要多慢有多慢，每秒萬(wàn)億幀的高速攝影

　　也正因?yàn)槿搜塾羞@么一個(gè)局限，使得一些更高速的運(yùn)動(dòng)，人眼就無(wú)法完全捕捉了，這時(shí)候我們就需要借助外力，讓動(dòng)作變慢，以確?？梢酝暾^看到——高速攝影技術(shù)，就是為此應(yīng)運(yùn)而生的產(chǎn)物。

　　高速相機(jī)的原理

　　想要進(jìn)行高速攝影，就需要依靠高速相機(jī)，后者是工業(yè)相機(jī)的一種，具有高圖像穩(wěn)定性、高傳輸能力和高抗干擾能力的優(yōu)勢(shì)。不過(guò)在成像原理上，工業(yè)相機(jī)與民用相機(jī)是沒(méi)有區(qū)別的，都是依靠把光學(xué)圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和傳輸?shù)哪康摹６壳笆褂玫淖顝V泛的就是CCD或CMOS芯片。在這里我們簡(jiǎn)單描述一下二者的不同之處。

　　CCD即電荷耦合器，是一種特殊的半導(dǎo)體材料，由大量獨(dú)立的光敏元件按矩陣排列而成，通常以百萬(wàn)像素為單位，而像素多少也就意味著CCD上有多少感光組件。在進(jìn)行拍攝時(shí)，景物反射的光線通過(guò)相機(jī)的鏡頭透射到CCD上，被轉(zhuǎn)換成電荷(每個(gè)元件上的電荷量取決于它所受到的光照強(qiáng)度)，再由控制芯片利用感光元件中的控制信號(hào)線路對(duì)光電二極管產(chǎn)生的電流進(jìn)行控制，將一次成像產(chǎn)生的電信號(hào)收集起來(lái)，統(tǒng)一輸出到放大器，經(jīng)過(guò)放大和濾波后的電信號(hào)被送到A/D(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)，經(jīng)其處理后變成數(shù)字信號(hào)，最終壓縮后存入緩存內(nèi)，形成最終的照片。

　　而CMOS和CCD一樣都是可用來(lái)感受光線變化的半導(dǎo)體，但它屬于互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體，可細(xì)分為被動(dòng)式與主動(dòng)式兩種。CMOS本身是計(jì)算機(jī)上采用的一種主要芯片，1999年首次被XirLink公司做成影像傳感器推向市場(chǎng)，其核心結(jié)構(gòu)上的每個(gè)像素點(diǎn)由一個(gè)感光電極、一個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、一個(gè)信號(hào)傳輸晶體管，以及一個(gè)信號(hào)放大器所組成，當(dāng)CMOS感受到光線之后，會(huì)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后使電極帶上負(fù)電和正電，前者的互補(bǔ)效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，再被A/D轉(zhuǎn)換器上再被處理芯片記錄和解讀成影像數(shù)據(jù)。

　　高速攝像技術(shù)是重點(diǎn)

　　然而僅僅是高速相機(jī)還不足夠，高速攝影技術(shù)也是必不可少的手段。其在信息論中的定義為——對(duì)于一個(gè)人眼無(wú)法跟隨的高速流逝過(guò)程，高速攝影提供了一個(gè)耦合的時(shí)空信息系列，其中空間信息用圖像來(lái)表示，時(shí)間信息用拍攝頻率來(lái)表示。

　　總的來(lái)說(shuō)，高速攝影是一種拍攝速度很快，曝光時(shí)間很短的一種攝影方法，再依靠“快攝慢放”的技術(shù)，最終將快速變化的運(yùn)動(dòng)過(guò)程放慢到人眼的視覺(jué)的時(shí)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(shí)，其拍攝頻率(幀/秒)必須與物體運(yùn)動(dòng)變化的速率達(dá)到同步，變化越快的運(yùn)動(dòng)會(huì)要求越高的拍攝頻率。

　　值得一提的，閃光在高速攝影中的作用是最重要的，人類(lèi)歷史上第一次真正意義的高速攝影就是靠速度為1/2000秒的閃光拍攝出了“靜止”的運(yùn)動(dòng)畫(huà)面，此外，2008年美國(guó)人塞勒所拍攝的子彈穿過(guò)香煙的照片，雖然其使用的尼康D90相機(jī)快門(mén)速度最高只有1/4000秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上300m/s左右的子彈的速度，但是操作者通過(guò)先將快門(mén)提前打開(kāi)一秒，借由子彈觸發(fā)激光束點(diǎn)亮2萬(wàn)伏微秒級(jí)的閃光燈，并在閃光燈閃亮的那一刻完成拍攝，從而完成了對(duì)于該照片的捕捉——因?yàn)楫?dāng)閃光以微秒計(jì)的時(shí)候，即便快門(mén)時(shí)間以秒計(jì)，最終保存在傳感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(yùn)動(dòng)中的物體能夠被清晰的捕捉下來(lái)。

　　高速攝影最新成果——每秒4.4萬(wàn)億!

　　最初在相機(jī)曝光需要達(dá)到數(shù)十分鐘的時(shí)代，以秒計(jì)數(shù)就已經(jīng)可以被稱(chēng)為是高速攝影，但到了當(dāng)下，高速攝影起點(diǎn)就定在了數(shù)千分之一秒左右，甚至幾億分之一秒甚至幾兆分之一秒的也不罕見(jiàn)了，而據(jù)最新的消息顯示，日本有科學(xué)家開(kāi)發(fā)出了一種新型的高速相機(jī)，其光敏元件幀間隔達(dá)每秒4.4萬(wàn)億幀，足以領(lǐng)先之前的高速相機(jī)一千倍之多。而之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的效果，原因在于其使用了一項(xiàng)名為“連續(xù)定時(shí)全光學(xué)映射攝影”的技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)其是一個(gè)基于運(yùn)動(dòng)的飛秒成像攝影術(shù)，即先對(duì)拍攝目標(biāo)的空間輪廓進(jìn)行光學(xué)映射，再使用脈沖模式相機(jī)發(fā)出極短的單脈沖串進(jìn)行圖像采集，因而能夠?qū)崿F(xiàn)一次成像，而無(wú)需像之前一樣反復(fù)測(cè)量。

　　而由于在傳感器面積一定的情況下，視頻的兩大主要參數(shù)——幀率與分辨率之間存在一定的制衡，因此當(dāng)幀率提高，那么分辨率就會(huì)下降，這也是為何這款超高速相機(jī)拍攝的照片分辨率只有450×450的緣故。

　　而4.4萬(wàn)億這個(gè)數(shù)字，是在該成果得到的影片幀率為229fs的基礎(chǔ)上計(jì)算得來(lái)的，fs是指飛秒，即千萬(wàn)億分之一秒，而1/229fs則就等于4.36萬(wàn)億，而事實(shí)上，這個(gè)數(shù)字也只能被計(jì)算出來(lái)，因?yàn)樗呀?jīng)無(wú)法被測(cè)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(yīng)用，是安裝在流水線上代替人工來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其通過(guò)數(shù)字圖像拍攝目標(biāo)后轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)(采集)，再傳送給專(zhuān)用的圖像處理系統(tǒng)(傳輸)，然后圖像處理系統(tǒng)再對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)特征(計(jì)算)，最后依據(jù)判別結(jié)果控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(反饋)。

　　舉個(gè)例子，當(dāng)流水線在灌裝飲料時(shí)，速度這項(xiàng)指標(biāo)非常重要，因?yàn)檫^(guò)快會(huì)導(dǎo)致瓶身爆裂，過(guò)慢就會(huì)增加耗時(shí)與成本，想要達(dá)到最完美的成果，就需要確定最合適的速率，而這就要借助于高速攝影來(lái)實(shí)現(xiàn)了。

　　除此之外，高速攝影還廣泛應(yīng)用于軍事(例如彈道分析)、制藥(細(xì)胞運(yùn)動(dòng))、影視(動(dòng)畫(huà)特效)、化工(噴流流體分析)、印刷(檢測(cè)高速印刷時(shí)可能存在的印刷缺陷)等行業(yè)，而在超高速相機(jī)的輔助下，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)反應(yīng)瞬間、等離子體動(dòng)力學(xué)、晶格振動(dòng)波、熱傳導(dǎo)等現(xiàn)象進(jìn)行拍攝。例如美國(guó)人就以每秒1000億幀的速率拍攝下了光在鏡面上反射的過(guò)程(見(jiàn)上圖)。

　　比起工業(yè)用途，民用高速攝影往往更富創(chuàng)造性

　　由于高速相機(jī)屬于工業(yè)用相機(jī)，因此很多人可能會(huì)連帶認(rèn)為高速攝影不能夠應(yīng)用于個(gè)人和民用市場(chǎng)，但這是錯(cuò)誤的。比如最受大眾用戶歡迎的拍照設(shè)備iPhone 6，它就可以720P的分辨率下拍攝240fps的視頻，而定位極限運(yùn)動(dòng)愛(ài)好者的GoPro也同樣可以實(shí)現(xiàn)高速拍攝，雖然它們不如工業(yè)用高速相機(jī)那么專(zhuān)業(yè)和極致，但已經(jīng)足夠用戶驚嘆一聲“Cool”了。

　　一般來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的高速攝影場(chǎng)景，包括對(duì)于運(yùn)動(dòng)中的孩子或?qū)櫸锏膭?dòng)作捕捉，像蕩在秋千上的小孩、滑雪場(chǎng)上騰空翻滾的英姿、高速飛行的鳥(niǎo)類(lèi)等等，之前有人用iPhone 6的高速攝影功能拍攝過(guò)一只剛從水里出來(lái)的狗甩動(dòng)身體的動(dòng)作，狗的皮膚就伴隨著身體的動(dòng)作來(lái)回甩動(dòng)，非常有趣。

　　或者你也可以自己嘗試拍攝水與火這兩種高速攝影常見(jiàn)的題材，比如往空杯子里倒水，或者是點(diǎn)燃一個(gè)乒乓球——然后你就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些原本轉(zhuǎn)瞬即逝，甚至你以為無(wú)法被看到和記錄的東西，它們不但富有著別樣的精彩，也可以成就你的個(gè)性化攝影佳作。