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高速攝像機(jī)可獲取的信息.docx

1.空間信息

影像的空間分辨率也叫解像能力，一般指能分辨出物空間相鄰點(diǎn)的最小線間隔，常用線對數(shù)／ｍｍ或最小角度量表示。它由系統(tǒng)的鏡頭動(dòng)態(tài)分辨率、像感應(yīng)器的光敏像元的大小和尺寸而定。系統(tǒng)的信息量因圖像傳感器的不同而不同。

一幅圖像由若干個(gè)像元組成，不同的攝像系統(tǒng)具有不同的像元數(shù)。假如像元數(shù)為Ｚ，每個(gè)像元有Ｋ個(gè)信息級（強(qiáng)度和色度或動(dòng)態(tài)范圍），那么圖像的信息就有K^Z個(gè)可能性。信息理論中把K^Z的以２為底的對數(shù)定義為空間信息量：

==Z

信息量的單位為比特，屬于二進(jìn)位制信息單位。對目視而論，人眼能分辨200個(gè)左右的灰度級和1000個(gè)左右的色度級。這樣對應(yīng)的Ｋ值就可達(dá)200×1000＝2×，＝173。

2.時(shí)間信息

用高速攝影機(jī)來研究事物的運(yùn)動(dòng)和變化需要獲得清晰的圖像，也就是獲得豐富的空間信息。但這還不夠，更重要的是高速攝影還要求有精確的時(shí)間信息。

影像的時(shí)間信息量同系統(tǒng)的畫幅時(shí)間分辨率相關(guān)聯(lián)。時(shí)間分辨率是指能夠識(shí)別運(yùn)動(dòng)物體的最小時(shí)間間隔。時(shí)間信息粗略的可以用攝影頻率來表示，它表征了攝影儀器能夠把物體的運(yùn)動(dòng)或變化在時(shí)間上分開的能力。如上所述，對于人眼來說，從接收光信號到這光信號消失需要一定的時(shí)間，我們可以認(rèn)為是1/48ｓ。若比這變化速度更快的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，人眼就分辨不出來了。

高速攝影是要求時(shí)－空耦合的信息系列，其中突出點(diǎn)是它的時(shí)間信息要求�？梢哉f高速攝影機(jī)是一個(gè)攝影的儀器，也是一個(gè)記時(shí)儀器。它的時(shí)間信息就是前后兩畫幅間隔時(shí)間Ｔ的倒數(shù)1/T，這倒數(shù)就是拍攝頻率N。也就是每秒鐘拍攝的次數(shù)。攝影就是取樣，所以攝影頻率就是取樣頻率。取樣頻率越高，則時(shí)間分辨率也愈高。這里需要引進(jìn)曝光系數(shù)η的概念。它是曝光時(shí)間ｔ與畫幅周期Ｔ之比。即

η＝ｔ／Ｔ

一般攝影機(jī)的時(shí)間信息是指前后兩畫幅間隔時(shí)間Ｔ，也稱畫幅周期。但是它并不等于一張畫幅的曝光時(shí)間。在這一周期中，只有部分時(shí)間是對畫幅進(jìn)行曝光的，其他時(shí)間由于設(shè)計(jì)上的需要或使用上的需要而有意識(shí)地設(shè)法把光路遮擋，不讓光線到達(dá)成像器件，限制曝光時(shí)間，保證成像質(zhì)量。時(shí)間信息量可由下式表示為

＝Ｎ·

式中：Ｎ為攝影頻率；ｇ為攝像機(jī)的品質(zhì)因素，是曝光系數(shù)η的倒數(shù)，若ｇ＝１時(shí)，則時(shí)間信息可用攝影頻率來代替。

在一個(gè)畫幅攝影周期并不是全部時(shí)間都在曝光，如VISARIO系統(tǒng)的快門時(shí)間最短可達(dá)10μs，在使用中采用縮短曝光時(shí)間來限制運(yùn)動(dòng)物體的速度所形成的模糊量，保證一定的成像質(zhì)量。

應(yīng)該指出，從設(shè)計(jì)上和使用上要求縮小曝光系數(shù)以保證成像質(zhì)量，但正確的曝光量往往不能滿足。所以，在使用時(shí)要根據(jù)具體情況來進(jìn)行選擇，找到一個(gè)最佳折衷方案。

3.高速攝像系統(tǒng)總的信息量

高速攝像系統(tǒng)總的信息量是空間信息容量與時(shí)間信息容量的乘積，即

I＝＝Ｚ（bit/s）

高速攝像系統(tǒng)的分辨率一般按照感應(yīng)器水平和垂直方向上的像元數(shù)表示。像元為圖像的最小單元，可按照獨(dú)立的地址進(jìn)行讀取。目前，高速攝像系統(tǒng)的分辨率從（128×128）像元到（1024×1024）像元或更高，一般地說圖像感應(yīng)器限制了高速攝像系統(tǒng)的分辨率。信息的流量和系統(tǒng)的分辨率、攝像速度密切相關(guān)，其信息流量為

信息流量（或帶寬）（maximum data rate）＝分辨率（resolution）×動(dòng)態(tài)范圍（dynamic range）×攝影頻率（frame rate）

典型感應(yīng)器的分辨率及帶寬在表１．２中給出。

表１．２典型感應(yīng)器的分辨率及帶寬（假如動(dòng)態(tài)范圍為１０ｂｉｔ）

4.時(shí)間放大

我們通常看的電視是以24幅／ｓ的攝影頻率拍攝下來，通過事后處理制成拷貝后，以同樣的頻率放映出來的。這樣，人們就可以以原來物體同樣運(yùn)動(dòng)的速度來欣賞電視里的事件。電視上的各個(gè)畫幅彼此是斷續(xù)的，但是在屏幕上我們卻能看到事件運(yùn)動(dòng)和變化是連續(xù)的，這是由于人的眼睛在生理上具有“視覺暫留”現(xiàn)象和視察運(yùn)動(dòng)過程的“心理作用”。人眼的感光和消光都需要一定的時(shí)間。當(dāng)某一個(gè)畫幅出現(xiàn)在屏幕上并引起視覺后，在該畫幅從屏幕消失后的一定時(shí)間內(nèi)，在視覺上仍能暫時(shí)的保留上述畫幅的影像，這就是“視覺暫留”現(xiàn)象，由于這一作用，人眼就觀察不到畫幅交替時(shí)屏幕上全暗瞬間，在視覺上將一系列畫幅聯(lián)系起來。正因?yàn)槿搜塾羞@種“視覺暫留”的作用，使我們感覺不到電視機(jī)畫面是由15625行／ｓ的掃描線組成，也感覺不到日光燈以50Ｈｚ頻率在閃動(dòng)。電影上的（２×24）幅／ｓ的放映頻率的倒數(shù)可以粗略看成是人眼分辨的時(shí)間極限。低于這個(gè)時(shí)間極限，人眼就能分辨出兩個(gè)連續(xù)動(dòng)作的斷續(xù)性，也就是說我們就能來得及把人物的階段動(dòng)作看清楚。高于這個(gè)時(shí)間極限，人眼所看到的事物變化只能用“一剎那”、“一瞬間”來形容了，甚至根本無法描述。這時(shí)，采用高速攝影的手段來進(jìn)行“快攝慢放”，對于解決許多具體問題有著特殊的意義�！翱鞌z慢放”對我們大家來說并不陌生，體育運(yùn)動(dòng)記錄片中看到的所謂“慢動(dòng)作”就是這種情況。它可以幫助教練員、運(yùn)動(dòng)員對動(dòng)作進(jìn)行分析研究、提高成績，也可使觀眾悉心欣賞體育運(yùn)動(dòng)。但是體育上的動(dòng)作速度畢竟是“高速現(xiàn)象”中的“最低速”了。在近代科學(xué)技術(shù)中經(jīng)常碰到大量的以極高速運(yùn)動(dòng)和變化的現(xiàn)象。如高速運(yùn)動(dòng)的機(jī)器，金屬的切削，材料的斷裂，火藥的燃燒，子彈的飛行，核爆炸，激光核聚變等現(xiàn)象，它們變化和運(yùn)動(dòng)速度從幾十米每秒到數(shù)萬米每秒，要想通過攝影來對這些瞬變事物進(jìn)行記錄分析研究，首先要求攝影機(jī)有極高的攝影頻率或記錄速度。若把高速攝影下來的畫幅用正常的24幅／ｓ的放映頻率進(jìn)行放映，則快速變化的事件就以緩慢的動(dòng)作重現(xiàn)在銀幕上，這就有利于對過程的分析研究。如同顯微鏡能夠?qū)⑽⒂^物體放大那樣，高速攝影機(jī)（攝像機(jī)）起到了時(shí)間“放大”的作用。攝影頻率和放映頻率之比稱為時(shí)間放大率：

βｔ＝

例如用1200幅／ｓ的攝影頻率來對蜜蜂翅膀在飛行時(shí)的振動(dòng)進(jìn)行拍攝，再用24幅/s的放映速度放映出來，那么這振動(dòng)的過程就被“放大”了50倍。

“時(shí)間放大”的概念一般只是針對高速攝影機(jī)而言的，即是對“快攝慢放”而言的。對快速現(xiàn)象進(jìn)行定性研究時(shí)，它只要求能幫助人眼把快速的動(dòng)作放慢看得清各分解動(dòng)作就行了，如體育上的一般快速運(yùn)動(dòng)，機(jī)器的故障分析，脫殼彈的部件分離等。而大部分的科學(xué)技術(shù)問題不但要做出定性的觀察，更重要的是要給出定量的數(shù)據(jù)，建立起現(xiàn)象的變化與時(shí)間、空間甚至與電量、溫度等物理量之間的關(guān)系。所以高速攝影機(jī)不但是一種時(shí)間放大的工具，而且還是一種精密的時(shí)間空間的測量儀器。要研究一個(gè)運(yùn)動(dòng)或變化的物體，必須要用一定的時(shí)間和空間相關(guān)關(guān)系來表達(dá)。從數(shù)學(xué)角度上來看，就是要使事物的空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)建立起一定的關(guān)系來。因此，高速攝影的主要技術(shù)指標(biāo)就是空間信息和時(shí)間信息。