高速摄像机工作原理

       高速摄像机是一种能够以小于1/1000秒的曝光或超过每秒250帧的帧速率捕获运动图像的设备。它用于将快速移动的物体作为照片图像记录到存储介质上。高速摄像机可以在很短的时间内完成对高速目标的快速、多次采样，当以常规速度放映时,所记录目标的变化过程就清晰、缓慢地呈现在我们眼前。高速摄像机技术具有实时目标捕获、图像快速记录、即时回放、图像直观清晰等突出优点。

       如今高速摄像机的飞速发展，使得高速摄像机应用于众多领域，如张建花等^【1】针对某型飞机飞行试验中，无法采用常规机载影像测量方法精确计算飞机滑跑过程偏心定位距的问题，设计了一套基于地面多像机视场拼接的影像测量方案。通过在跑道边多点交错布设高速像机阵列，组成高速像机测量控制网,实现飞机滑跑过程影像的全覆盖；采用多摄像机交会接力测量以及数据拼接的方式，实现飞机偏心定位距的测量。实验仿真结果表明，采用该方案偏心定位距Z大测量误差不大于3cm，满足飞行试验精度要求。 

       曹恒将等^【2】安全阀是液压支架的重要保护元件，基于综采工作面上覆岩层的"砌体梁"结构力学模型，液压支架承受的是静态负载和动态负载的总和，基于此，提出了安全阀动静组合加载试验台(其中蓄能器的载荷模拟静态载荷，气体爆炸产生的载荷模拟动态载荷)。实验初始条件如下:LPG-空气混合气体爆炸前的压力为1. 6 MPa，安全阀的调定压力为45 MPa，蓄能器的充液设定压力为31. 5 MPa。实验结果表明：被试安全阀压力超调量为5 MPa，约为调定压力的11%，被试安全阀压力稳定时间为0. 017 s。采用ANSYS Fluent对安全阀的流场进行仿真，通过高速摄像机得到了安全阀溢流过程的照片，验证了安全阀流场的仿真结果。

       黄鹏飞等^【3】设计出了一种新的高速摄像拍摄技术，可以拍摄脉冲焊中任意时刻电流对应的电弧。利用脉冲焊中电流周期性变化的规律，在不同脉冲电流周期的相同点拍摄几十张照片并取其直径的平均数，解决了一般性能的高速摄像机拍摄速度低于超高频脉冲电流变化速率的问题。基于自主研制的高频TIG焊接设备进行了工艺焊接试验，并利用MATLAB技术处理图像，研究了基值电流I_b为50 A，峰值电流I_p为100 A的焊接电弧。结果表明，电弧随脉冲变化时间常数为几十微秒。在脉冲电流突变时，对脉冲电弧加热及散热进行了分析,发现电弧扩张速度大于收缩速度。

高速摄像机拍摄弹弓弹射玻璃杯破裂场景

       一般摄像机的工作原理通常是把光学图象信号转变为电信号，以便于存储或者传输。当我们拍摄一个物体时，此物体上反射的光被摄像机镜头收集，使其聚焦在摄像器件的受光面上，再通过摄像器件把光转变为电能，即得到了“视频信号”。高速摄像机工作原理是什么？

       高速运动物体受到光照射产生反射光，亦或是本身发光，这些光的一部分透过高速成像系统的成像物镜。经物镜成像后，落在光电成像器件的像感面上，受驱动电路控制的光电器件，会对像感面上的目标像快速响应，即根据像感面上目标像光能量的分布，在各采样点即像素点产生响应大小的电荷包，完成图像的光电转换。带有图像信息的各个电荷包被迅速转移到读出寄存器中。读出信号经信号处理后传输至电脑中，由电脑对图像进行读出显示和判读，并将结果输出。

（内容来源于网络）

参考文献

[1]张建花,张杰. 基于多视场拼接的飞机偏心定位距精确测量[J]. 应用光学,2018,(3).doi:10.5768/JAO201839.0303002.

[2]郭永昌;廉自生;袁红兵;廖瑶瑶;崔红伟;;液压支架用大流量安全阀性能分析[J];液压与气动;2019年01期

[3]黄鹏飞;丁斌;胡伊通;周震国;卢振洋;超高频脉冲TIG焊电弧形态分析[J];焊接学报;2018年02期

       高速摄像机可以在很短的时间内完成对高速目标的快速、多次采样，当以常规速度放映时，所记录目标的变化过程就清晰、缓慢地呈现在我们眼前。高速摄像机技术具有实时目标捕获、图像快速记录、即时回放、图像直观清晰等突出优点。正因为如此多的的优点广受消费者的青睐，但是市面上高速摄像机的品牌众多，如何选择合适的高速摄像机？可以从以下几个方面来选购：

1.帧数率

       即FPS，指每秒钟刷新的图片的帧数，高速摄像机的帧速率越高，就意味着它每秒钟拍摄获得的图像帧数就越多，呈现出的动画效果自然也会更加逼真生动。选择高速摄像机的帧速率要结合自己的实际情况来决定，越高的帧速率，往往价格也越贵。

2.分辨率

       指高速摄像机一次采集图像的像素点数。一般是直接与图像传感器的像素总数对应的，用水平和垂直方向总像素数表示。 千眼狼高速相机、高速摄像机有100万像素、400万像素、1600万像素、2000万像素等多种型号. 可以根据需要拍摄的范围、观察精度来确定需要的分辨率. 例如, 拍摄范围为2米x 1米, 而观察精度为1mm时, 分辨率要大于2000×1000。

3.曝光时间

       高速摄像机曝光时间是指从快门打开到关闭的时间间隔，在这一段时间内，物体可以在传感器上留下影像。曝光时间越长， 图像越明亮，但并不是曝光时间越长也好，曝光时间过长，会出现过曝光，部分图像变成白色；如果拍摄运动的物体，曝光时间过长，还会出现运动模糊。 为了拍清楚运动物体，一般要求在曝光时间内，CMOS内图像的移动不超过2个像素。 例如，距离5M拍摄运动目标，目标运动速度为70M/S。如果使用焦距为50mm的镜头，成像放大倍数为0.01。千眼狼2F04的CMOS传感器像元大小为7um，因此，要获得边沿清晰的图像， 曝光时间应小于7 X 2 / 0.01 / 70 = 20u。

4.传感器

       高速摄像机的传感器主要有两种类型：CCD和CMOS。CCD信号采集能力更强，但由于技术要求高、制作工艺复杂、成品率低，因此成本也比较高；CMOS生产工艺简单、集成度高，缺点在于信号采集能力更差、噪音比较大。

       事实上，在经过一系列技术改造，CMOS传感器的感光性能已有了很大改进，完全可以媲美CCD传感器的效果。目前市场上的摄像机传感器也都以CMOS为主。

5.内存

       高速摄像机不太适合长时间记录动作，内存越大，可以连续高速采集的时间就越长，需要根据自己的实际情况来选择合适的内存。

6.售后服务

       高速摄像机售后服务很重要，国外进口的一线品牌在国内dai理商有些不具有维修服务，还需要到国外维修，增加了成本，选择具有完善售后服务的品牌高速摄像机很重要。

       富煌君达拥有完全自主知识产权的“君达超眼”高速视觉感知技术，打破了日本、美国、欧洲的技术垄断。集成君达超眼技术的“千眼狼”高速摄像系统，广泛应用于科研、工业、等领域。公司拥有快速定制响应能力，可提供便捷、优质的高速视觉解决方案，满足用户个性化应用需求。公司在瞬态过程分析、运动轨迹测量、目标跟踪与识别、实时画面录播及观测、产品性能试验、在线故障分析、在线质量检测等领域积累了丰富的经验和Z佳应用实践。

（内容来源于网络）

Q：怎么选择千眼狼高速摄像机、高速相机的分辨率?

A：千眼狼高速相机、高速摄像机有100万像素、400万像素、1600万像素、2000万像素等多种型号。可以根据需要拍摄的范围、观察精度来确定需要的分辨率。例如，拍摄范围为2米x 1米, 而观察精度为1mm时, 分辨率要大于2000×1000。

Q：相机触发前能保存多长时间？相机的一共能保存多久的视频？

A：1、我公司的2F04系列相机自身不带内存，保存时长取决于存储器的硬盘大小，一秒钟接受380M的数据，硬盘大小足够的话可以半小时以上。

2、其他系列相机触发前保存的Z长时间与相机Z大存储时间相同，相机的Z大储存时间取决于内存和工作的性能参数，内存越大、使用性能越低相机的Z大存储时间越长，一般系列标配的产 品在Z高性能下能存储 8 秒，高配的甚至能实现十几分钟。

Q：2F04的连续拍摄时间只有10几秒，很难抓到我想要的镜头吧？

A：君达高科高速相机同时具有前触发和后触发的功能，方便您轻松捕捉感兴趣的画面。  

      不能否认所有的数据存储设备都有空间的限制，相机也是如此。因为存储容量的限制，所有的高速相机都会面临一个问题，如果拍摄启动的时间太早，可能“兴趣画面”还没有产生，储存设备就已经满了，如果启动的太迟，可能“兴趣画面”已经错过了，可能会丢失重要的信息。然而“兴趣画面”产生的时刻，有的时候是很难预料的。为了解决这个问题，我们引入了后触发功能。  

       当您选择了后触发功能,相机启动后将循环采集，当存储空间满的时候会自动用Z新的帧替换掉Z老的帧，确保当前存储空间中都是Z新的数据。 

       例如，您想捕捉某运动员的跳水过程，相机的采集时间有10秒，跳水过程为3秒，运动员准备时间可能在2秒到30秒之间，所以起跳的时刻是未知的。如果您使用的是君达高科千眼狼系列高速摄像机，您可将相机设置为后触发模式，在运动员准备跳水的时候开始采集，在运动员落水之后，点击停止，那么您将采集到运动员落水之前10秒到落水时刻的画面。

Q：镜头的焦距怎么选择?

A：虽然变焦镜头可以满足多种应用需求，但是定焦镜头可以获得更好的画质，而且价格较低，因此我们推荐客户使用定焦镜头。 用户可以拍摄精度、放大比例、拍摄距离考虑。千眼狼2F04的像元大小为7um，千眼狼2F16的像元大小为3.9um。如果拍摄比例为0.3倍，则2F04可以拍摄Z小7/0.3=23um； 而2F16可以拍摄Z小3.9/0.3=13um。 镜头的说明书上都会写明该镜头的Z大拍摄比例。 一般来说，如果拍摄比例>0.3，可选择微距镜头；如果拍摄比例小于0.3，而其拍摄距离比较近，可选择标准焦距镜头(50mm左右)，或中长焦镜头；如果拍摄距离比较远，可以使用长焦镜头或望远镜头。千眼狼高速相机、高速摄像机的售前技术支持工程师会根据您的具体应用，给您选配Z合适的镜头。

Q：什么是光圈?

A：千眼狼高速相机、高速摄像机都可以手动调节镜头光圈。光圈越大，画面越亮。但光圈增大的同时，景深会缩小，对焦也越难。因此，综合调节光圈和曝光时间才能获得理想的图像。

Q：什么是曝光时间，怎么选择曝光时间呢？

A：相机曝光时间是指从快门打开到关闭的时间间隔，在这一段时间内，物体可以在传感器上留下影像。曝光时间越长，图像越明亮。但并不是曝光时间越长也好，曝光时间过长，会出现过曝光，部分图像变成白色；如果拍摄运动的物体，曝光时间过长，还会出现运动模糊。为了拍清楚运动物体，一般要求在曝光时间内，CMOS内图像的移动不超过2个像素。例如，距离5M拍摄运动目标，目标运动速度为70M/S。如果使用焦距为50mm的镜头，成像放大倍数为0.01。千眼狼2F04的CMOS传感器像元大小为7um，因此，要获得边沿清晰的图像，曝光时间应小于7 X 2 / 0.01 / 70 = 20us。

Q：千眼狼高速相机是全局快门吗?

A：是的，千眼狼具有全局快门，适合拍摄高速运动的对象。数字相机通常有滚动快门(Rolling shutter)和全局快门(Global Shutter)两种快门。全局快门是通过整幅图片在同一时间曝光实现的, 传感器的所有像素点同时收集光线，同时曝光。当预设的曝光时间到了，所有像素同时停止收集光线，并将曝光信号转成电子图像。当采用全局快门方式曝光时，所有像素在同一时刻曝光，类似于将运动物体冻结了，所以适合拍摄快速运动的物体。 滚动快门与全局快门不同，滚动快门是逐行曝光的方式，曝光一行输出一行，图像从上到下各行不是同一时刻曝光的。如果物体或摄像头在拍摄期间处于快速运动状态，拍摄结果就可能出现“倾斜”、“摇摆不定”或“部分曝光”等任一种情况, 所以不适合高速运动物体的拍摄。

Q：千眼狼高速摄像机要配怎么样的镜头?

A：千眼狼高速相机、高速摄像机可使用常见的单反相机镜头。 不同厂家生产的镜头，其安装接口是不同的。目前行业中常用的有尼康F口、宾得K口、佳能EF口等接口标准。不同接口直接可以用转接环进行接口转换。千眼狼高速相机、高速摄像机支持尼康F口的镜头。千眼狼高速相机、高速摄像机采用APS画幅的高灵敏度CMOS图像传感器，可以配合所有APS-C画幅或35mm画幅的单反镜头使用。

Q：我完全不懂摄影, 也没用过单反, 能用好千眼狼高速相机吗?

A：不是专业摄影者或者没用过单反相机也可以用好千眼狼高速相机、高速摄像机。千眼狼在售前会派技术人员针对您的测试测量目标，为您制定合适的拍摄方案，经过现场培训保证您可以得到满意的图像。您也可以根据以下说明调整相机：

       根据拍摄范围和镜头的视场角确定拍摄距离；

       根据目标的运动速度确定曝光时间；

       设定相机的曝光时间, 然后转动镜头的光圈环, 直到画面出现；

       转动镜头的对焦环进行对焦；

       如果需要，可以再次调整光圈环，使画面亮度适中，再微调对焦环，Z终获得清晰的图像。

Q：为什么帧率足够了，拍摄出来的画面还是模糊的，有拖影？

A：拍摄出来的画面是模糊的，有拖影即画面动态模糊，主要是由于曝光时间过大造成的；t（曝光时间）×v（运动速度）＜1 pixel

Q：为什么分辨率调小了之后，帧率没有发生变化？

A：对于千眼狼高速相机来说，影响帧率变化的不仅仅有分辨率，还有曝光时间。相机曝光时间是指从快门打开到关闭的时间间隔，在这一段时间内，物体可以在底片上留下影像。曝光时间会限制高速相机帧率的上限值；

1s/曝光时间=帧率（Max）

Q：如何加强拍摄时的景深大小？

A：景深是指镜头前沿能够取得清晰图像的成像所测定的被拍摄物体前后距离范围；景深的大小与以下几点有关系：

      （1） 光圈越小，景深越深

      （2） 镜头焦距越短，景深越深

      （3） 拍摄距离越长，景深越深

       可以综合调节以上几点来加深景深以加大图像清晰范围。

千眼狼研发团队2020年伊始推出户外简单操作便捷式的千眼狼家族shou款便携式高速摄像机，具有轻便、实时调焦、广电级专业画质、5小时自供电、灵活定制等众多特点。

便携式构成一览

千眼狼便携式高速摄像机核心参数

经典应用场景推荐

    ● 体育运动

    ● 动物摄影观测

    ● 实弹出膛

     ●战场态势观测

       激光焊接是材料加工技术应用重要方向之一，因其产能高、自动化程度高、焊缝质量高等特点，被广泛应用于汽车、造船、、造桥等行业。研究影响焊缝效果的因素，如何进一步提升焊接质量，成为行业相关企业研究的热点。

       武汉锐科光纤激光技术股份有限公司专业从事光纤激光器及其关键器件与材料的研发，此次实验主要研究激光焊接功率对焊接效果的影响，特邀千眼狼高速摄像机技术支持工程师用高速图像观测技术，JZ观测材料激光焊接熔池周边和熔池ZX的熔融状态。

       因激光焊接过程中亮度会过曝，普通相机无法拍摄到内部熔池的状态，千眼狼高速摄像机可以采用特殊光源或特殊光路进行拍摄，来观察熔池熔融状态和熔池飞溅方向，如图1。

图1   拍摄现场

       千眼狼高速摄像机技术支持工程师采用特殊光源拍摄两组实验。DY次实验由上至下拍摄，激光焊接机功率2000W，波长1064nm，高速摄像机拍摄工作距离30cm，采用105mm微距镜头，1280X300@6000fps拍摄熔池熔融状态。

       第二次实验激光焊接机功率提高至6000W，拍摄观察熔池ZX迸溅的熔滴与飞溅方向。

上述实验结果表明，激光功率是影响熔池熔融状态与飞溅方向的重要因素。通过高速摄像机观察分析焊接过程中熔池周边和熔池ZX的熔融状态，可研究不同功率下的激光焊接效果，助力生产企业控制生产成本、提高产品质量。

// 千眼狼高速摄像机5F01

● 全幅ZD分辨率1280×1024，小画幅最快可达128000FPS；

● 具备智能帧率、分辨率动态调整功能；

● 具备USB3.0、TRIG、SYNC IN、SYNC OUT等功能接口；

● 具有外同步功能，支持多台摄像机同步拍摄；

● 应用于机械运动、燃烧、微流体微流控、结构力学等领域研究。

      多相微流控系统是包含两种及两种以上流体或相态的微流控系统，其流道的典型尺度在纳米到亚毫米量级。因其所需流体量少，热质传输响应速率快，产生污染物少等优点，被应用于热控、生物芯片、YL、化工、能源等各个领域。但因流体细小、速度快，存在研究时无法直接清晰观测其流体运动状态和流体运动流速的痛点。

       中科院化学所乔燕教授研究多相微流体试验时，利用千眼狼高速摄像机与显微镜组合拍摄观察微流体中液滴状态及液体流速。此次试验将高速摄像机通过C口转接环连接显微镜镜头上方，以10倍放大倍数清晰拍摄微流体控制过程，如图1所示。

图1 试验现场

       高速摄像机可以每秒1000~10000帧的速度记录，可拍摄整个流体流动过程的动态画面，并能取得精确的微流体尺寸和速度信息。

       试验中通过千眼狼高速摄像分析系统慢放观看微流体中液滴运动过程，如图2所示，并分析得到微流体试验时液相油相不同配比流速时的实验数据，包括液滴直径，液滴数量等相关数据。

图2 慢放帧画面

       多相微流体系统研究对微流控技术发展非常关键。如何建立多相微流体系统相关研究基础理论，解析其反应过程与机制，实现对流体流动及反应的JZ调控，高速摄像机及测量技术可在此研究过程中发挥重要作用。