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中創百科 | 高速攝像的發展歷程

    高速攝像技術的發展可由攝像速度（幀頻）及其綜合特性來描述。

    19世紀60年代初期，隨著磁記錄技術的發展，產生了第一代運動分析系統。但它的商業化是在70年代，由于當時技術水平的局限，系統滿畫幅只能達到120幅/s的攝像速度。

    第二代運動分析系統于1979年由日本NAC公司推出，其攝像速度為200幅/s。這在技術上是一個很大的進步，因為HSV—200型高速攝像系統可記錄彩色圖像，并且能記錄很長的時間。

NAC初代高速攝像機

    1980年Kodak公司推出了第三代運動分析系統———SP2000系統。這種革命性的設備，以2000幅/s或12000幅/s（分區）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年運動分析系統獲得了重大的技術進步，主要標志產品為 KodaK Ektapro 1000運動分析系統，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 勢：低 成本，高性能的磁帶傳輸系統，雙攝像機操作，GPIB控制接口，磁帶寬12.7ｍｍ，當記錄16通道的圖像信息時，傳輸速度為7.62m/s。允許兩臺攝像機的圖像在同一屏幕上分開顯示，并可設定不同的攝像頻率。二者的圖像隔行插入，可使500幅/s攝像機提供1000幅/s的速度。磁記錄技術在第三代運動分析系統中得到了應用，但在基于磁帶的運動分析系統中，這種技術存在著固有的記錄限制。這種運動分析系統不僅記錄時間有限，而且在磁帶回放過程中，無法準確定位記錄的位置。因為這些記錄設備是機電式的，從啟動到實際記錄圖像，以及停機時都有一個時間延遲，在應用中局限性很大。

    第四代高速攝像系統是一種全新的圖像記錄系統，它以固體存儲器作為存儲介質。1990年，Kodak生產的 Ektapro EM高速攝像系統，把數 字 圖 像 存 儲 在 動 態 隨 機 存 儲 器（DRAM）中，這 與以往通過記錄長時間圖像數據 來捕獲事件的傳統方式不同。DRAM 技術表明在大部分的應用中，不 需 要 太 長 的 記 錄 時 間。DRAM 技術采用獨特圖像獲取方法進行圖像處理，提高了圖像質量，并可連續不斷地對圖像實時記錄。經過２０年的發展，DRAM已提高了其存儲密度，降低了每幅圖像存儲的成本。第五代高速攝像系統在分辨率、幀頻、彩色／黑白圖像質量方面都得 到 提 高。

    第 五 代 高 速 攝 像 系 統 有 三 種 代 表 產 品：Kodak Ektapro HS4540、Kodak Ektapro Hi-Spec、Kodak Ektapro 1000HRC。HS4540記錄的速度為（4500～40500）幅/s。Hi-Spec是一種抗沖擊 的 運 動 分 析 系 統，在 惡 劣 環 境 下 記 錄 速 度 為 1000幅/s。攝像頭可承受高達40g的沖擊。HRC 在分辨率為（512×384）像元時，可以1000幅/s的速度記錄彩色和黑白圖像，這個系統的分辨率是以往高速攝像的４倍。

    第六代高速攝像系統功能齊全，并為用戶提供了更好的機動性和穩定性。其中 Kodak Ektapro RO、NAC Memrecam Ci、NAC Memrecam CCS、Redlake Motionscope 500、Kodak Ektapro MotionCorder都是典型 的 第 六 代 分 析 系 統。Kodak Ektapro RO圖像傳感器是一個性能卓越、功能齊全的攝像系統，專門為在特殊的應用環境下代替膠片攝影機而設計，其體積小，重量輕；接受移動PCMCIA 硬盤或閃存，來從 DRAM存儲器中獲得圖像；記錄的圖像一直保留，直至下載到計算機中。以前的高速攝像系統一直都和圖像處理器相連，而 RO（只記錄）攝像機不需要處理器，或者無需和它連接。但 任 何 計 算 機 都 需 要 適 當 的 軟 件，把 數 據 轉 換 為tiff圖像格式，再進行數據處理。

    日本NAC的Memrecam高速攝像系統提供了相似的卓越性能，該系 統 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2000幅/s。Memrecam Ci自身有一個控制面板，操作簡單方便，NASC/PAL 圖像可在標準的監視器上顯示。

NAC Memrecam HX系列高速攝像機

    Redlake Motionscope 500是一個功能齊全的黑白高速攝像，它自帶一個監視器，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行簡單的控制。系統有一個可移動的攝像頭，特別適合產品制造過程的檢測。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自進行工作。

    Kodak Ektapro MotionCorder為便攜式的攝像系統，其攝像頭體積很小，靈敏度高，ISO或EI約為1600。該系統為黑白攝像機，分辨率為（640×240）像元，可提供高質量的圖像，系統的攝像頻率為（240～600）幅／秒。系統有不同的圖像格式可供選擇，相應的記錄時間從幾秒到40ｓ。

    第六代高速攝像機的主要優點在于其體積、價格、便攜、抗沖擊及易操作等優勢。RO型設計是為了獲取圖像，并 且 也 可 進行重放，但回放速度有限。圖像也考慮到了在計算機上進行回放，因為大部分公司已經有了計算機，而且大部分使用專用分析軟件，其他費用主要是攝像機。這些卓越的圖像捕獲系統，有望代表未來運動分析系統 的 發 展 方 向，將 被 研 制 和 銷 售，就像個人電腦一樣，顧客將不同廠家的硬件和軟件組裝配置其設備，供用戶專用。

    目前高 速 攝 像 系 統 主 要 優 點 在 于 圖 像 的 傳 感 器 主 流 為CMOS傳感器，分辨 率 高（高 于1025×1024像 元），相 機 可 獨 立工作，事后通過網線或通用接口把圖像下載至計算機；并可組成網絡攝像系統；系統操作方便，功能齊全，沒有光暈現象，拍攝圖像清晰，抗干擾能力強，功耗低。

NAC高速攝像系統集機械/光學設計、加工，制造和軟件開發于一體的橫濱技術中心

注：本文參考《高速攝像及其應用技術》/張三喜 姚敏 孫衛平編著，國防工業出版社。