發布日期：2022-10-09 點擊率：44
即使是價格低廉的數碼相機能夠實現接近1000fps的幀率，但是針對生物和工業過程凍結時間的科研相機,需要依賴于新穎的探測器和圖像處理技術，達到每秒幾千到100萬幀的拍攝速率。
根據維基百科的描述，幀率超過250fps的相機都屬于高速相機。然而，以科學術語來衡量，這種類型的速度屬于“小兒科”，很容易實現。即使是價格低廉的數碼相機，通常也能實現超過1000fps的幀率，而超高速掃描照相機已經設計達到萬億幀/秒的幀率。
但是對于研究基于激光的點火事件、超快工業生產線組裝和加工、化學和生物事件，甚至是車輛碰撞測試結果的大多數實驗室，主要依賴的是互補金屬氧化物半導體（CMOS）或電荷耦合器件（CCD）相機，成像速度范圍從幾千到大約100萬幀/秒。
當然，成像速度與成像分辨率和光強級別緊密相關。隨著光子學技術的進步，高速成像相機的性能不斷提升，使用戶能夠針對不斷擴大的應用范圍凍結時間。
核心部分
每臺相機都是一個完整的光電系統，包含光學原件、光機械、探測器、外殼和電子數據存儲和控制組件。但在一般情況下，任何相機的性能參數都是由圖像傳感器決定的；因此，所有其他系統組件的設計，都是圍繞圖像傳感器來展開的。
通常，CMOS傳感器被認為是高速成像應用的最佳選擇。不同于像素數量有限的CCD傳感器，將輸入光轉換為電壓信號，然后通過數量有限（一個到幾個）的輸出節點以模擬信號的形式發送出芯片；CMOS傳感器的芯片內包含放大器和數模轉換器（DAC），避開了CCD圖像處理的高功耗和較慢的讀出速度。
“CMOS傳感器是許多高速相機的核心，主要考慮到其較高數量的傳感器通道，用于實現迅速的光子/電子轉換，快速將電子從傳感器送走。”美國Photron公司銷售和市場營銷總監Andrew Bridges說，“大量的DAC可以成為大的發熱體，因為這需要更多的內存。幸運的是，CMOS中理想的板載內存情況，也可以通過快速數據卸載技術來實現。”
除了減少生熱和傳感器噪聲，“光靈敏度是高速成像應用中的一個關鍵因素。”Bridges說，“當FASTCAM SA5在2008年左右推出時，10000的ISO值給人們留下了深刻的印象。現在，FASTCAM SA-Z中新的傳感器電子產品，為12位單色相機提供50000的ISO值，為36位Bayer彩色相機提供20000的ISO值，兩者均采用20μm2的像素。”Bridges介紹說，通過開發新的電路設計，大大降低了噪聲，提高了增益，從而提高了靈敏度。
“我們根據真正的行業ISO Ssat12232標準，來衡量FASTCAM相機在高幀率下的光靈敏度，在同樣的照明條件下采用更快的快門/曝光速度和更大的景深，無需更多的照明。”Bridges說。
標準面陣相機的一種替代方案是線陣相機。線陣相機的速度不是以每秒幀數來衡量，而是以頻率來衡量，即在被掃描的物體運動的情況下，線陣相機每秒能夠掃描的線數，每條線攜帶數千像素信息，用于采集數據。線陣相機具有更短的曝光時間，通常與高亮度光源配合，用于工業機器視覺應用。
德國Chromasens公司的三線相機，通過布置極其接近的三條RGB傳感器線，實現以高水平的顏色精確度捕獲移動物體的圖像。該公司的allPIXAwave相機基于四線CMOS彩色線掃描傳感器，線長高達15000×4行，工作速度為150kHz，吞吐量為850Mpixels/s。
加拿大Teledyne DALSA公司在2003年開發了定制的傳感器和相機，能夠實現1億幀/秒的成像速率。該高幀率相機采用定制式像素設計，主要針對那些需要極短成像時間（爆炸式成像），以及拍攝圖像的數量有限（10-15張）并且讀出緩慢的應用，該相機能夠提供圍繞單個事件的相關情況的詳細信息。
美國Specialised Imaging公司使用圍繞光學分束器創建的多個超高分辨率（高達1360×1040像素）傳感器，用于持續時間從幾十微秒至幾十納秒的超高速事件，如激光引發的沖擊、微爆炸、超高速碰撞、彈道事件和以及某些生物過程。通過以從100幀/秒到高達10億幀/秒的任意幀率序列觸發每個傳感器，避免了不得不快速讀出傳感器數據所帶來的限制。分束器將主圖像分割為多達16個端口，同時保持具有>100 lp/mm的空間分辨率和近零視差的無畸變圖像。
Specialised Imaging公司的相機使用增強CCD（ICCD）傳感器，作為計數時間短至幾納秒的電光快門，也作為增益級將光的短曝光時間放大至CCD可記錄的級別，然后光纖耦合至微通道管板。通過使用快速（300ns的衰減）熒光粉和線轉移型CCD，ICCD兩幀之間的捕獲間隔小于550ns，最終實現16幀相機，具有1450萬幀/秒的最高速率，所有均來自于8通道ICCD相機。
幀率和數據存儲
“幾年前，我們的FASTCAM ultima APX-RS是市面上最快的高速視頻相機，幀率25萬幀/秒，但只有128像素寬×16像素高的非常低的分辨率。”Bridges說道，“今天，FASTCAM SA-Z能以128×8像素[寬×高]、210萬幀/秒，或者384×128像素、25.2萬幀/秒的速率記錄圖像。”
但是美國Fastec Imaging公司的產品經理Tim Brandt提醒我們，更高的幀率并不總是捕捉有意義信息的最佳途徑。“有了更高的分辨率，有可能在覆蓋更大視場上做得更好。假如想通過幀拍攝移動物體的五幅圖像以表征其運動，不受阻礙的物體移動通過非常有限的視場，將比其通過較大視場時快得多，因此為了在有限的視場內捕獲五幅圖像，將需要更高的幀率。”他繼續說，“但采用更大的視場有兩大優勢：首先并不需要這么高的幀率；其次，將得到物體在更長時間周期內的圖像，這將產生關于其行為的更多和更好的信息。”
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