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中創(chuàng)百科 | 高速攝像的發(fā)展歷程

    高速攝像技術(shù)的發(fā)展可由攝像速度（幀頻）及其綜合特性來描述。

    19世紀(jì)60年代初期，隨著磁記錄技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了第一代運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)。但它的商業(yè)化是在70年代，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的局限，系統(tǒng)滿畫幅只能達(dá)到120幅/s的攝像速度。

    第二代運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)于1979年由日本NAC公司推出，其攝像速度為200幅/s。這在技術(shù)上是一個(gè)很大的進(jìn)步，因?yàn)镠SV—200型高速攝像系統(tǒng)可記錄彩色圖像，并且能記錄很長(zhǎng)的時(shí)間。

NAC初代高速攝像機(jī)

    1980年Kodak公司推出了第三代運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)———SP2000系統(tǒng)。這種革命性的設(shè)備，以2000幅/s或12000幅/s（分區(qū)）的速度把黑白圖像 記 錄 在 寬12.7mm 的 高 密 度 磁 帶 上。雖 然 其 攝 像速度很多年都保持**高，但磁帶上的圖像處理起來卻比較麻煩。  

    1986年運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)獲得了重大的技術(shù)進(jìn)步，主要標(biāo)志產(chǎn)品為 KodaK Ektapro 1000運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)，其攝 像 速 度 為1000幅/s 和6000幅/s。雖 然 其 速 度 比 SP2000低，但 有 較 多 的 優(yōu) 勢(shì)：低 成本，高性能的磁帶傳輸系統(tǒng)，雙攝像機(jī)操作，GPIB控制接口，磁帶寬12.7ｍｍ，當(dāng)記錄16通道的圖像信息時(shí)，傳輸速度為7.62m/s。允許兩臺(tái)攝像機(jī)的圖像在同一屏幕上分開顯示，并可設(shè)定不同的攝像頻率。二者的圖像隔行插入，可使500幅/s攝像機(jī)提供1000幅/s的速度。磁記錄技術(shù)在第三代運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，但在基于磁帶的運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)中，這種技術(shù)存在著固有的記錄限制。這種運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)不僅記錄時(shí)間有限，而且在磁帶回放過程中，無法準(zhǔn)確定位記錄的位置。因?yàn)檫@些記錄設(shè)備是機(jī)電式的，從啟動(dòng)到實(shí)際記錄圖像，以及停機(jī)時(shí)都有一個(gè)時(shí)間延遲，在應(yīng)用中局限性很大。

    第四代高速攝像系統(tǒng)是一種全新的圖像記錄系統(tǒng)，它以固體存儲(chǔ)器作為存儲(chǔ)介質(zhì)。1990年，Kodak生產(chǎn)的 Ektapro EM高速攝像系統(tǒng)，把數(shù) 字 圖 像 存 儲(chǔ) 在 動(dòng) 態(tài) 隨 機(jī) 存 儲(chǔ) 器（DRAM）中，這 與以往通過記錄長(zhǎng)時(shí)間圖像數(shù)據(jù) 來捕獲事件的傳統(tǒng)方式不同。DRAM 技術(shù)表明在大部分的應(yīng)用中，不 需 要 太 長(zhǎng) 的 記 錄 時(shí) 間。DRAM 技術(shù)采用獨(dú)特圖像獲取方法進(jìn)行圖像處理，提高了圖像質(zhì)量，并可連續(xù)不斷地對(duì)圖像實(shí)時(shí)記錄。經(jīng)過２０年的發(fā)展，DRAM已提高了其存儲(chǔ)密度，降低了每幅圖像存儲(chǔ)的成本。第五代高速攝像系統(tǒng)在分辨率、幀頻、彩色／黑白圖像質(zhì)量方面都得 到 提 高。

    第 五 代 高 速 攝 像 系 統(tǒng) 有 三 種 代 表 產(chǎn) 品：Kodak Ektapro HS4540、Kodak Ektapro Hi-Spec、Kodak Ektapro 1000HRC。HS4540記錄的速度為（4500～40500）幅/s。Hi-Spec是一種抗沖擊 的 運(yùn) 動(dòng) 分 析 系 統(tǒng)，在 惡 劣 環(huán) 境 下 記 錄 速 度 為 1000幅/s。攝像頭可承受高達(dá)40g的沖擊。HRC 在分辨率為（512×384）像元時(shí)，可以1000幅/s的速度記錄彩色和黑白圖像，這個(gè)系統(tǒng)的分辨率是以往高速攝像的４倍。

    第六代高速攝像系統(tǒng)功能齊全，并為用戶提供了更好的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性。其中 Kodak Ektapro RO、NAC Memrecam Ci、NAC Memrecam CCS、Redlake Motionscope 500、Kodak Ektapro MotionCorder都是典型 的 第 六 代 分 析 系 統(tǒng)。Kodak Ektapro RO圖像傳感器是一個(gè)性能卓越、功能齊全的攝像系統(tǒng)，專門為在特殊的應(yīng)用環(huán)境下代替膠片攝影機(jī)而設(shè)計(jì)，其體積小，重量輕；接受移動(dòng)PCMCIA 硬盤或閃存，來從 DRAM存儲(chǔ)器中獲得圖像；記錄的圖像一直保留，直至下載到計(jì)算機(jī)中。以前的高速攝像系統(tǒng)一直都和圖像處理器相連，而 RO（只記錄）攝像機(jī)不需要處理器，或者無需和它連接。但 任 何 計(jì) 算 機(jī) 都 需 要 適 當(dāng) 的 軟 件，把 數(shù) 據(jù) 轉(zhuǎn) 換 為tiff圖像格式，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

    日本NAC的Memrecam高速攝像系統(tǒng)提供了相似的卓越性能，該系 統(tǒng) 可以用500幅/s的速度，在（580×434）像元的分辨率下記錄彩色圖像。通過降低分辨率，其速度可達(dá)2000幅/s。Memrecam Ci自身有一個(gè)控制面板，操作簡(jiǎn)單方便，NASC/PAL 圖像可在標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)視器上顯示。

NAC Memrecam HX系列高速攝像機(jī)

    Redlake Motionscope 500是一個(gè)功能齊全的黑白高速攝像，它自帶一個(gè)監(jiān)視器，可以250幅/s和500幅/s的速度（降低分辨率）記錄，從它的后面板上可進(jìn)行簡(jiǎn)單的控制。系統(tǒng)有一個(gè)可移動(dòng)的攝像頭，特別適合產(chǎn)品制造過程的檢測(cè)。攝像頭的體積可放入有限的小空間中，而且其電纜線可以斷開獨(dú)自進(jìn)行工作。

    Kodak Ektapro MotionCorder為便攜式的攝像系統(tǒng)，其攝像頭體積很小，靈敏度高，ISO或EI約為1600。該系統(tǒng)為黑白攝像機(jī)，分辨率為（640×240）像元，可提供高質(zhì)量的圖像，系統(tǒng)的攝像頻率為（240～600）幅／秒。系統(tǒng)有不同的圖像格式可供選擇，相應(yīng)的記錄時(shí)間從幾秒到40ｓ。

    第六代高速攝像機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)在于其體積、價(jià)格、便攜、抗沖擊及易操作等優(yōu)勢(shì)。RO型設(shè)計(jì)是為了獲取圖像，并 且 也 可 進(jìn)行重放，但回放速度有限。圖像也考慮到了在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行回放，因?yàn)榇蟛糠止疽呀?jīng)有了計(jì)算機(jī)，而且大部分使用專用分析軟件，其他費(fèi)用主要是攝像機(jī)。這些卓越的圖像捕獲系統(tǒng)，有望代表未來運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng) 的 發(fā) 展 方 向，將 被 研 制 和 銷 售，就像個(gè)人電腦一樣，顧客將不同廠家的硬件和軟件組裝配置其設(shè)備，供用戶專用。

    目前高 速 攝 像 系 統(tǒng) 主 要 優(yōu) 點(diǎn) 在 于 圖 像 的 傳 感 器 主 流 為CMOS傳感器，分辨 率 高（高 于1025×1024像 元），相 機(jī) 可 獨(dú) 立工作，事后通過網(wǎng)線或通用接口把圖像下載至計(jì)算機(jī)；并可組成網(wǎng)絡(luò)攝像系統(tǒng)；系統(tǒng)操作方便，功能齊全，沒有光暈現(xiàn)象，拍攝圖像清晰，抗干擾能力強(qiáng)，功耗低。

NAC高速攝像系統(tǒng)集機(jī)械/光學(xué)設(shè)計(jì)、加工，制造和軟件開發(fā)于一體的橫濱技術(shù)中心

注：本文參考《高速攝像及其應(yīng)用技術(shù)》/張三喜 姚敏 孫衛(wèi)平編著，國(guó)防工業(yè)出版社。