幅（幅s） 获得的幅获得的幅数数拍摄时间拍摄时间总信息总信息量量A间歇式4000-4000-100001000010s-2min10s-2min（bitbits s）B棱镜补偿式4000-4000-16000160002s-30s2s-30s3.23.210108 8C旋转反射镜式25-20025-2005-50s5-50s4343109109D多幅克尔盒2-202-200.05-
13、0.05-3s3s1.61.610101111E变像管式2-202-200.1-1s0.1-1s1.51.510101212F网格式30-30030-3002-20s2-20s1.51.510101313典型事件平均持续时间和获得的有用画幅数 目标或事件持续时间/s画幅数(帧/ks)目标或事件持续时间/s画幅数(帧/ks)分钞机分钞过程1.21200击打高尔夫球及球杆轨迹0.6600内燃机燃烧实验0.7700复合材料断裂0.1100轮胎试验0.4400汽车碰撞试验（相撞时）0.3300高压电路断路器(一个周期) 0.2200安全气囊充气 0.03535时间信息量o利用高速摄影来研究事物的运动和
14、变化需要获得清晰的图像，也就是获得丰富的空间信息。但这还不够，更重要的是高速摄影还要求有精确的时间信息。 o影像的时间信息量同系统的画幅时间分辨率相关联。o时间信息可以粗略的用摄影频率来表示，它表征了摄影仪器能够把物体的运动或变化在时间上分开的能力。o如上所述，对于人眼来说，从接收光信号到这光信号消失需要一定的时间，我们可以认为是1/48s。若比这变化速度更快的运动现象，人眼就分辨不出来了。 o高速摄影，是要求时-空耦合的信息系列，其中突出点是它的时间信息要求。可以说高速摄影机是一个摄影仪器，也是一个记时仪器。o时间信息，就是前后两画幅间隔时间的倒数1T，即拍摄频率N(每秒钟拍摄的次数)。o摄
15、影就是取样，所以摄影频率就是取样频率，它越高则时间分辨率也越高。曝光系数 o在一个画幅摄影周期中，只有部分时间是在对画幅进行曝光，其他时间由于设计或使用上的需要，而有意识的设法修改光路，缩短曝光时间从而控制运动物体因速度所形成的模糊量，保证一定的成像质量。 曝光时间t与画幅周期T之比 Tto高速摄影系统总的信息量空间信息容量时间信息容量 高速摄影机 o进行高速摄影的机器称为高速摄影机。o按工作原理分为n光机式n光电子式高速摄影机；o按工作结果分为：n扫描（条纹）相机n分幅相机；o按拍摄速度分为：n中低速相机n高速相机n超高速相机。 光机式高速摄影机 o所有使用几何光学原理及高速动作的机械机构，
16、实现对快速现象的观测记录的设备，都称为光机式高速摄影机。o通常又可以十分清晰地分为以下三类：n间歇式n光学补偿式n转镜式o这三种相机的拍摄频率依次大幅度增高。 间歇式高速摄影机 o相机有一个输片机构、收片机构与光学系统。 间歇式电影摄影机o普通间歇式电影摄影机的标准频率为24幅秒，而间歇式高速摄影机的摄影频率为1001000幅秒或更高一些。o底片通常长约200300米，持续拍摄约数分钟。o我们通常看到的体育运动的慢动作，早先都是用这类摄影机拍摄的。如果将高速拍摄的胶片用普通的电影机放映，则时间放大率约为440倍，也可以用专门的判读仪测出运动的多种参数。 间歇式高速摄影机的主要特点 （1）光学系
17、统结构简单，光能量达到充分利用；（2）空间分辨率比较高，一般为3050线对mm，它比后面讲到的棱镜补偿式和转镜式高速摄影机高1.5倍左右，比变像管高速摄影机高5倍左右；（3）具有较高的画幅质量，画幅稳定性好，便于胶片数据分析，并且能提高重放的质量。 o以西安光机所研制的70mm间歇式同步高速摄影机系统为例，它是我国第一台大画幅、同步、间歇式、高速摄影机，它填补了空白，使我国成为继美国之后第二个拥有该项技术的国家。o主要用于拍摄激光制导炸弹、火箭、导弹的三维飞行姿态和空间参数的测试，具有画幅大、精度高、机动灵活的特点。 光学补偿式高速摄影机 o为了克服间歇运动的缺点，提高摄影频率，于是出现了在摄
18、影过程中胶片作连续运动的型式。o为了能够使图像与胶片同步移动，获得清晰的图像，因此在光学系统中安置了一个旋转光学元件（如移动的透镜、旋转的棱镜或反射镜），使得影象在曝光时间内与胶片同速运动、相对静止，起到补偿像移的作用。o根据这种工作原理制造的高速摄影机，称为补偿式高速摄影机。 o旋转棱镜补偿式高速摄影机原理示意图o旋转棱镜补偿式高速摄影机可以按底片运动的方式分为：n牵引输片式，其胶片总长约200300米，拍摄频率每秒数千幅，上限1.1万幅/秒；n鼓轮式，它的底片固定在一个高速的鼓轮的内表面或外表面，片长约1米，拍摄频率数万-数十万幅/秒，画幅总数数百-数千幅。 主要特点 o空间分辨率要比间歇
19、式高速摄影机低，通常为2030线对mm o底片长度通常在30120米之间，最长也有600米的，所得结果可以放电影 o结构简单，操作方便，体积小而造价低廉 高速过程要求的拍摄同步o为了解决精确的同步问题，在这类高速摄影机里一般都设计有专门的信号装置，可以在摄影启动后，经过一定的时间或者输过一定长度的胶片以后，送出一个同步信号，用以激发需要拍摄的高速现象。o一般遇到特殊的同步要求时，使用单位就要自己配以合适的同步控制装置。 转镜式高速摄影机o胶片是静止的，固定在暗箱内一个近似圆弧的片架上o相机的光学系统中有一个处于胶片所在圆圆心的高速旋转反射镜，它使成像光束相对于胶片高速运动，完成扫描拍摄。o由于
20、反射镜尺寸可以做得很小，能够高速旋转，而且出射光线转角是反射镜转角的2倍，所以其频率非常高，可以进行超高速摄影 o按照转镜式高速摄影机所记录的图像，一般可分为o扫描（or条纹）相机，记录某一瞬变全过程的单张一维扫描照片；o分幅相机，按一定的拍摄频率（时间间隔），记录了某一瞬变过程的一系列二维分幅照片 扫描相机o如果在光学系统前设置一个狭缝，先将目标成像在狭缝上，然后再经旋转反射镜成像在胶片上，则当转镜旋转扫描时会在胶片上形成一个条带，称为条纹相机，或因其来自光束在底片上的扫描而称为扫描相机。1.目标 2.物镜 3.物象 4.狭缝 5.投影镜 6.旋转反射镜 7.工作角 8.扫描像 9.胶片 分
21、幅相机o如果在胶片前面放置一排小透镜，当反射镜旋转时，反射光线相继扫过一系列排透镜，它们每一个都相当于一架照相机，会在底片上形成一系列二维图像，构成所谓分幅相机。o分幅相机得到的照片在时间-空间上都彼此独立，每一幅照片反映了目标在某一瞬间的实际形象，相邻的照片就反映了目标的变化过程。 1.目标 2.物镜 3.视场光阑 4.一次像 5.场镜 6.中间像 7.旋转反射镜 8.分幅透镜 9.胶片 10.像 o光机式高速相机在20世纪70年代末已经发展得十分成熟，由于它们的拍摄速度都分别达到了它们所使用的机构和材料的极限，所以自80年代以来这三类相机的技术没有什么显著的进步。 o我国自60年代初开展高
22、速摄影技术的研究，到80年代初，已经成功地研制了上述各类相机并且达到了国际先进水平，打破了当时的禁运，满足了国防科研的需要。 光电子式高速摄影机 o所有使用电光、光电效应以及脉冲电光源的高速相机，统称为光电子类高速摄影机。o这种摄影类型还可以细分为：o 脉冲照明高速摄影o 电光高速摄影o 变像管高速摄影等。 脉冲照明高速摄影 o在暗环境中利用极短的曝光时间，使动态目标瞬变过程某一时刻的图象冻结，并记录在胶片上，从而获得清晰的图象。这与我们日常在光线暗的场合使用闪光灯拍照类似，只是所使用的闪光的持续时间要短得多。 闪光高速摄影o曝光时间就是光脉冲的宽度。o一般火花放电的持续时间可以短至纳秒（10
23、-9秒），而激光脉冲则可以短至皮秒（10-12秒）及飞秒（10-15秒）。o如果使用依次放电的火花隙阵列或者序列激光脉冲，也可以获得多幅照片。射线高速摄影o使用X射线、电子（中子）束脉冲闪光。o射线高速摄影可以透视拍摄某些利用可见光无法直接观察、记录的快速现象，如：炮筒内炮弹的运动等，也可以避开烟雾、火光的干扰。 克尔盒高速摄影机o某些液体，例如硝基苯、二硫化碳等，在电场中有双折射现象，电场消失后这种现象也很快消失，称为“Kerr电光效应”。o在一对正交的偏振片中间放置一个能施加电场的充有这类液体的的克尔盒，就构成一个快门。o不加电场时，这个快门是不透光的，即快门关闭；当加一合适的电场时，这个
24、快门就透光了。o克尔盒快门打开的持续时间取决于电场存在的时间，即加在克尔盒上的高压电脉冲的宽度，通常为纳秒（10-9秒）量级。o当使用二硫化碳液体并用脉冲激光的电场驱动时，可以达到皮秒（10-12秒）量级。o1964年，我国第一颗原子弹爆炸时，我们就使用了自己研制的三台克尔盒高速相机，获得了珍贵的核爆的早期照片。o另外，也可以用某些晶体的电致双折射效应构成一个高速快门，用于高速摄影。o类似地，还可以利用法拉第磁光效应构成快门，不过因为磁场建立较慢，曝光时间较长。变像管高速摄影o光机式高速摄影机的拍摄速度，受到其高速运动零部件的机械强度和惯性的限制，已经达到了极限值。o为了进一步提高拍摄速度，人
25、们使用了一种光电成像器件变像管，利用惯性极小的电子束在电磁场作用下的通、断与扫描实现高速摄影。JTG-305型通用高速摄影变像管结构1.光电阴极 2.快门电极 3.聚焦电极 4.阳极 5.花样偏转器 6.荧光屏 变像管的优点第一，它可以实现波长变换。依靠使用不同的光电阴极，可以将红外图像、紫外图像及X射线影像转化为可见光图像。第二，利用在变像管内放置二维电子倍增器（MCP）倍增电子数目并提高对电子的加速电压，可以实现图像的亮度增强，即将微弱的光学图像增强为荧光屏上明亮的可见光图像，增益通常可达数千至数万倍。第三，利用电磁场可以控制电子束的运动，使之偏转扫描或中断，从而形成快门动作，构成变像管高
26、速摄影机。由于电子的惯性极小，变像管相机的时间分辨率可以达到皮秒（10-12秒）甚至飞秒（10-15秒）量级。 一种利用扫描实现分幅摄影的高速摄影变像管数字化高速摄影 o以往的高速摄影机都是使用胶片记录图像的，这就需要显影、定影等后事处理，费时费事。o磁带录像技术出现之后，人们致力于高帧频的摄录技术，研制成功了采用高密度磁头与磁带的高速视频摄录机。高速视频录像出现于20世纪70年代末，最初使用摄像管和高速录像带，拍摄频率为2002000幅s，至80年代中发展至12000幅s，若画面分割后可以更高。 o目前，基于CCD和CMOS的数字化高速视频录像系统的分辨率可达（12801280）像元，拍摄频
27、率至少已达2000万幅s。 美国VRI（Vision Research Inc.）公司所研发的Phantom高速摄影系统： V9.0 Series高速摄影机 高速图像信息处理o高速摄像获得序列目标运动图像后，除定性观测外，主要是通过对目标的二维图像进行测量，并进行相应的变换处理得到目标的一系列实际运动参数。 图像判读原理o判读，就是在序列图像中获取运动目标的一个或多个特征点相对于某一个非移动点在靶面上的相对位置，以及这些点位置与时间的对应关系，以便能通过对这些位置与时间数据的计算得到运动物体的运动参数。 MAS运动分析软件 oMAS（Motion Analysis System）运动分析软件，是一种数据处理软件，用于对序列图像进行判读处理和测量运算。它把序列图像的显示浏览、目标判读、数据计算处理、数据可视化和数据库管理等功能集成在一个软件平台上，以方便用户的使用。 本讲结束谢谢
