高速攝像技術及應用

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。

它用于將快速移動的物體作為照片圖像記錄到存儲介質上。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備取代，通常每秒超過1000幀記錄到DRAM（動態隨機存取存儲器）上，慢慢地回放研究瞬態現象的科學研究動作。

通常來說，決定高速攝像機性能主要的參數有：

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捕獲、圖像快速記錄、即時回放、圖像直觀清晰等突出優點。高速運動目標受到自然光或者人工輔助照明燈光的照射差生反射光，或者運動目標本身發光，這些光的一部分透過高速成像系統的成像物鏡。經過物鏡成像后，落在光電成像器件的像感面上，受驅動電路控制的光電器件，會對像感面上的目標像快速響應，即根據像感面上目標像光能量的分布，在各采樣點即像素點產生響應大小的電荷包，完成圖像的光電轉換。帶有圖像信息的各個電荷包被迅速轉移到讀出寄存器中。讀出信號經信號處理后傳輸至電腦中，由電腦對圖像進行讀出顯示和判讀，并將結果輸出。因此，一套完整的高速成像系統由光學成像、光電成像、信號傳輸、控制、圖像存儲與處理等幾部分組成。

高速攝像機主要應用于科研，軍事測試以及工業生產評估等領域。例如汽車碰撞測試，焊接過程中的電弧的產生，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完成對高速目標的快速、多次采樣，當以常規速度放映時，所記錄目標的變化過程就清晰、緩慢地呈現在我們眼前。

>> 航空航天領域

高速攝像機在航空航天領域應用主要表現在：彈道追蹤、導彈發射、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彈發射的圖片

>> 科學研究領域

高速攝像機在科學研究領域主要表現在：材料測試、燃燒、生物力學、裂紋擴展、流體動力學、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，能將高速運動現象的發生、發展和運動規律等清晰成像。

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

>> 汽車測試領域

高速攝像機在汽車測試領域主要表現在：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、發動機和車輪動態測試等。隨著社會的不斷發展，人們對車輛的安全性能提出了越來越高的要求。汽車生產商和汽車研發機構為了改善車輛的安全性能，進行著越來越多的汽車測試與實驗，高速攝像機在這一領域發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：光虎光學內部培訓資料】