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要多慢有多慢,每秒万亿张的高速摄影

时间: 2020-08-05 浏览量:326

要多慢有多慢,每秒万亿张的高速摄影

你可能知道电影是什幺时候诞生的,但未必知道它们是如何在你眼里成为连贯的影片的——原因就在于电影在摄影和放映时,都会将影格率调整为每秒 24 格,这个参数与人眼的时间分辨能力是一致的,因此虽然电影是不连续放映的,但在人眼看来却形成了连贯的影像。

也正因为人眼有这幺一个局限,使得一些更高速的运动,人眼就无法完全捕捉了,这时候我们就需要借助外力,让动作变慢,以确保可以完整观看到——高速摄影技术,就是为此应运而生的产物。

高速相机的原理

想要进行高速摄影,就需要依靠高速相机,后者是工业相机的一种,具有高图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力的优势。不过在成像原理上,工业相机与民用相机是没有区别的,都是依靠把光学图像信号转变为电信号,以实现储存和传输的目的。而目前使用的最广泛的就是 CCD 或 CMOS 晶片。在这里我们简单描述一下二者的不同之处。

CCD 即感光耦合原件,是一种特殊的半导体材料,由大量独立的光敏元件按矩阵排列而成,通常以百万画素为单位,而画素多少也就意味着 CCD 上有多少感光组件。在进行拍摄时,景物反射的光线透过相机的镜头透射到 CCD 上,被转换成电荷(每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度),再由控制晶片利用感光元件中的控制信号线路,对光电二极体产生的电流进行控制,将一次成像产生的电信号收集起来,统一输出到放大器,经过放大和滤波后的电信号被送到 A/D(类比 / 数位转换器),经其处理后变成数位信号,最终压缩后存入缓存内,形成最终的照片。

而 CMOS 和 CCD 一样都是可用来感受光线变化的半导体,但它属于互补性金属氧化物半导体,可细分为被动式与主动式两种。CMOS 本身是电脑上採用的一种主要晶片,1999 年首次被 XirLink 公司做成影像感测器推向市场,其核心结构上的每个画素点由一个感光电极、一个电信号转换单元、一个信号传输电晶体,以及一个信号放大器所组成,当 CMOS 感受到光线之后,会经光电转换后使电极带上负电和正电,前者的互补效应会产生电信号,再被 A/D 转换器上的处理晶片记录和解读成影像资料。

高速摄影技术是重点

然而仅仅是高速相机还不足够,高速摄影技术也是不可少的手段。其在资讯理论中的定义为——对于一个人眼无法跟随的高速流逝过程,高速摄影提供了一个耦合的时空资讯系列,其中空间资讯用图像来表示,时间资讯用拍摄频率来表示。

总的来说,高速摄影是一种拍摄速度很快,曝光时间很短的一种摄影方法,再依靠「快摄慢放」的技术,最终将快速变化的运动过程放慢到人眼视觉的时间分辨程度,使人能够得以观察。而这也就意味着在高速摄影时,其拍摄频率(张 / 格)必须与物体运动变化的速率达到同步,变化越快的运动会要求越高的拍摄频率。

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值得一提的是,闪光在高速摄影中的作用是最重要的,人类历史上第一次真正意义的高速摄影就是靠速度为 1/2,000 秒的闪光拍摄出了「静止」的运动画面;此外,2008 年美国人塞勒所拍摄的子弹穿过香烟的照片,虽然其使用的 Nikon D90 相机快门速度最高只有 1/4,000 秒,远远跟不上 300m/s 左右的子弹的速度,但是操作者透过先将快门提前打开一秒,借由子弹触发雷射光束点亮 2 万伏微秒级的闪光灯,并在闪光灯闪亮的那一刻完成拍摄,从而完成了对于该照片的捕捉——因为当闪光以微秒计的时候,即便快门时间以秒计,最终保存在感测器上的仍旧只有闪光下的几微秒的图像而已,这就使得高速运动中的物体能够被清晰的捕捉下来。

高速摄影最新成果——每秒 4.4 万亿张!

最初在相机曝光需要达到数十分钟的时代,以秒计数就已经可以被称为是高速摄影,但到了当下,高速摄影起点就定在了数千分之一秒左右,甚至几亿分之一秒、几兆分之一秒的也不罕见了,而据最新消息显示,日本有科学家开发出一种新型的高速相机,其感光元件帧间隔达每秒 4.4 万亿张,足以领先之前的高速相机一千倍之多。而之所以能够实现这样的效果,原因在于其使用了一项名为「连续定时全光学映射摄影」的技术,简单来说其是一个基于运动的飞秒成像摄影术,即先对拍摄目标的空间轮廓进行光学映射,再使用脉冲模式相机发出极短的单脉冲串进行图像採集,因而能够实现一次成像,而无需像之前一样反覆测量。

而由于在感测器面积一定的情况下,影像的两大主要参数——影格率与解析度之间存在一定的制衡,因此当画面更新率提高,解析度就会下降,这也是为何这款超高速相机拍摄的照片解析度只有 450×450 的缘故。

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而 4.4 万亿这个数字,是在该成果得到的影片画面更新率为 229fs 的基础上计算得来的,fs 是指飞秒,即千万亿分之一秒,而 1/229fs 就等于 4.36 万亿,而事实上,这个数字也只能被计算出来,因为它已经无法被测量了。

高速摄影能上知天文下知地理

高速摄影目前最广泛的应用,是安装在管线上代替人工来进行监测,其透过数位图像拍摄目标后转换成图像讯号(採集),再传送给专用的影像处理系统(传输),然后影像处理系统再对这些信号进行各种运算来抽取目标特徵(计算),最后依据判别结果控制现场设备(回馈)。

举个例子,当管线在灌装饮料时,速度这项指标非常重要,因为过快会导致瓶身爆裂,过慢就会增加耗时与成本,想要达到最完美的成果,就需要确定最合适的速率,而这就要借助高速摄影来实现了。

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除此之外,高速摄影还广泛应用于军事(例如弹道分析)、製药(细胞运动)、影视(动画特效)、化工(喷流流体分析)、印刷(检测高速印刷时可能存在的印刷缺陷)等行业,而在超高速相机的辅助下,还可以实现对化学反应瞬间、等离子体动力学、晶格振动波、热传导等现象进行拍摄。例如美国人就以每秒 1,000 亿张的速率拍摄下了光在镜面上反射的过程。

比起工业用途,民用高速摄影往往更富创造性

由于高速相机属于工业用相机,因此很多人可能会连带认为高速摄影不能够应用于个人和消费市场,但这是错误的。比如最受大众使用者欢迎的拍照设备 iPhone 6,它就可以 720P 的解析度下拍摄 240fps 的影片,定位极限运动爱好者的 GoPro 也同样可以实现高速拍摄,虽然它们不如工业用高速相机那幺专业和极致,但已经足够用户惊叹一声「Cool」了。

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一般来说,常见的高速摄影场景,包括对于运动中的孩子或宠物的动作捕捉,像在荡鞦韆上的小孩、滑雪场上腾空翻滚的英姿、高速飞行的鸟类等,之前有人用 iPhone 6 的高速摄影功能拍摄一只刚从水里出来的狗甩动身体的动作,狗的毛髮就伴随着身体的动作来回甩动,非常有趣。

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或者你也可以自己尝试拍摄水与火这两种高速摄影常见的题材,比如往空杯子里倒水,或者是点燃一颗乒乓球——然后你就会发现这些原本转瞬即逝、甚至你以为无法被看到和记录的东西,不但富有特别的精彩,也可以成就你的个性化摄影佳作。

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