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高速攝像測量需考慮的問題

在進行實施之前，必須要對影響攝像的各種因素進行考慮，才能充分研究事件發生變化的各種可能性，進行充分準備，獲得滿意的效果。下面列出一些須考慮的主要因素。

1.目的及實施中要解決的問題

實施前，必須明確實驗目的以及要解決的問題，主要有以下幾項內容：

（１）事件的什么特性需要研究？

（２）要獲得什么信息和測量什么參數？

（３）事件什么時間發生，需要什么樣的結果，人員和設備的情況？

（４）現在具備了哪些知識？以往有沒有做過類似的試驗？是否可以做一些預先的觀察來增加對事件的了解？事件應使用那些理論數據來分析其變化范圍、運動參數以及持續時間等？

（５）獲得：

ａ．什么參數需要測量？

ｂ．需要什么圖像格式？

ｃ．時間標記如何記錄？

ｄ．空間和時間分辨率是多少？

ｅ．圖像如何分析處理？

（６）選擇什么設備來獲取所需要的數據，包括照明，主要基于以下的選擇：

ａ．單幅還是多幅攝像系統；

ｂ．機械還是電子的快門種類；

ｃ．幀頻及曝光時間；

ｄ．攝像系統的攝像物距；

ｅ．需要的景深；

ｆ．待攝物體反射光的強度以及光源的能量；

ｇ．是否同攝像機一起使用頻閃光源；

ｈ．攝像系統同目標的時間同步方式；

ｉ．是否需要其他的光源（脈沖的還是連續的），例如，閃光燈、電弧燈、電子閃光燈、鎢絲燈、氬燈、日光、高壓放電、連續激光器和Ｘ光。

（７）使事件布置在最適合觀察的位置：

ａ．環境和場所的考慮；

ｂ．對系統的功率需求及供電功率的考慮；

ｃ．輔助設備的需求；

ｄ．所有設備進點的運輸；

ｅ．對人員的要求。

（８）給用戶提供什么格式的數據？是純可視化圖像、純數據還是二者都要？

（９）要考慮到一些意外事故可能使試驗部分或全部重新進行，需要盡可能地節省資金和時間。

2.高速瞬變現象的一般特性

對某一現象進行高速攝影研究，首先要了解被研究目標的運動特點，明確通過高速攝影后需要得到什么樣的結果。通常需要了解以下幾個方面的問題。

1.被攝目標的空間尺寸

為了跟攝影機的畫幅尺寸一一對應起來，對被攝目標的空間特征尺寸定為長方體或圓柱體。而絕大部分高速攝像系統的畫幅為長方形的，再考慮到成像有個深度范圍，因此，它對應物體的空間特征尺寸為寬度×高度×深（W·H·D）。

不同運動狀態的運動目標，其空間尺寸應做不同的考慮。對于沒有空間擴展運動的目標，如通常的機械運動、火花放電、高速等離子體等被攝目標，往往可以看成是被固定在某一個特定的有限空間范圍內，只要把研究者感興趣的范圍作為被攝目標的空間尺寸就可以了。但是，對于有空間擴展運動的目標來說，其空間尺寸就必須要考慮到攝影期間目標擴展的空間尺寸。例如炮彈的飛

行、炸藥的爆炸等就必須要把攝影記錄時間內目標運動區間計算在內。

確定了目標的空間尺寸以后，就可以選擇攝影機物鏡的焦距、攝影機的安置位置、畫幅尺寸等參數。

2.目標的運動速度

目標的運動速度是決定攝影機參數的一個很重要的數據，通常認為，目標運動速度越大，就需要愈高的攝影頻率。其實也并不其然，如顯微高速攝影，即使被研究物體的運動速度并不很快，也要采用高速攝影；而對導彈飛行軌跡進行攝影時，則不需要很高的攝影頻率。

3.目標變化的持續時間和特性周期

目標變化的持續時間或特性周期決定了攝影記錄的有效時間。若目標運動是周期性出現的，如昆蟲翅膀的振動、鐘表機械的擒縱運動等，就有明顯的特性周期。假設昆蟲翅膀振動頻率為100HZ，那么它的特性周期就為1/100s。對于另外一些非周期性運動的目標，如核彈的爆炸，即用持續時間來表征。假如，核物理科學家對核彈引爆時的１μｓ時間內變化情況最感興趣，那么就需要把這１μｓ里爆心變化現象用高速攝影方法記錄下來，我們就可以認為，這１μｓ即為目標運動的持續時間。

4.目標的亮度特性

根據目標的發光特性，可以分為自發光體和非自發光體。自發光體本身發出光能量，有的還發出很強的光能量，如爆炸、火花放電等；非發光體僅以自己的表面反射外界照明的光能量來傳遞光學信息的。

對于面發光體，其單位面積上向單位立體角發出的光通量叫亮度。對于非自發光體，外界的照明和表面反射特性決定了它被照明后的亮度特性。對于高速攝影來說，當然自發光體比非發光體要來得方便，不存在照明問題。對于有些發光亮度特別強的物體，如電弧的焰口，亮度高達105熙提，在進行高速攝影試驗時還需要用數塊濾色鏡把大部分光能量濾去，才能避免CCD的飽和以及出現光暈現象。但是對于一些非發光體，高速攝影時的照明問題是一個很傷腦筋的事。

3.安全

在實施過程中，還要考慮其安全性。因在實施中，記錄的現象、攝像系統的位置以及相關設備都存在著嚴重的安全威脅。因此，在計劃中對安全的考慮，理所當然是很重要的方面。像爆炸或炮彈的發射都明顯具有危險，而在很多工業處理中，人和設備同樣具有危險性。像散布的粒子、氣體、火花等都會帶來一些問題，這些必須預見到并加以保護。如果設備沒有放置到合適的位置，運動的機器，如汽車就可能對攝像機和人造成傷害。在野外，干燥環境下堅硬的地面，在大雨后就可能變成沼澤地，從而導致三腳架傾覆，設備受損。

用戶必須具備必要的知識，并在專家的指導下進行工作，還要意識到設備可能出現的危險。從遠處操作攝像機或光源時，控制點必須在安全距離之外，并對攝像機及控制點的通信網絡進行防護。控制時序和控制信號必須安全、可靠、準確。實施中必須協調光源也可能由于燃燒或電擊而出現危險。在使用激光或高壓電火花等光源時，就非常危險。因此使用激光、強的點光源，或紫外線光源，要特別小心。例如，如果物體用激光光源照明，在設備調試和調焦時就要特別注意。強光源會損傷眼睛，需要戴上防護鏡加以保護。盡量通過屏幕來觀察和調整參數，不要直接用裸眼去觀察。防護鏡必須可以濾掉激光的波長，從而使激光光束不能透過防護鏡。當檢查激光束在目標上的位置時，切記不要去掉防護鏡。最好的辦法是使用厚的防護鏡，把激光強度削減到安全程度，從而更好地觀察光束和進行設置。

在所有的實施過程中，都存在潛在的危險，這就需要使用者在方案中加以認真考慮。

4.內定標和外定標

在分析研究被記錄的圖像信息時，尤其要從畫幅上得到全部位移信息，那么在畫幅上至少要有兩個固定的參考點，用它們作為測量模型運動的基準，這

就希望在被記錄的視場范圍內，在恰當的位置上有坐標。通常采用兩對交叉線作標記，如圖5.1所示。這與其他標志比較來說，有簡明而清晰的優點。

它具備已知間隔距離的二點，以及一條鉛垂線，就能有效的確定畫幅記錄的放大率和方向性。這就是圖像的定標。

定標一般有兩種，即外定標和內定標。

外定標：在目標附近設有標桿，標線或別的標記，使得在攝影記錄時，模型和標記都同時成像并記錄在畫幅上，作為測量基準。通常用金屬細絲緊繃在觀察區域內，或者在背景板上劃上標尺，這種方法適用于沒有內定標的照相系統。當然這種方法由于標記和物面不重合而產生一些誤差，但是相機振動影響大為減少。在近攝測量時，可放置一游標尺在目標上，另一部分放置在視場中靜止不動的部位。

內定標：在相機內部光學系統中設置坐標板。因為在很多情況下，在物方不可能或不適宜安放標線，那就要求攝像系統內部能使畫幅獲得基準線，采用二次成像法和分光法可獲得坐標線。

1.二次成像法

主物鏡將模型成像在第一像面上，即分劃板平面上（或狹縫光欄上），然后用一個轉向物鏡把模型的一次像連同分劃線同時成像在畫幅上。因為被研究的現象或模型的像平面與被成像的坐標平面重合，大大提高了掃描分辨率，這一點是十分重要的。

2.分光法

在物鏡與補償鏡之間放一個分光器，使模型的成像光束和劃分板的成像光束同時成像在焦面上。

如果標記同目標不在同一位置上，或攝像系統的景深不夠，不能使二者同時清晰成像，可以采用一個輔助的光路，這種設置比較復雜，但有效可行。有兩種方法可以采納。

第一種，是把精確的標記板放置在攝像機的側方，分光器以45°角放置在攝像機的前端，把網格板的圖像反射到攝像機中，如圖5.2所示。

圖5.2 使網格板的像同目標的像疊加在一起的方法

網格板的位置可以調整，保證目標到鏡頭的距離同網格板到鏡頭的光程相等，保證網格板同目標的運動平面垂直，分光器兩個平面的夾角為45°，這種布置需要較大的場所，并需花費很長的時間去布置。

也可在高質量透明網格板的后方照明，使用透鏡使其圖像成在圖像感應器上，如圖5.3所示。同樣要注意其布局及分光器的角度，但其參考系統就相對小了。要保證攝像系統中的網格線同目標的運動平面的實際線成嚴格的比例關系，這里網格提供了一個參考，包括在目標運動平面內的基準標尺標志。

第二種有用的參照物是采用光纖燈作為指示燈，可用作非常明亮的點光源，能精確地放置在一個平面內，并聚焦在目標平面內。可以用來作為目標的比例標記，提供靜止參考點，用以確定目標在視場中的運動量。由于其自發光，而且足夠亮，不需要光源的照明，在被煙霧部分遮擋視場后，仍可觀察到。

圖5.3使用透明網格獲得網格重疊圖像的方法

當然內定標方法都會損失一部分光能量，儀器系統也較復雜一些，同時相機振動也會帶來一些誤差。

5.記錄方式

高速攝像系統具有很多記錄方式，這是膠片攝影機無法比擬的。目前的高速攝像系統最大的貢獻就是可不斷地循環記錄，用最新的圖像覆蓋前面的圖像直到觸發后停止。其觸發形式靈活，可精確地控制存儲事件發生前后保存在DRAM中圖像的數量。

在記錄不可預測和間歇事件時，可選擇連續記錄、觸發記錄和指令記錄（ROC）等多種方式。如圖5.4所示。在很多記錄方式中，功能最強大、也很少被理解并應用的就是指令記錄方式。這種方式可按用戶提供的信號有選擇的記錄圖像。例如圖5.5所示，攝像的目的是為了獲得1000多幅盒子封口過程的圖像。由于它的間斷性而難以觸發，采用轉速計的脈沖驅動封口機，可獲得精確的時間，當封口時用來指示準確的位置。這個計時脈沖用來限制進入高速攝像系統存儲器的圖像。如果脈沖出現，則使圖像存入存儲器中，在脈沖出現的間隔，則沒有圖像寫入。因此，僅當蓋子在準確的位置時圖像才被寫入，直到存儲器滿。

圖5.4 連續記錄和指令記錄模式

另外，如果脈沖的時間比單個畫幅的時間長的話，運動的過程也可獲得。也就是說，如果高速攝像系統的攝影頻率為1000幅／ｓ，脈沖的時間為5.5ms長，那么在每個脈沖期間，有５幅圖像記錄。

圖5.5拍攝封蓋過程

使用DRAM存儲器的高速攝像系統的另一種技術是外同步技術。這種記錄方式由用戶提供的信號來決定攝像系統的幀頻。圖5.5所示的應用也可以用來解釋它的使用。在上述例子中，用戶可以輸入和測速計同步的頻率。當頻率發生變化時，捕獲的圖像和測速計在正反方向上同步。這樣，蓋子的任何運動方向都被觀察到并被記錄。由于運動較快的目標比運動較慢的目標需要更高的攝像頻率，因此，記錄的速度同目標的變化速度應成正比。這些應用包括：使用應變儀進行材料的變形實驗，使用壓力傳感器進行內燃機的火焰燃燒試驗，使用加速度計進行汽車碰撞試驗，以及光敏傳感器來檢測爆炸的發生。這些都是基于DRAM存儲器的高速攝像系統的獨特工作方式。

6.電源

在實施計劃中，一個最重要的方面是確保有足夠的電源供給。在室內實驗室進行攝像時，很容易獲得大的電源功率，但在野外或比較遠的場所工作時，提供合適功率的電源就成了主要問題。

在試驗現場，電源用來驅動攝像機、光源和輔助設備。在工作前，必須檢查交流電和直流電是否在設備要求的范圍內，電源電流的供給是否滿足要求，是否經過濾波和進行電壓峰值保護。如果

電源功率不夠，那么就必須備用便攜式的發電機或電池。如果有電源插座，那么必須檢查插座的結構和插頭的形式，保證其正確的連接。

如果設備是由另外一個國家生產，則電壓就有不同的要求，這時就必須使用電壓調壓器來得到合適的電壓。

在多個攝像機和多個照明電源同時使用的場合，盡量從不同的電壓輸出口或發電機供電。如果其他的測量設備和攝像系統的電源相連，當所有系統開始工作時，電源的電壓就會忽然下降，從而使攝像機提前啟動或停止工作。

電纜的電壓下降可以用以下簡單的公式計算：

VD=CLrI

式中VD———壓降（Ｖ）；

CL———電纜長度（ｍ）；

ｒ———電纜電阻（Ω）；

Ｉ———電流（Ａ）。

這個簡單的公式非常適合使用直流電的設備，對使用交流電的設備有一定的局限性。為了確保交、直流電環境下都能可靠工作，扣除電纜上的壓降保證電壓控制在設備安全工作所允許的壓降百分比內。

電纜長度的電阻Ω值可以從電子技術手冊中查到。注意：如果表中指明是單根電纜每米的電阻，應對線路總長乘以２倍，以獲得兩根電纜線路的阻值，即給出了整個回路的壓降。對于一定的電流，較小的電纜電阻就會有較低的壓降，當電纜的導體截面積變大，電阻就會降低。因此，在應用中，應使用較粗的電纜。

如果通過電纜的壓降較大，就必須檢查照明光源的光強是否滿足試驗的要求。例如，充氣鎢燈，光的輸出隨電壓的降低而變化的關系是

實際流明額定流明=實際電壓額定電壓

實際應用中，最好的辦法是得到光強的實際數值，而非理論計算值。

7.環境的考慮

高速攝像系統是精密設備，系統設計時都提出了對使用環境的要求，如溫度、振動等，如果在額定溫度之外，或溫度變化太大，都會使系統的工作性能發生很大的變化。最好的辦法就是使系統工作在規定的使用環境中。

8．攝像機的布站和架設

在攝像系統的測試方案中，需考慮場地、觀察點、環境以及防護等問題。下面列出了較重要的幾點。

選用合適的鏡頭、物距及位置，給出適當大小的目標圖像，以利于后期的分析處理。視場不要太大，滿足要求就行。注意高速攝像系統除了高幀頻記錄事件外，系統只記錄視場中人眼可觀察到的目標，如果人眼無法看清的地方，攝像機也一樣不能成像。這樣，在實際應用中，用固定目標來確定視場的邊界，并調整各項參數。

調整攝像機的位置使它的光軸同目標的運動平面垂直，即感應器的靶面同目標的運動面平行，這樣才能減小測量數據誤差。

攝像系統必須采取防護措施，避免飛行的粒子、爆炸物、火花和外部的影響帶來的傷害。鏡頭的防護可采用防護玻璃加以保護，實施時，整個攝像系統可放置在一個密封的掩體中。當拍攝爆炸物時，系統應放置在防彈體或墻的后側，在墻體上開有攝影口，目標通過反射鏡進入鏡頭中。在有霧的環境中，鏡頭容易出現霧狀物，一般可用干燥的氮氣來清除。在霧氣和灰塵較嚴重的環境，整個系統可用塑料袋包起來，并留出攝影口。

如果反射鏡用來使目標的像反射到攝像機中，反射鏡必須干凈，并可靠地固定，以減小振動。攝像系統的架設穩定性能非常重要。在實際架設時，要采用各種措施保證系統的穩定，并采取必要的手段減小振動對系統的影響，在一些特殊的應用環境中，可使攝像系統固定在地基環上。如果攝像系統需要跟蹤，就得考慮各種平衡，保證系統平穩跟蹤。