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**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。
1980年Koda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KodakEktapro1000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EktaproEM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 EktaproHS4540、KodakEktaproHi Spec、KodakEktapro1000HRC。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KodakEktaproRo、NAC MemeramCi、NAC MemrecamCCS、RedlakeMotionscope500、KodakEktaproMo TionCorder都是典型的第六代分析系統(tǒng)。KodakEktaproMo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)PCMCI A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)?shù)能浖褦?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為tiff圖像格式,再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
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。
RedlakeMotionscope500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。
KodakEktaproMo TionCorder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。
第六代高速攝像系統(tǒng)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(1024×1024)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。
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