Capturing the Moment.docx
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Capturing the Moment.docx
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CapturingtheMoment
CapturingtheMoment
抓拍瞬间
Beforespecifyingahigh-speedcamera,systemdevelopersshouldcarefullyconsidertheirapplications
在确定高速摄像机前,系统开发商应仔细考虑其应用场合
Explodingballoons,crashtestdummiesbarrelingintowalls,andhummingbirdspollinatingflowersarejustsomeofthemanyimagesusedbyhigh-speedcameravendorstopromotetheirproducts.Whilesuchimagesareimpressiveandrepresentdifferentnicheapplicationswherethecamerasaredeployed,theyrarelyhighlighttheindustrialandscientificapplicationsforwhichthesecamerasarebeingused.Introubleshootinghigh-speedproductionlines,forexample,camerascanbeusedtocapturesingleorsequencesofevents,allowingtheoperatortoanalyzeanymechanicalfaultsthatmaybeoccurring.
爆炸的气球、高速摄像机厂商、碰撞测试人偶与墙体撞击以及在采食花蜜的蜂鸟只是高速摄像机厂商用来推销其产品中许许多多的图像的其中几个。
虽然这些图像令人印象深刻,代表着用到摄像机的不同类型的应用场合,但是却几乎没有强带哦这些摄像机所在的工业和科学应用场合。
例如,在给高速生产线排除故障时,摄像机可以用于捕捉单个或一连串的时间,可以让操作人员分析可能发生的机械故障。
Inchoosingahigh-speedcameraforaspecificapplication—whetheritisforfactoryautomation,medicalresearch,ordestructivetesting—itisoftenassumedthatahigh-speedcameramustcaptureasequenceofeventsathighspeed.However,thisisnotalwaysthecase.Shouldthedurationoftheeventbeunderstood,thenalower-costCCD-orCMOS-basedcameramaybeallthatisrequired.Illustrativeapplicationsincludecapturingimagesofrollercoasterpassengersastheyhurtledownaslopeathighspeed.
针对应用场合选择高速摄像机时——无论是用于工厂自动化、医疗研究,还是毁坏测试,通常都假定,高速摄像机必须捕捉一连串高速事件。
不过,这也并非总是如此。
如果考虑到时间的持续时间,则低成本的CCD或CMOS摄像机就可以担当大任。
实例应用包括捕捉高速俯冲下斜坡的过山车中乘客的图像。
Althoughfactorsthataffectthequalityofanimagecapturedathighspeedincludesceneluminance,aperturesize(f-number,f/#),shutterspeed,andfieldofview,asimplecalculationcandeterminetheapproximateshutterspeedneededforsuchanapplication.Assumingthattherollercoasterismovingat60mph,orapproximately27m/s,anda1k×1kpixelcameraisplacedtocapturea1-mfieldofview(FOV)ofthecoasterasitpasses,thenduringonesecondthecarriagewillhavepassedcompletelybythecamera.
尽管影响高速捕捉图像质量的因素包括场景的亮度、镜头大小(f-数,f#)、快门速度和视野,不过对于这样的应用场合可以很简单就计算出大致所需的快门速度。
假设过山车的行驶速度是60,ph,或约27m/s,架设1000×1000像素的摄像机来捕捉1米视野内经过的过山车,过山车在一秒内会完全在摄像机前驶过。
Stopmotion
定格移动图像
Tostopthemotionofsuchanimage,atriggeredfastexposuretimecanbeused.Tocalculatehowfastthisexposuremustbe,thedistanceinpixelsthatthecarmovesacrosstheFOVofthecameramustbeknown.Imperx’sIPX1M48-Gcamera,forexample,usesaKodakKAI-1020imagerapproximately0.3in.2(or7.6mm)thatfeaturesaCCDarrayof1000×10007.4-μmpixels,andarangeofshutterspeedsfrom1/30to1/50,000s.
要给这样的图像定格,可以使用触发式高速曝光时间。
要计算到底曝光时间要多少,必须知道过山车经过摄像机视野是像素内的距离。
例如,Imperx的IPX1M48-G的特点是具有1000×10007.4μm像素的CCD阵列,快门速度范围从1/30到1/50,000秒之间。
Choosingashutterspeedof1/1000s,forexample,therollercoasterwilltravelapproximately27×1/1000or27mmacrosstheFOVafterthecameraistriggered.Atthecamera’simageplane,thedistancetheimageofthecoastertravelswillbeapproximately(27mm/1000mm)×7.6=0.2mm(or200µm).
例如,选择快门速度为1/1000s,摄像机触发后,过山车驶过视野27×1/1000或27mm。
在摄像机的图像平面上,过山车图像行驶的距离约为(27mm/1000mm)×7.6=0.2mm(或200µm)。
Fromthesecalculations,itcanbeseenthattostopmotion,anexposuretimeofapproximately30timesfasteror1/30,000swillberequiredtocaptureanimagewithpixelaccuracy.Withthetriggeringcapability,well-understoodeventscaneasilybecapturedbyoff-theshelfcamerassuchasImperx’sIPX1M48-G.However,asNathanCohenofImperxpointsout,thecameracanalsobeusedinothermodes.
从这些计算可以看出,要定格图像,需要用到约30倍快或1/30000s的曝光时间,实现以像素精度来捕捉图像。
凭借这种触发能力,可以用市场上的摄像机,例如Imperx的IPX1M48-G,可以轻松捕捉了解透彻的事件。
不过,Imperx的纳山科恩指出,这种摄像机还可用其它模式。
Inthosemodes,camerasmaybelimitedintheirdatarate—thenumberofimagesthatcanbecapturedwithinagivenperiod.Forexample,althoughtheImperxcameracanbesetto1/50000s(20μs),theframerateis48frames/sinthefreerunningmode.Forparticlevelocitymeasurements,thecameracanalsobeusedinadoubletriggeringmodewherethefirstexposureis1msandthesecondexposurecanbeasshortas10ms,witha5-msdelayinbetweenexposures.
在那些模式中,摄像机的数据速度受到了限制——在给定时间内可以捕捉的图像数量。
例如,尽管Imperx的摄像机可以设置为1/50000s(20μs),在自由运行模式中帧速是48帧/秒。
对于颗粒速度测量,摄像机也可用于双触发模式,第一次曝光时间为1ms,第二次可以达到10ms,两次曝光之间延迟为5ms。
Shortshuttertimes,however,donotpaintarealisticpictureofhowmanyhigh-speedcamerasareusedinapplicationswherethetimingofaneventisunknown,forexample,troubleshootinghigh-speedproductionlinesinwhichseveralseriesofimagesmustbecapturedathighspeed.Here,camerasmustexhibithighshutterspeedsandhighframerates.
不过,快门时间短并没有描绘出在一个事件持续时间未知的场合使用多少个高速摄像机的现实,例如给必须高速捕捉几个系列图像的高速生产线排除故障。
这里,摄像机必须有高速快门和高帧速。
Datarates
数据传输速率
Toaccomplishtheseframerates,high-speedcameravendorsuseanumberofdifferentmethodsthatincludetheuseofhigh-speedCCDorCMOSimagesensors,bufferingaseriesofcapturedimagesinon-boardmemory,compressingtheimagedataafteritiscaptured,andusinghigh-speeddigitalinterfacestotransfercapturedimagedatatothehostPC.Hereagain,thechoiceofwhichcameratouseishighlyapplicationspecific,dependingontheshutterspeedrequiredandthelengthoftimethatanimagesequencemustbecaptured.
要达到这些传输速率,高速摄像机厂商使用了多种不同的方法,包括使用高速CCD或CMOS图像传感器,将一系列捕捉的图像缓存到板上存储器,压缩捕捉图像数据,使用高速数字量接口将捕捉的图像数据传输给PC主机。
这里再说一下,选用哪一个摄像机是针对应用场合,取决于所需的快门速度以及图像顺序捕捉的时间长度。
Inmanyofthesetypesofcameras,region-of-interest(ROI)windowingisusedtoreducethenumberofpixelsthatarecapturedwhileatthesametimeincreasingthenumberofframespersecond.Introubleshootingamachine-visionapplication,itmaybenecessarytocaptureandanalyzeaseriesofhigh-speedeventstodeterminehowanindividualproductionprocessisoccurring.Intherollercoasterapplicationforexample,at60mphor88ft/s,therollercoasterwillmove0.8in.acrosstheFOVofthecamerain1/1000s,sothataframerateofapproximately1000frames/swillberequiredtocaptureeverypersonontheride.
在许多这类型的摄像机中,有效区域窗口用于减少捕捉的像素数量,同时增加每秒的帧数。
在给机器视觉应用排除故障时,可能需要捕捉和分析一系列高速事件来确定单独的生产过程是如何进行的。
例如,在过山车这个例子中,车速60mph或88ft/s,过山车在1/1000s内在摄像机视野内行驶0.8英寸,那么就大约需要1000帧/秒的帧速来捕捉车上的所有人。
However,toattainpixel-accurateimages,ashutterspeedof1/30,000swillstillberequiredtocaptureaseriesofimageswithpixelresolution.Theseriesofimageswillthenrepresentsnapshotsofthesequenceofeventsatdistancesof0.8in.apart.
不过,要获得像素精度的图像,仍然需要用1/30000s快门速度以像素分辨率来捕捉一系列图像。
这些图像则代表着每0.18英寸间隔事件顺序的抓图。
Toobtaintheimages,vendorssuchasPhotronandVisionResearchoffercamerasthatallowtheusertoconfigurethecameraatvariousframerates,imagesensorsizes,andshutterspeeds.Usinga1024×1024-pixelimagesensor,theFastcamSA5fromPhotron,forexample,canrunatframesratesasfastas7500frames/satmegapixelresolutionand25,000frames/swhenthesensorisoperatedin512×512-pixelwindowingmode(seeFig.1).
要获得这些图像,包括Photron和视觉研究等厂商的摄像机允许用户配置不同帧速,图像传感器规格和快门速度。
使用1024×1024像素图像传感器,Photron的FastcamSA5在百万像素精度下帧速最快可达到7500振/秒,在512×512像素窗口模式中可以达到25000帧/秒(图1)。
FIGURE1.ROIwindowingcanbeusedtoincreaseframeratesinhigh-speedcameras.PhotronFastcamSA5,forexample,canrunatframesratesasfastas7500frames/satmegapixelresolutionand25,000frames/swhenthesensorisoperatedin512×512-pixelwindowingmode.
图1)有效区域窗口可以用于增加高速摄像机的帧速。
PhotronFastcamSA5百万像素精度下帧速最快可达到7500振/秒,在512×512像素窗口模式中可以达到25000帧/秒。
Sincethecamera’sglobalelectronicshuttercanbesetaslowas368ns,itcanbeusedtocapturetransienteventsathighframerates.LiketheImperxIPX1M48-GCCD,theFastcamSA5alsofeaturesaninter-frametimeof1ms,makingitusefulforparticleimagevelocimetry(PIV)measurement.
因为摄像机的电子快门可以最低设置到368ns,可以用于高帧速的瞬时事件。
像Imperx的IPX1M48-GCCD,FastcamSA5还有一个特点就是1ms的帧间时间,对于颗粒图像的速度测量非常实用。
Brightlights,bigpixels
亮度越大,像素越大
Withsuchhighexposureratesandframetimes,theamountanddirectionoflightusedtoilluminateahigh-speedscenecanbeacriticalfactorinmanyapplications.“Theamountoflightneeded,theapertureofthelens,theshutterspeed,andframerateoftheimagingsystemallplayacriticalroleindeterminingwhetherahigh-speedcameracanbeusedinaspecificapplication,”saysGrantReig,productmanagerwithOlympusNDT.
对于如此高速的曝光速率和帧速率,用于高速场景照明的光线强度和方向在许多应用场合中可能是关键的因素。
奥林巴斯NDT的产品经理格兰特莱格说:
“所需的光线强度、镜头镜片、快门速度和呈像系统帧速,都在确定一个高速摄像机可以用于特定的应用起到关键的作用。
”
Astheshutterspeeddoubles,theeffectiveamountoflightreachingtheimagesensorwillbehalved.Thus,ahigh-speedcamerarunningatashutterspeedof1/1000swillrequire16timestheamountoflighttoilluminatethesceneasacamerarunningatashutterspeedof1/60s.
随着快门速度翻了个倍,那么到达呈像传感器的有效光线量就减少了一半。
因此,1/1000s快门速度的高速摄像机需要16倍的光线量,在快门速度设置为1/60s拍摄时,来照亮场景。
Toovercomethis,fastlensescanbeusedtoallowhighexposurerateswhileatthesametimeincreasingtheamountoflightreachingthesensor.Forexample,byusingalenswithanapertureoff/2,imagescanbetakeninone-quarterofthetimeneededtoexposethesameimagewithalensfeaturinganapertureoff/4.
要克服这一点,高速镜头可以用来实现高速曝光率,同时增加射到传感器的光线量。
例如,使用一个f/2的镜头,其曝光的时间只是使用f/4镜头的1/4。
However,thisisnottheonlymethodbywhichcameravendorsareincreasingthesensitivityoftheircameras.Unlikeconsumer-basedcameraswherepixelsassmallas2×2μmarebecomingthenorm,high-speedcameravendorsareusingbiggerpixelstoincreasethefillfactorandthequantumefficiencyofthesensorsusedintheircameras.
不妥,这不是摄像机厂商提高摄像机敏感度的唯一途径。
不像消费类摄像机,像素可以细密到2×2μm,高速摄像机厂商使用更大的像素来提高传感器的填充因子和量子效率。
PCOImaging,forexample,usespixelsof11×11μminthedesignofitspco.dimax,a2016×2016-pixe
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