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如何选择高速摄像机：了解新的成像传感器和技术

高级编辑GAIL OVERTON

尽管廉价的数码相机也可以达到1000帧/秒，但是，为生物和工业过程冻结时间的科学工作依赖于新型的检测器和图像处理,以达到几千到一百万帧/秒的技术。

根据维基百科，高速摄像机是超过帧速率每秒250帧（帧/秒）的摄像机。然而，从科学的角度来说，这些速度是儿戏。即使价格便宜的数码相机也经常超过1000帧/秒，并且已经设计出达到万亿帧/秒的条纹相机。

但是，大多数实验发现，在研究基于激光点火、超快速工业生产线组装、化学和生物试验，甚至是车辆碰撞测试时，互补金属氧化物半导体（CMOS）或 电荷耦合器件（CCD）相机的成像速度从几千帧/秒变化到了上百万帧/秒。

当然，成像速度与成像分辨率和光照水平密切相关。对高速成像相机不断提高能力的分析突出了光子学的进步，即允许用户冻结时间，持续扩大应用程序的范围。

它的核心

每个相机都是一个完整的光电系统，具有光学，光学机械，检测器，外壳和电子数据存储和控制部件。 但是，一般来说，任何摄像机的性能参数都是由其成像传感器决定的，所有其他系统组件都围绕其设计。

通常，CMOS传感器被认为是高速成像应用的最佳选择。 与具有有限数量像素的CCD传感器不同，CCD传感器每个都将输入光转换为通过有限数量的输出节点（一个到几个）作为模拟信号从芯片发出的电压，CMOS传感器包含放大器和数字 - 传感器芯片内的模数转换器（DAC），避免了芯片外CCD图像处理的功耗低，读取较慢的陷阱。

Photron（加利福尼亚州圣地亚哥）的销售和营销部门总监安捷伦布鲁奇说：“CMOS传感器是许多高速摄像机的核心，重点考虑到其更多数量的传感器水龙头/通道，用于快速的光子到电子转换，从传感器快速剥离电子，大量的DAC可以是大型发电机，而且对更多内存的需求也在增加。 幸运的是，理想的板载内存方案也可以通过快速数据卸载技术在CMOS中完成。”

“我们测量我们的FASTCAM摄像机符合真正的行业ISO Ssat 12232标准，用于在较高的帧速率下实现典型的光敏度，具有较短的快门/曝光速度，以及在相同的照明条件下，没有增加照明的更大的景深。”Bridges说。

“几年前，我们的FASTCAM ultima APX-RS是最快的高速摄像机，拥有250,000帧/秒，分辨率为128像素times;16像素高的非常小的分辨率，”Bridges说，“今天，FASTCAM SA -Z可以以128times;8像素[宽times;高]或252,000帧/秒为384times;128像素图像记录210万帧/秒。”

但是，Fastec Imaging（加利福尼亚州圣地亚哥）的产品经理Tim Brandt提醒我们，更高的帧速率并不总是捕获有意义的信息的最佳方式。 “通过更高的分辨率，可以做更好的工作来覆盖更大的视野。 假设您希望捕获通过框架移动的对象的五个图像，以表征其移动。 没有障碍的物体将会比非常有限的视野更快地移动到非常有限的视野中，所以为了在有限的视野中捕获五个图像，您需要更高的帧速率。”他说。 “但是使用更大的视野有两个主要的优点。 首先，您不需要如此高的帧率，其次，您将在较长的时间内获取对象的图像，这将产生更多和更好的有关其行为的信息。”

Fastec TS和IL高速摄像机的架构速度从18,000到60,000帧/秒，最佳点为5000帧/秒，768times;300像素图像中档表现，成本明显低于百万像素帧视频摄像机的替代方案。“大多数高速摄像机一次录制高帧速率只有几秒钟，因为摄像机可以提供高速存储器的数量有限。 例如，在1 M像素分辨率下，记录1000帧/秒的8位相机每秒创建1GB的原始图像数据，”Brandt说。 “根据帧速率和分辨率，我们的TS / IL4和TS / IL5可以直接记录至多达1 TB容量的内部固态硬盘[SSD]驱动器，保持数据速率高达450 MB / s 内部驱动器使用8 GB的内部高速内存作为缓冲区，以适应SSD带宽的失效。”

Brandt继续说道，“所有具有固态硬盘的Fastec IL和TS摄像机都可以将其内存分割成多达16个段，依次将高速视频录制到每个片段，而将先前的片段转移到驱动器的”FasFire“功能 允许用户持续记录高速脉冲串，同时保存到非易失性存储器。“Brandt说，将图像保存到SSD中花费的时间很少，用户很少（如果有的话）必须等待相机清除 它的下一个镜头的缓冲区，将工作流程改变为在很短的时间内可以连续运行许多测试，以扩大高速应用程序覆盖范围。

当然，帧率与分辨率紧密相关。 Vision Research（Wayne，NJ）具有12位，0.5英寸CMOS传感器（彩色或单色）的Phantom Miro C-110可以以完整的1280times;1084分辨率记录800帧/秒，但分辨率低达29,840帧/秒 值为8 GB的内部存储器，用户可以以全分辨率和最大帧速率录制最多5秒。

限制

对于通常需要更长时间曝光以收集适当图像细节的低光应用，高速成像难以实现。 “对于成像单元功能，例如，高速度必须结合极高的灵敏度。 维持稳定的环境意味着将照明限制在绝对最小值 - 结合高帧速率的困难要求，“Photometrics（图森，AZ）的产品经理Rachit Mohindra说。 “EMCCD [电子倍增CCD]摄像机通过使用高带宽输出放大器和图像信号的片上乘法器来解决这种速度与灵敏度的折衷。 结果是lt;0.3电子有效值的输入参考电子读取噪声。 为了在这些条件下进一步改善检测信号，传感器被背光照射应大于90％QE [量子效率]。

而每秒几千帧可能对某些低光是有挑战性的生物应用，甚至数百万帧可能不足以适应一些新兴应用。 Bridges总结说：“尽管我们每秒数百万帧每秒相机，客户仍然会为某些激光和x射线分析，高端弹道学和超快速裂纹扩展研究寻求更高的帧速率。”即使是原位图像存储或ISIS，其中图像的帧被存储在传感器本身，ISIS传感器上架构只能以500万帧/秒的速度保存180帧，相当于只有36mu;s的录制时间。 许多客户更习惯于几秒钟的数据，大大减轻了可靠地触发相机的负担，以免错过该事件。 实质上，传感器架构和支持电子产品最终限制了成像速度。”

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