高速摄影技术

高速摄影技术什么是高速摄影？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。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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。2004年，在美国召开的第26届“国际高速摄影和光子学会议”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。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。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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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。在摄影技术诞生的初期，由于感光材料的灵敏度很低，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（HenryTalbot）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。1851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1／2000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埃杰顿的关键之处是意识到了闪光灯与相机一旦结合起来，将会发挥出巨大的潜力。他的实验与亨利·塔尔博特有类似之处：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。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。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，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。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埃杰顿想到，如能控制用以照明被摄者的光线，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。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1940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。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。他还曾为美国原子能委员会发明地一种拍摄核爆炸的方法，拍摄距离可以近到十英里。目前一些普通的35毫米照相机已具有最高速度可达1／4000秒的焦平面快门，发光时间在1／10000秒到1／25000秒之间的小型电子闪光也比比皆是。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。就产生了每幅图中的视觉效果。高速摄影的应用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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。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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，高速摄影也是获取令人惊异的艺术效果的一种摄影方法这不是盛开的虞美人，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空间分辨率时间分辨率摄影频率空间分辨率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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，定义为空间信息量：KZKIZR22loglog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200×1000=2×105。173log2K时间分辨率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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。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狭缝的像宽与胶片速度之比，即极限时间分辨，对可见光而言为10-14秒。vbT'时摄影频率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102～109幅／s，超高速摄影机的频率甚至更高。摄影机类型摄影频率（幅／s）获得的幅数拍摄时间总信息量A．间歇式4000-1000010s-2min（bit／s）B．棱镜补偿式4000-160002s-30s3.2×108C．旋转反射镜式25-2005-50μs43×109D．多幅克尔盒2-200.05-3μs1.6×1011E．变像管式2-200.1-1μs1.5×1012F．网格式30-3002-20μs1.5×1013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利用高速摄影来研究事物的运动和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。影像的时间信息量同系统的画幅时间分辨率相关联。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。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。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。时间信息，就是前后两画幅间隔时间的倒数1／T，即拍摄频率N(每秒钟拍摄的次数)。摄影就是取样，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η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Tt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进行高速摄影的机器称为高速摄影机。按工作原理分为光机式光电子式高速摄影机；按工作结果分为：扫描（条纹）相机分幅相机；按拍摄速度分为：中低速相机高速相机超高速相机。光机式高速摄影机所有使用几何光学原理及高速动作的机械机构，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。通常又可以十分清晰地分为以下三类：间歇式光学补偿式转镜式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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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100～1000幅／秒或更高一些。底片通常长约200～300米，持续拍摄约数分钟。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4～40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30～50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。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。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为了克服间歇运动的缺点，提高摄影频率，于是出现了在摄影过程中胶片作连续运动的型式。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