要多慢有多慢,每秒萬億張的高速攝影

作者 | 發布日期 2015 年 04 月 25 日 0:00 | 分類 晶片 , 科技教育
雷鋒網配圖

你可能知道電影是什麼時候誕生的,但未必知道它們是如何在你眼裡成為連貫的影片的——原因就在於電影在攝影和放映時,都會將影格率調整為每秒 24 格,這個參數與人眼的時間分辨能力是一致的,因此雖然電影是不連續放映的,但在人眼看來卻形成了連貫的影像。



也正因為人眼有這麼一個局限,使得一些更高速的運動,人眼就無法完全捕捉了,這時候我們就需要借助外力,讓動作變慢,以確保可以完整觀看到——高速攝影技術,就是為此應運而生的產物。

 

高速相機的原理

想要進行高速攝影,就需要依靠高速相機,後者是工業相機的一種,具有高圖像穩定性、高傳輸能力和高抗干擾能力的優勢。不過在成像原理上,工業相機與民用相機是沒有區別的,都是依靠把光學圖像信號轉變為電信號,以實現儲存和傳輸的目的。而目前使用的最廣泛的就是 CCD 或 CMOS 晶片。在這裡我們簡單描述一下二者的不同之處。

CCD 即感光耦合原件,是一種特殊的半導體材料,由大量獨立的光敏元件按矩陣排列而成,通常以百萬畫素為單位,而畫素多少也就意味著 CCD 上有多少感光組件。在進行拍攝時,景物反射的光線透過相機的鏡頭透射到 CCD 上,被轉換成電荷(每個元件上的電荷量取決於它所受到的光照強度),再由控制晶片利用感光元件中的控制信號線路,對光電二極體產生的電流進行控制,將一次成像產生的電信號收集起來,統一輸出到放大器,經過放大和濾波後的電信號被送到 A/D(類比 / 數位轉換器),經其處理後變成數位信號,最終壓縮後存入緩存內,形成最終的照片。

而 CMOS 和 CCD 一樣都是可用來感受光線變化的半導體,但它屬於互補性金屬氧化物半導體,可細分為被動式與主動式兩種。CMOS 本身是電腦上採用的一種主要晶片,1999 年首次被 XirLink 公司做成影像感測器推向市場,其核心結構上的每個畫素點由一個感光電極、一個電信號轉換單元、一個信號傳輸電晶體,以及一個信號放大器所組成,當 CMOS 感受到光線之後,會經光電轉換後使電極帶上負電和正電,前者的互補效應會產生電信號,再被 A/D 轉換器上的處理晶片記錄和解讀成影像資料。

 

高速攝影技術是重點

然而僅僅是高速相機還不足夠,高速攝影技術也是不可少的手段。其在資訊理論中的定義為——對於一個人眼無法跟隨的高速流逝過程,高速攝影提供了一個耦合的時空資訊系列,其中空間資訊用圖像來表示,時間資訊用拍攝頻率來表示。

總的來說,高速攝影是一種拍攝速度很快,曝光時間很短的一種攝影方法,再依靠「快攝慢放」的技術,最終將快速變化的運動過程放慢到人眼視覺的時間分辨程度,使人能夠得以觀察。而這也就意味著在高速攝影時,其拍攝頻率(張 / 格)必須與物體運動變化的速率達到同步,變化越快的運動會要求越高的拍攝頻率。

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值得一提的是,閃光在高速攝影中的作用是最重要的,人類歷史上第一次真正意義的高速攝影就是靠速度為 1/2,000 秒的閃光拍攝出了「靜止」的運動畫面;此外,2008 年美國人塞勒所拍攝的子彈穿過香煙的照片,雖然其使用的 Nikon D90 相機快門速度最高只有 1/4,000 秒,遠遠跟不上 300m/s 左右的子彈的速度,但是操作者透過先將快門提前打開一秒,借由子彈觸發雷射光束點亮 2 萬伏微秒級的閃光燈,並在閃光燈閃亮的那一刻完成拍攝,從而完成了對於該照片的捕捉——因為當閃光以微秒計的時候,即便快門時間以秒計,最終保存在感測器上的仍舊只有閃光下的幾微秒的圖像而已,這就使得高速運動中的物體能夠被清晰的捕捉下來。

 

高速攝影最新成果——每秒 4.4 萬億張!

最初在相機曝光需要達到數十分鐘的時代,以秒計數就已經可以被稱為是高速攝影,但到了當下,高速攝影起點就定在了數千分之一秒左右,甚至幾億分之一秒、幾兆分之一秒的也不罕見了,而據最新消息顯示,日本有科學家開發出一種新型的高速相機,其感光元件幀間隔達每秒 4.4 萬億張,足以領先之前的高速相機一千倍之多。而之所以能夠實現這樣的效果,原因在於其使用了一項名為「連續定時全光學映射攝影」的技術,簡單來說其是一個基於運動的飛秒成像攝影術,即先對拍攝目標的空間輪廓進行光學映射,再使用脈衝模式相機發出極短的單脈衝串進行圖像採集,因而能夠實現一次成像,而無需像之前一樣反覆測量。

而由於在感測器面積一定的情況下,影像的兩大主要參數——影格率與解析度之間存在一定的制衡,因此當畫面更新率提高,解析度就會下降,這也是為何這款超高速相機拍攝的照片解析度只有 450×450 的緣故。

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而 4.4 萬億這個數字,是在該成果得到的影片畫面更新率為 229fs 的基礎上計算得來的,fs 是指飛秒,即千萬億分之一秒,而 1/229fs 就等於 4.36 萬億,而事實上,這個數字也只能被計算出來,因為它已經無法被測量了。

 

高速攝影能上知天文下知地理

高速攝影目前最廣泛的應用,是安裝在管線上代替人工來進行監測,其透過數位圖像拍攝目標後轉換成圖像訊號(採集),再傳送給專用的影像處理系統(傳輸),然後影像處理系統再對這些信號進行各種運算來抽取目標特徵(計算),最後依據判別結果控制現場設備(回饋)。

舉個例子,當管線在灌裝飲料時,速度這項指標非常重要,因為過快會導致瓶身爆裂,過慢就會增加耗時與成本,想要達到最完美的成果,就需要確定最合適的速率,而這就要借助高速攝影來實現了。

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除此之外,高速攝影還廣泛應用於軍事(例如彈道分析)、製藥(細胞運動)、影視(動畫特效)、化工(噴流流體分析)、印刷(檢測高速印刷時可能存在的印刷缺陷)等行業,而在超高速相機的輔助下,還可以實現對化學反應瞬間、等離子體動力學、晶格振動波、熱傳導等現象進行拍攝。例如美國人就以每秒 1,000 億張的速率拍攝下了光在鏡面上反射的過程。

 

比起工業用途,民用高速攝影往往更富創造性

由於高速相機屬於工業用相機,因此很多人可能會連帶認為高速攝影不能夠應用於個人和消費市場,但這是錯誤的。比如最受大眾使用者歡迎的拍照設備 iPhone 6,它就可以 720P 的解析度下拍攝 240fps 的影片,定位極限運動愛好者的 GoPro 也同樣可以實現高速拍攝,雖然它們不如工業用高速相機那麼專業和極致,但已經足夠用戶驚嘆一聲「Cool」了。

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一般來說,常見的高速攝影場景,包括對於運動中的孩子或寵物的動作捕捉,像在盪鞦韆上的小孩、滑雪場上騰空翻滾的英姿、高速飛行的鳥類等,之前有人用 iPhone 6 的高速攝影功能拍攝一隻剛從水裡出來的狗甩動身體的動作,狗的毛髮就伴隨著身體的動作來回甩動,非常有趣。

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或者你也可以自己嘗試拍攝水與火這兩種高速攝影常見的題材,比如往空杯子裡倒水,或者是點燃一顆乒乓球——然後你就會發現這些原本轉瞬即逝、甚至你以為無法被看到和記錄的東西,不但富有特別的精彩,也可以成就你的個性化攝影佳作。

(本文由 雷鋒網 授權轉載) 

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