Высокоскоростная фотосъемка у вас дома.

Высокоскоростная съемка как способ замедлить быстропротекающее событие и разглядеть его в деталях впервые появилась в середине 19 века, и с тех пор интерес к этой технологии неуклонно растет, совершенствуется оборудование и его возможности, находится все больше областей ее применения.

Тем не менее, проведя небольшой анализ Интернет источников информации, мы пришли к выводу, что само понятие «высокоскоростная съемка» встречает несколько определений. Так, Википедия предлагает следующее ранжирование по скоростям:

Ускоренная съемка – 32 - 200 к/с
Скоростная съемка – 200 – 10 000 к/с
Высокоскоростная съемка – 10 000 – 1 000 000 000 к/с.

В то же время, Сообщество инженеров кино и телевидения (SMPTE) дает такое определение: быстрая смена ряда изображений, снятых камерой со скоростью 128 к/с и более, которые можно воспроизвести в виде последовательности как минимум трех кадров.

Также можно встретить мнение, что скоростная съемка – любая съемка со скоростью более 25 к/с.

Профессиональные высокоскоростные камеры работают, как правило, на матрицах CMOS. Матрицы состоят из большого количества светочувствительных датчиков, которые преобразуют оптическое излучение (изображение объекта) в электрический сигнал. В зависимости от скорости съемки, разрешения и качества изображения системе, как правило, требуется сохранять данные со скоростью более 8 ГБ/с. Объем внутренней памяти современных высокоскоростных камер составляет, в зависимости от модели, примерно от 2 до 288 ГБ.

Для понимания ориентировочного времени съемки на такие камеры, рассчитаем его на примере. У нас есть камера Phantom Flex со стандартной внутренней памятью 32ГБ. Мы решили снимать в стандартном режиме со скоростью 2500 к/с и разрешением Full HD (12бит). На какое максимальное время съемки мы можем рассчитывать? Давайте разбираться. Исходя из того, что каждый кадр будет весить 3,11 МБ, а максимальная память – 32 ГБ, мы сможем записать примерно 11 000 кадров. И на это у нас уйдет порядка 4,4 секунд. То есть, используя только внутреннюю память камеры, время съемок составит всего несколько секунд. Если уменьшить скорость до, скажем, 300 к/с, то время съемки увеличится до 36 секунд. Уменьшив разрешение до HD при сохранении предыдущих параметров, мы получим 1,4 минуты записи.

Здесь стоит отметить, что даже полученные 1,4 минуты записи прерываются 15-20 минутами переноса материала на компьютер в зависимости от его характеристик, формата сохранения данных и категории кабеля «витая пара». А это, как Вы понимаете, неоправданная трата рабочего времени. Для оптимизации процесса записи, как правило, используют специальные устройства для записи, хранения и переноса большого объема данных - CineMag, CineFlash и CineStashion, согласованная работа которых позволяет свести к минимуму время ожидания и простоя камеры.

Основная мысль, которую мы хотели бы донести этими расчетами - чтобы выбрать оптимальные параметры съемки, нужно четко понимать стоящую перед Вами задачу и тонкости настроек камеры.

Как правило, все многообразие задач, для решения которых используют высокоскоростные камеры, можно условно разделить на два типа по ожидаемому результату: получить красивую картинку и получить материал для последующего анализа и вычислений. Опираясь на эту классификацию, мы будет постепенно разбираться с тонкостями высокоскоростной съемки и рассматривать их на конкретных примерах в следующих новостных статьях.

Сверхбыстрая или высокоскоростная фотография – это съемка моментов и процессов, которые недоступны для человеческого глаза, поскольку они происходят слишком быстро. Заморозка быстрого движения посредством скоростной фотосъемки позволяет фотографу совершенно по-другому взглянуть на окружающий мир и, казалось бы, обыденные явления. Вокруг нас случается множество самых разнообразных вещей, причем настолько молниеносно, что мы едва успеваем моргнуть глазом.

Высокоскоростная съемка позволяет получать необычные фотографические эффекты. Сегодня она также используется в медицинских и научных исследованиях для изучения быстропротекающих физических процессов. Настоящие мастера скоростной фотосъемки стремятся поймать и запечатлеть картинку в правильное мгновенье, чтобы сделать из этого полноценное фотографическое искусство. Как же запечатлеть на фотографиях чрезвычайно быстрое движение, используя лишь цифровую камеру?

Что нужно для высокоскоростной съемки?

Поскольку обычные камеры способны записывать лишь считанное количество кадров в секунду, то фотографы, пользующиеся такими аппаратами, рискуют пропустить огромное количество интересных моментов в промежутках между этими кадрами. Но зачем пропускать эти яркие моменты, ведь замедленная, сверхбыстрая съемка может обеспечить получение самых невероятных и удивительных результатов? Для осуществления высокоскоростной съемки, в первую очередь, потребуется камера, которая способна делать как минимум 128 кадров в секунду и выше. Таких моделей цифровых фотоаппаратов в настоящее время довольно много, благо производители фототехники оснащают свои камеры возможностью ведения скоростной непрерывной съемки.

Фото wabisabi2015 / Foter / CC BY-NC-ND

Правда, значительная часть компактных фотоаппаратов любительского уровня, вероятно, не подойдет, поскольку в них существуют ограничения в параметрах настройки. Ведь для высокоскоростной съемки Вам нужен фотоаппарат, где Вы сможете вручную устанавливать значения светочувствительности ISO, выдержки и диафрагмы для того, чтобы обеспечить синхронизацию со вспышкой. Многие профессиональные зеркальные фотоаппараты из-за присутствия в их конструкции движущихся частей, в свою очередь, не могут обеспечить высокую скорость съемки. А значит, они также не годятся для подобной работы. Итак, при выборе камеры нужно убедиться в том, что она способна делать не менее 128 кадров в секунду и предоставляет фотографу все возможности для ручной настройки параметров съемки.

Следующее, что необходимо для сверхбыстрой фотосъемки – это электронная вспышка. Именно с помощью вспышки можно остановить движение и сделать замедленную, скоростную фотографию. И, конечно, Вам потребуется объект съемки. Тут все зависит от Вашей фантазии. Многие фотографы-энтузиасты занимаются тем, что снимают различные предметы в тот момент, когда они подвергаются разрушительному воздействию пули, выпущенной из пневматического оружия. Съемка в этот молниеносный момент действительно может принести впечатляющие кадры. Впрочем, возможны самые разные варианты. Например, съемка воздушного шарика, когда он лопается, съемка разбивающихся на мелкие кусочки электрических лампочек, фотографирование взрывающихся овощей и фруктов, съемка капель воды и многое другое.

При высокоскоростной съемке обычно используется ручная фокусировка. Светочувствительность устанавливается в районе 100 – 200 значений. В ручном режиме выбирается максимально короткая выдержка, чтобы «заморозить» движение. Естественно, что без штатива здесь не обойтись. Перед съемкой необходимо проверить композицию, фокус и глубину резкости, а также правильно подобрать значения выдержки и диафрагмы. Для получения корректного освещения при высокоскоростной съемке можно увеличить или уменьшить мощность вспышки, а также поменять значения чувствительности ISO и диафрагмы на камере.

Синхронизация

Одна из основных сложностей, с которой сталкивается фотограф при высокоскоростной съемке, заключается в необходимости синхронизировать работу камеры и вспышки. Тут нужно остановиться на том, как действует механизм затвора цифрового фотоаппарата. Как правило, затвор включает в себя так называемые шторки. При нажатии на кнопку спуска первая шторка открывается, и матрица фотоаппарата подвергается воздействию света. Далее опускается вторая шторка, в результате чего воздействие светом прекращается. На длинных выдержках можно легко управлять работой вспышки с тем расчетом, чтобы она сработала именно после открытия первой шторки или непосредственно перед закрытием второй.

Фото innoxiuss / Foter / CC BY-NC

Но как только устанавливается достаточно короткая выдержка, превышающая скорость синхронизации, затвор начинает работать быстрее. В результате, вторая шторка начинает движение еще до полного открытия первой. Между двумя шторками возникает определенный зазор, который перемещается вдоль затвора. Через этот затвор экспонируется матрица фотоаппарата. Однако если в этот момент сработает вспышка, то только небольшая часть кадра окажется экспонированной. Отсюда и возникают проблемы с экспонированием всего кадра при использовании максимально коротких выдержек и вспышки.

Чтобы обойти эту проблему, можно произвести экспонирование в абсолютно темной комнате. В этом случае затвор может оставаться открытым фактически без произведения экспонирования. Выдержка выбирается более длинная для совершения определенного действия, пока затвор фотоаппарата все еще открыт. Такое длинное экспонирование в темной комнате никак не повлияет на финальный результат.

Чтобы получить экспозицию, нужна только вспышка. Причем время работы вспышки не будет совпадать с реальным временем экспонирования. Теперь остается только понять, как много времени требуется для срабатывания вспышки. Здесь нужно понимать, что мощность вспышки напрямую влияет на продолжительность освещения и, соответственно, на выдержку. А значит, если Вы планируете снимать на выдержке короче 1/6000 секунды, то можно просто уменьшить мощность вспышки до нужного Вам уровня.

Впрочем, во многих современных моделях электронных вспышек уже присутствует специальный режим высокоскоростной синхронизации (HSS), когда вспышка испускает очень большое число коротких импульсов. Затвор фотоаппарата в это время работает,и кадр экспонируется полностью. В этом режиме вспышка не может выдавать свою полную мощность, поскольку она производит десятки тысяч световых импульсов за короткий промежуток времени. Свет излучается не одним коротким, мощным импульсом, а целой серией, поэтому для того, чтобы заморозить движение, Вам придется больше укорачивать выдержку.

Фото nebarnix / Foter / CC BY-NC-ND

Помимо синхронизации работы вспышки и затвора фотоаппарата, вспышку также требуется синхронизировать с тем действием, которое Вы хотите зафиксировать. Например, вспышка должна сработать ровно в тот момент, когда пуля из пневматического оружия попадет в воздушный шар. Такую синхронизацию можно произвести при помощи звука, либо посредством самодельного механического переключателя, который приводит в действие вспышку ровно в момент, когда пуля попадает в цель.

Лови момент

В высокоскоростной фотографии очень важно правильно поймать момент для того, чтобы сделать снимок. Все действие происходит молниеносно, поэтому иногда фотограф торопится или, наоборот, не успевает нажать на кнопку спуска, что приводит к не самым лучшим результатам. Умение поймать нужный момент для съемки, безусловно, приходит с опытом. В первые разы Вам, возможно, придется повторить все несколько раз, прежде чем Вы поймаете нужный момент и получите достойный результат. Поэтому высокоскоростная фотография требует от фотографа немало терпения и сноровки. Бывает довольно трудно поймать правильный момент, когда речь, например, идет о пуле, летящей в цель с огромной скоростью. В общем, это занятие для терпеливых и сильных духом людей.

Фото Ruben Chase / Foter / CC BY-SA

Если Вам надоели такие «обыденные» жанры, как пейзаж, макросъемка или портрет, имеет смысл попробовать свои силы в высокоскоростной фотографии. Она предоставляет фотографу широкое поле для творчества. Можно экспериментировать с настройками, выбирать различные предметы и явления для съемки, фотографировать с разных ракурсов для получения интересных кадров. Начав заниматься высокоскоростной фотосъемкой, Вы удивитесь, сколько ярких и завораживающих событий происходит вокруг нас, а мы даже не подозреваем об их потрясающей красоте.

А движутся образующие изображение пучки света, сформированные оптической системой. В некоторых системах высокоскоростной киносъёмки используются линзовые растры или волоконная оптика . В последних случаях запись не содержит цельного изображения и для его воспроизведения на экране требуются дешифровка и печать на обычной киноплёнке с помощью специальных типов кинокопировальной аппаратуры .

Ускоренная киносъёмка лакающей собаки

Назначение скоростной съёмки

Контроллер дискового видеорекордера «Ampex HS-100» для замедленных повторов

Ускоренная съёмка позволяет замедлить движение на экране и рассмотреть его во всех подробностях. Это актуально при съёмках спортивных соревнований, когда необходимо определить победителя или оценить точность выполнения упражнений. В кино о спорте ускоренную киносъёмку одной из первых использовала Лени Рифеншталь при создании фильма «Олимпия » . В постановочном кинематографе ускоренная съёмка используется как выразительное средство, например, чтобы показать действия героя «во сне». Иногда повышенная частота устанавливается в кинокамере для имитации слабой гравитации и невесомости . Ускоренная съёмка (обычно 80-100 кадров в секунду) обязательна при создании комбинированных кинокадров с макетами: замедление движения позволяет сохранить достоверность действия, несмотря на небольшие размеры декораций . При этом обвал или разрушения крупного объекта не выглядят на экране «игрушечными» (так, например, выполнялась часть съёмок в фильме «Экипаж »).

Замедление темпа движения на экране возможно не только за счёт увеличения частоты киносъёмки, но и за счёт замедления киноплёнки в кинопроекторе или магнитной ленты в видеомагнитофоне с динамическим трекингом . Этот способ в 1970-х годах нашёл широкое применение в показах замедленных повторов при телетрансляциях спортивных мероприятий. Первые опыты замедленных повторов стали возможны уже в 1934 году на немецком телевидении после начала эксплуатации кинотелевизионной системы «Цвишенфильм » с промежуточной киноплёнкой, однако для вещания система оказалась слишком неудобной, уступив место электронным камерам. Первое устройство «HS-100», пригодное для электронных трансляций замедленных видеоповторов соревнований, было выпущено только в марте 1967 года американской компанией Ampex . Устройство воспроизводило одни и те же телевизионные поля по несколько раз, замедляя движение на экранах телевизоров . В кинематографе замедлить движение, снятое с нормальной частотой, можно таким же образом путём кратного размножения каждого кадрика на специальном кинокопировальным аппарате трюковой печати . Двукратная печать каждого кадрика даёт на экране двукратное замедление, соответствующее такому же увеличению частоты съёмки или уменьшению частоты проекции.

Однако при таком способе замедления движение на экране становится прерывистым, а некоторые фазы быстропротекающих процессов вообще невидимы, поскольку при съёмке попадают в интервал между снятыми кадрами. При сильном замедлении проекции до 1-2 кадров в секунду изображение становится похожим на слайд-шоу . Поэтому в большинстве случаев для замедления движения на экране предпочтительно использование ускоренной съёмки. В настоящее время для осуществления замедленных повторов на телевидении (Ultra Motion повторы в прямом эфире) выпускаются специальные вещательные системы, состоящие из высокоскоростной передающей камеры , видеосервера и контроллера, позволяющего замедленно воспроизвести с сервера любой момент отснятого действия . При этом движение на экране остаётся плавным за счёт высокой частоты съёмки камеры до 250 кадров в секунду .

В отличие от ускоренной съёмки, используемой, главным образом, в научно-популярном и художественном кинематографе, а также в спортивном телевещании, скоростная и высокоскоростная запись изображения применяются для исследования быстропротекающих процессов в науке и технике . Первые опыты с хронофотографией , ставшей прообразом кинематографа, проводились с теми же целями, позволяя изучать явления, недоступные человеческому восприятию. Наиболее известным примером таких исследований являются опыты Эдварда Мэйбриджа по фиксации фаз лошадиного галопа , позволившие определить момент отрыва от земли всех четырёх ног . Современная аппаратура позволяет снимать от нескольких тысяч до десятков миллионов кадров в секунду, делая возможным наблюдение очень быстрых процессов. Высокоскоростные цифровые устройства применяются в науке и промышленности для анализа краш-тестов , детонации , искровых разрядов и других явлений. Полученные в лабораторных условиях кадры позволяют точно измерить параметры движения, и в конечном счёте улучшить конструкцию изделий или проверить научную теорию. Иногда эти съёмки используются в качестве иллюстрации в документальных и научно-популярных фильмах .

Технические особенности процесса

Масштаб времени - количественная мера замедления движения, равная отношению проекционной частоты кадров к съёмочной . Так, если проекционная частота кадров стандартная и равна 24 кадрам в секунду, а киносъёмка производилась с частотой 72 кадра в секунду, масштаб времени составит 1:3, что соответствует трёхкратному замедлению.

Оптическая ёмкость - максимальное количество кадров, которые могут быть сняты за время одной киносъёмки . Для высокоскоростной киноаппаратуры это понятие имеет решающее значение, так как ёмкость принципиально ограничена конструкцией аппарата и его кассет . Например, аппарат «ФП-22» с оптической ёмкостью 7500 кадров при максимальной частоте съёмки 100 000 кадров в секунду расходует весь запас за 0,075 секунды. Поэтому для гарантированной регистрации исследуемого процесса даже небольшой длительности требуется точная синхронизация запуска киносъёмочного аппарата или видеосервера с началом процесса.

Понятие частота киносъёмки напрямую применимо только при кадровом способе съёмки. При бескадровых способах чаще всего пользуются понятием разрешающей способности во времени или временны́м разрешением . Параметр определяется как функция максимальной временно́й частоты изменения яркости тест-объекта, которая может быть измерена по результатам съёмки .

Максимальная частота съёмки в кинематографе определяется конструкцией кинокамеры и динамическими характеристиками её скачкового механизма . В видеозаписи и высокоскоростной цифровой фотографии максимальная частота определяется особенностями фотоматрицы и временем считывания заряда. В любительской киноаппаратуре предусматривалась ускоренная съёмка на частотах до 64-72 кадров в секунду. В профессиональном оборудовании применяются специализированные грейферные механизмы , обеспечивающие до 360 кадров в секунду для 35-мм киноплёнки и до 600 кадров в секунду для 16-мм . В СССР для ускоренной киносъёмки выпускались камеры 1СКЛ-М «Темп», 2КСК, 3КСУ и другие . Современные профессиональные киносъемочные аппараты общего назначения обеспечивают частоту съемки до 200 кадров в секунду с возможностью её плавной регулировки непосредственно во время съёмки для получения спецэффектов изменения хода времени. Повышение скорости сверх этих значений осуществляется при непрерывном движении киноплёнки, поскольку ни один из существующих скачковых механизмов не способен транспортировать фотоматериал с более высокими скоростями без его повреждений.

Второй главной проблемой ускоренных съёмок является неизбежное уменьшение выдержки при повышении частоты . Даже при коэффициентах обтюрации , близких к единице, для частоты 1000 кадров в секунду выдержка не может превышать 1/1000 секунды. При высокоскоростной съёмке этот же параметр может составлять несколько наносекунд. Это вынуждает использовать высокочувствительные сорта киноплёнки и фотоматрицы с низким уровнем шумов, а также яркое освещение снимаемой сцены. Большинство современных цифровых устройств этого назначения оснащаются охлаждающим элементом Пельтье для снижения шумов матрицы и получения возможности предельного повышения её светочувствительности .

Технологии скоростной съёмки

Падение шара с водой, снятое с частотой 480 кадров в секунду

После появления цифровых фотографии и видеозаписи большинство технологий скоростной съёмки, основанных на кинематографических процессах, устарели, поскольку электронные устройства не содержат никаких движущихся частей, ограничивающих быстродействие. ПЗС -матрицы позволяют регистрировать быстропротекающие процессы с частотой до 1000 кадров в секунду . Появление КМОП -матриц стало примером подрывной инновации , позволив снимать миллионы кадров в секунду и полностью заменить киноплёнку. Достигнутый в 2011 году уровень быстродействия в 0,58 триллиона кадров в секунду позволяет зафиксировать перемещение светового фронта импульсного лазера . Даже некоторые цифровые компактные фотоаппараты , например серии «Casio Exilim», уже оснащаются функцией скоростной видеосъёмки с частотой до 1200 кадров в секунду при уменьшенных размерах кадра . В постановочном кинематографе для ускоренных съёмок используются специальные цифровые кинокамеры , среди которых наиболее известны устройства «Phantom», способные снимать до миллиона кадров в секунду .

Однако в отдельных отраслях до сих пор используются скоростные киноаппараты. Методы скоростной киносъёмки могут быть условно разделены на две главные разновидности: съёмка на движущуюся киноплёнку и на неподвижную с движением оптических деталей аппарата. Первый способ с использованием лентопротяжного механизма применим, если скорость движения киноплёнки не превышает 40 метров в секунду, поскольку при более быстрой протяжке плёнка рвётся или самовоспламеняется . Во втором случае киноплёнка размещается на неподвижном или вращающемся барабане . Подвижный барабан разгоняется до номинальной скорости (до 350 метров в секунду) перед съёмкой, позволяя аппарату работать в ждущем режиме без потери оптической ёмкости. Известны два основных способа скоростной киносъёмки:

Оптическая компенсация

Для того, чтобы изображение кадра оставалось неподвижным относительно движущейся равномерно киноплёнки, между ней и съёмочным объективом устанавливается вращающаяся призма или многогранный зеркальный барабан . Размер и положение призмы выбираются такими, чтобы линейное смещение оптического изображения соответствовало перемещению плёнки за то же время. При этом незначительный взаимный сдвиг изображения и киноплёнки (тангенциальная ошибка) неизбежен, и для его уменьшения время экспонирования ограничивается дополнительным обтюратором . По такому принципу были построены советские киносъёмочные аппараты «ССКС-1» и многие зарубежные, например, американский «HyCam» .

При использовании вращающегося зеркального барабана закон смещения изображения зависит от расстояния до объекта съёмки, становясь практически линейным только для предметов, расположенных в бесконечности. Поэтому для съёмки с конечных дистанций аппараты такого типа снабжаются комплектом коллиматорных линз, помещаемых между объективом и зеркальным барабаном. Такую конструкцию имели различные аппараты, например советский «СКС-1М» и немецкие «Пентацет-16» и «Пентацет-35». 16-мм аппарат «СКС-1М» был способен снимать до 16 000 уменьшенных кадров в секунду при их расположении в два ряда . В комплект может входить несколько зеркальных барабанов с различным количеством граней, от которого зависит размер получаемых кадриков и частота съёмки.

Для повышения частоты съёмки при неизменной оптической ёмкости иногда применяется расположение кадриков небольшого размера в несколько рядов с уменьшенным шагом. Каждый из рядов может экспонироваться через отдельный объектив, а неизбежный при этом параллакс считается допустимым при съёмке удалённых объектов . Подобная технология изобретена задолго до появления кинематографа и использовалась в ранней хронофотографии .

Кратковременное экспонирование

Высокоскоростная съёмка

Ещё одно распространённое название - лупа времени . В современных технологиях регистрации изображения известны несколько методов высокоскоростной съёмки, осуществляемых на фотоматериал или цифровым способом.

Оптическая коммутация

Цифровая установка «Fastcam» для высокоскоростной съёмки

При таком способе, чаще всего, один или несколько витков киноплёнки располагают на внутренней поверхности неподвижного барабана. Против каждого будущего кадра обычно располагается коммутационная призма и вторичный объектив. Вторичные объективы могут располагаться в несколько рядов с взаимным смещением, позволяя повысить частоту киносъёмки. При этом размеры получаемых кадров уменьшаются пропорционально возрастанию их рядности. В центре барабана с большой скоростью вращается зеркало, которое и осуществляет «развёртку» по длине плёнки. Для повышения скорости вращения зеркало иногда помещают в среду инертного гелия . Для предотвращения повторного экспонирования общее время съёмки не должно превышать одного оборота зеркала, и ограничивается фотозатвором , располагающимся за входным объективом. Требуемое быстродействие недостижимо для обычных затворов, поэтому для прерывания съёмки часто используют одноразовые затворы взрывного типа . По принципу оптической коммутации построены советские аппараты «СФР», «ССКС-3» и «ССКС-4» .

Две последних камеры для обеспечения рабочего угла в 360° используют четырёхрядную укладку киноплёнки изнутри барабана и четыре зеркала, вращающихся на общей оси. При этом зеркала смещены друг относительно друга на 90°, обеспечивая последовательное экспонирование всех четырёх рядов киноплёнки за один полный оборот. Аппарат «ССКС-4», предназначенный для 35-мм киноплёнки с кадром обычного формата , обеспечивает при таком устройстве частоту съёмки до 100 000 кадров в секунду. 16-мм аппарат «ССКС-3» может снять за секунду до 300 000 кадров . Из-за ограниченного рабочего угла зеркала перечисленные камеры, относящиеся к категории аппаратов с прямым вводом , мало пригодны для работы в ждущем режиме.

Значительно более совершенны аппараты с соосным вводом , в которых оптическая ось объектива совпадает с осью барабана. Камеры этого типа, такие как «ФП-22», предусматривают размещение по спирали нескольких витков киноплёнки, и повышенную оптическую ёмкость до 7500 кадров на 8-мм киноплёнке . Способ оптической коммутации применим и при цифровых технологиях. В этом случае вместо киноплёнки с линзовой вставкой вторичных объективов размещаются один или несколько рядов миниатюрных цифровых фотоаппаратов . Максимальная частота съёмки при этом зависит не от времени считывания матриц , а от скорости вращения зеркала.

Механическая коммутация

В аппаратах этого типа используются несколько объективов, расположенных по окружности напротив вращающегося с большой скоростью диска с узкой щелью. Количество получаемых кадров равно количеству объективов, а вся съёмка происходит за один оборот диска. Более совершенная схема предполагает наличие на диске нескольких щелей и нескольких рядов объективов. Несмотря на неизбежный параллакс и малую оптическую ёмкость, такой принцип обеспечивает съёмку с частотой до 250 000 кадров в секунду в ждущем режиме .

Электронная коммутация

При этом методе объект съёмки, расположенный вблизи коллективной линзы, освещается искровыми разрядами , электронными вспышками или импульсным лазером . Изображение строится на неподвижном фотоматериале несколькими объективами, а коммутация источников света осуществляется бесконтактными электронными устройствами. Какие-либо подвижные части в такой камере отсутствуют. Данный метод применяется для процессов, протекающих в относительно малом объёме. Несмотря на существенные недостатки, заключающиеся в наличии пространственного параллакса между соседними кадрами, при электронной коммутации возможна съёмка с очень высокими частотами вплоть до нескольких миллионов кадров в секунду . Метод непригоден для съёмки светящихся объектов.

Ещё одна технология предусматривает использования электронно-оптического преобразователя со скачкообразным перемещением изображения по поверхности флуоресцирующего экрана при помощи магнитной отклоняющей системы . Таким образом на одном экране можно одновременно разместить от четырёх до шестнадцати кадриков, соответствующих различным фазам движения объекта. За счёт эффекта послесвечения каждый полученный набор кадров фиксируется на одном кадре киноплёнки. При этом способе достигается частота съёмки до 600 миллионов кадров в секунду. Ещё одно достоинство заключается в возможности получения высокой яркости вторичного изображения при помощи фотоэлектронного умножителя , компенсирующей падение экспозиции при коротких выдержках. В СССР подобные аппараты на основе отечественных трубок начали выпускать в начале 1960-х годов. За рубежом наиболее известны камеры с электронной коммутацией производства Hadland Photonics Limited и Cordin Company.

Бескадровая съёмка с диссекцией изображения

Бескадровая съёмка с диссекцией основана на разложении изображения на отдельные элементы, изменения яркости каждого из которых записываются непрерывно . При таком способе скоростной киносъёмки чаще всего используется волоконная оптика , предназначенная для относительного смещения отдельных элементов изображения. В съёмочном аппарате между объективом и киноплёнкой размещается светопровод, составленный из множества элементарных стеклянных нитей сечением в сотые доли миллиметра. Один из торцов светопровода располагается в фокальной плоскости объектива, строящего действительное изображение объектов съёмки. Пользуясь тем, что форма сечения многожильного светопровода легко изменяется смещением отдельных волокон друг относительно друга, его противоположный конец выполняется в виде узкой щели шириной в одну элементарную нить .

При равномерном движении киноплёнки мимо заднего торца светопровода, изображение среза каждого волокна записывается в виде линии с переменной оптической плотностью. Для воспроизведения изображения используется тот же жгут, расположенный относительно киноплёнки таким же образом, как и во время съёмки. В этом случае на противоположном от плёнки торце светопровода образуется видимое изображение объектов съёмки. Такой способ киносъёмки позволяет рагистрировать движения любой скорости, а временна́я разрешающая способность ограничена только разрешением киноплёнки и диаметром нитей. В то же время изменение геометрических размеров фотоматериала во время лабораторной обработки, при такой технологии недопустимо, так как приводит к искажению изображения при его дешифровке. Поэтому для съёмки с диссекцией применимы только киноплёнки на безусадочной лавсановой подложке или фотопластинки на стеклянной основе.

Бескадровая растровая съёмка

Метод скоростной киносъёмки с непрерывным движением киноплёнки. При такой технологии на киноплёнке не образуется видимого изображения объектов съёмки, представленных совокупностью линий различной оптической плотности. Для съёмки используется оптический растр, помещаемый перед киноплёнкой вблизи фокальной плоскости объектива. Простейший растр представляет собой непрозрачную перегородку с предельно малыми отверстиями, расположенными в несколько рядов с малым шагом. Каждое отверстие работает как элементарный стеноп , строя изображение выходного зрачка объектива на фотоэмульсии .

Более высокой светосилой обладает линзовый растр похожей конструкции. Каждому отверстию пластины соответствует элементарная линза растра, строящая изображение зрачка. Расположение разных линз растра на различных расстояниях от оптической оси объектива приводит к тому, что элементарные изображения каждой из них отличаются. Соседние ряды линз сдвинуты друг относительно друга на расстояние, равное доле шага растра. При движении киноплёнки изображение каждой линзы отображается в виде отдельной полосы, оптическая плотность которой колеблется в соответствии с изменениями яркости каждого участка движущегося изображения кадра.

Для обратного синтеза изображения используется тот же растр, расположенный относительно киноплёнки так же, как во время съёмки. В результате на экране получается движущееся изображение объектов съёмки. Советский растровый аппарат «РКС-11» при таком методе обеспечивает разрешающую способность во времени до 150 000 с −1 при оптической ёмкости 300 кадров на двух фотопластинках 13 × 18 см .

Фоторегистрация (щелевая бескадровая съёмка)

Разновидность высокоскоростной киносъёмки с непрерывным экспонированием светочувствительного материала . При такой технологии из прямоугольного кадра выделяется отдельный элемент в виде линии, ограниченной узкой щелью . Киноплёнка или оптический коммутатор могут двигаться непрерывно с любой скоростью. При этом записывается только узкая линия, изображающая ограниченную область объектов. Полученное на киноплёнке изображение называется фоторегистрограммой и лишь условно изображает часть объекта съёмки . В то же время, благодаря возможности измерения основных параметров движения, фоторегистрация получила распространение в некоторых отраслях науки, в которых полное изображение снятых объектов считается избыточным. Щелевая бескадровая съёмка широко используется в спорте, в том числе в качестве фотофиниша .

Режим фоторегистрации предусмотрен во многих аппаратах с оптической коммутацией. При этом между объективом и коммутатором соосно с ним размещается щелевая диафрагма, а линзовые вставки с вторичными объективами убираются от киноплёнки. В таком режиме временна́я разрешающая способность возрастает в несколько десятков раз . В высокоскоростной видеосъёмке уменьшение высоты кадра вплоть до одного пикселя также позволяет повысить частоту регистрации в несколько раз за счёт сокращения времени считывания.

Щелевая фоторегистрация послужила основой для целого направления в фотоискусстве - щелевой фотографии .

См. также

Источники

, с. 136.
, с. 343.
, с. 300.
, с. 267.
, с. 40.
, с. 56.
, с. 36.
, с. 28.
, с. 181.
, с. 305.
, с. 157.
, с. 37.
Steven E. Schoenherr. 1967 (англ.) . Ampex History (недоступная ссылка - история ) . Ampex . Проверено 20 июня 2015. Архивировано 20 июня 2015 года.
, с. 189.
Высокоскоростная вещательная система I-Movix (рус.) . Продукция . «Седатэк». Проверено 19 июня 2015.
, с. 51.
Высокоскоростная фотосъёмка (рус.) . История фотографии (недоступная ссылка - история ) . «Фотография» (26 августа 2012). Проверено 19 июня 2015. Архивировано 19 июня 2015 года.
, с. 66.
, с. 274.
, с. 272.
, с. 30.
, с. 41.
Н. А. Тимофеев. Использование высокоскоростных цифровых камер для исследования физических систем (рус.) (недоступная ссылка - история ) . Проверено 18 июня 2015. Архивировано 19 июня 2015 года.
Леонид Попов. Учёные создали камеру с частотой триллион кадров в секунду (рус.) . «Мембрана» (15 декабря 2011). Проверено 17 февраля 2016.
Femto-Photography: Visualizing Photons in Motion at a Trillion Frames Per Second (англ.) . Camera Culture. Проверено 17 февраля 2016.
Фотоаппарат Casio Exilim Pro EX-F1 и скоростная съёмка (рус.) . «Фаствидео». Проверено 19 июня 2015.
Андрей Баксаляр. Vision Research выпускает скоростные камеры Phantom v1210 и v1610 (рус.) . «GadgetBlog» (9 августа 2011). Проверено 19 июня 2015.

Наверное, каждый из нас когда-то смотрел документальные фильмы о живой природе, когда процессы, происходящие на Земле видны в самом близком приближении. Или, когда извержение вулкана показывается в мельчайших подробностях. Или взрывы пиротехники. Существует много такого, что даже самая лучшая камера не снимет так, как высокоскоростная.

Такие устройства снимают со скоростью сотни тысяч и миллионы кадров в секунду и именно поэтому нам удается рассмотреть то, что раньше было просто недоступно ни камерам, ни тем более, человеческому глазу.

Но приготовьтесь к тому, что подобные камеры имеют еще совершенно космическую стоимость, которая доступна только крупным телеканалам и съемочным студиям, научным институтам.

Рейтинг: лучшие высокоскоростные камеры

Место	Высокоскоростные камеры 2017 года	Рейтинг
1		5.0
2		4.8
3		4.6
4		4.4
5		4.0
6		4.0
7		4.0

Девайс позиционируется, как самая скоростная мегапиксельная камера, которая «умеет» снимать со скоростью 25600 кадров/сек. при максимальном разрешении 1280х800 точек. При этом, если условия съемки требуют более высокой скорости, то при снижении разрешения, можно добиться скорости съемки 1000000 кадров/сек.(!) Поистине, космическая скорость, но на Земле.

Затвор этой камеры способен открываться/закрываться со скоростью 265 наносекунды, что действительно делает гаджет уникальным в своем роде. Объем скоростного жесткого диска составляет 288 ГБ, а все отснятое напрямую передается в CineMag со скоростью 10 Гб/сек.

Высокоскоростная камера российской разработки, применяется в различных областях жизнедеятельности человека: медицина, наука, технологии, армия, транспортная инфраструктура и т. д. Камера снимает со скоростью 1000 кадров в секунду с разрешением 1280х860 точек, а при желании, камера «разгоняется» до скорости 22500 кадров/сек. при уменьшении пикселизация.

Сенсор камеры монохромный, объем памяти составляет 4 ГБ, который увеличивается до 128 ГБ (если настроить максимально качество и скорость съемки, то 4 ГБ памяти заполняются за 3,7 секунды). Производитель дает гарантию 5 лет, а тот фактор, что это отечественная разработка существенно упрощает процесс ремонта и сервисного обслуживания.

Достаточно стандартная камера, если такое слово вообще корректно в отношении высокоскоростных камер. Скорость съемки при разрешении в 1280х1024 точек составит 1000 кадров в секунду, при этом, скорость затвора равна 2 наносекунды.

Камера используется в различных отраслях науки и промышленности для съемки самых быстротекущих процессов – внутренней памяти хватит на 6,5 секунд записи при максимальном разрешении и скорости. Данная линейка модели насчитывает несколько разновидностей камеры, что позволят подобрать оптимальную для различных задач и условий применения.

Эта промышленная камера имеет два варианта технической комплектации с различными возможностями. Корпус камеры максимально обеспечивает сохранность и долговечность устройства благодаря промышленным же, технологиям. Скорость съемки может достигать 6300 кадров/сек., а управляться камера может при помощи приложения для устройств на ОС Android .

Объем встроенной памяти может быть 16 или 32 ГБ, в комплекте поставки находится высокоскоростной SSD диск . В основном, данная серия высокоскоростных камер используется для контроля качества сварного шва в промышленности и диагностики промышленных линий производства, где человеческий глаз не способен уловить неисправности, или отклонения в процессах.

Высокоскоростная камера с возможностью съемки со скоростью до 205 000 кадров в секунду (в зависимости от пикселизации). Основной отличительной чертой этого устройства является температурный диапазон применения камеры: от -40 до +50 градусов С. Корпус камеры обладает повышенными прочностными характеристиками, присутствуют различные современные интерфейсы для подключения дополнительного оборудования.

Данная серия скоростных устройств состоит из 12 различных комплектаций, что дает широкие возможности по выбору, исходя из последующих условий эксплуатации. Однако, ремонт и обслуживание камеры может вызвать затруднения, т. к. производство находится в США (время поставки запчастей может достигать 1-3 месяца).

Данная камера от отечественного разработчика позволяет снимать с максимальной скоростью 4000 кадров в секунду и максимальным разрешением 1280х800 точек. Нужна скорость выше, пожалуйста – 85000 кадров и минимальное разрешение в пикселях. Сенсор камеры данной модели цветной, объем жесткого диска может достигать 128 ГБ.

Как и черно-белый «собрат» этого производителя, о котором мы говорили выше, устройство собирается в России, что является существенным плюсом при ремонте и обслуживании.

Phantom VEO 710

Данная камера снимает в максимальном разрешении 1280х800 точек при скорости 7400 кадров в секунду. Это ее максимальное качество, но при необходимости, девайс можно «разогнать» до 1 000 000 кадров, при понижении пикселизации. Устройство выпускается в двух версиях комплектации, которые различаются в наличии дополнительных возможностях у «старшей» модели.

Хранилище файлов может составлять 72 ГБ, все компоненты надежно защищены от ударов, вибраций и высоких перегрузок, которые могут варьироваться от 30 до 100 Джи. При покупке следует быть внимательным, т. к. некоторые функции камеры могут потребовать дополнительных международных лицензий.

Мы живем «здесь» и «сейчас». Привычное человеку пространство лежит в масштабах от километров до миллиметров, время — от лет до секунд. Наше воображение плохо вмещает вещи по‑настоящему большие, мы почти неспособны отметить события короче десятых долей секунды. А ведь именно там часто происходит самое интересное. Заглянуть за эти пределы позволяют технологии, и самые быстрые вещи фиксируются сверхскоростными видеокамерами. Бросок языка хамелеона, полет пули, ядерный взрыв, движение световой волны. Тысячные, миллионные доли секунды… и почти что триллионные.

Высокоскоростная съемка развивалась почти так же стремительно, как фотография и кино. И если в середине XIX века на получение одного кадра требовалась неподвижная экспозиция в четверть часа и дольше, то уже в 1878-м Эдвард Мейбридж смог со снимками в руках доказать, что при беге лошадь не всегда касается земли хотя бы одной ногой. Шотландский фотограф использовал хитроумную систему из 12 камер, затворы которых срабатывали от рывка нитей, привязанных поперек беговой дорожки.

Уже в 1930-х компания Eastman Kodak предлагала серийно производившуюся камеру, способную делать до 1000 кадров в секунду на ленту 16-миллиметровой пленки. Инженеры из Bell Telephone Laboratories разработали собственную систему для изучения физики дребезга релейных контактов, добравшись до планки в 5000 кадров. Их систему усовершенствовали в компании Wollensak — 10 000 кадров. Впрочем, настоящую скорость фотосъемка набрала благодаря изобретателю Цирси Миллеру, который в 1940 году запатентовал устройство с вращающимся зеркалом, обещавшее скорость миллион кадров в секунду.

Его патент лег в основу камеры, использованной участником проекта «Манхэттен» Берлином Брикснером для съемок первого в истории ядерного взрыва. Испытания «Тринити» фиксировали с 10-километрового расстояния, наставив на эпицентр сразу полсотни сложных съемочных аппаратов. В их числе была и еще одна примечательная камера, созданная профессором Массачусетского технологического института с подходящим прозвищем «Папа Флэш». Гарольд Эджертон считается отцом скоростной съемки, а его камера Rapatronic — первым образцом современных аппаратов.

Rapatronic | 1940-е годы

Эджертон уже больше десяти лет занимался высокоскоростной съемкой, когда ему предложили разработать камеру для фиксации невиданно быстрого (и невиданно секретного) события — ядерного взрыва. Для испытаний обычно использовали от четырех до двенадцати таких аппаратов, каждый из которых мог сделать лишь по одному кадру с выдержкой 10 наносекунд. Ни один протяжный механизм неспособен сработать на такой скорости, так что после каждого снимка камеры приходилось перезаряжать. Не справился бы и механический затвор, управляющий диафрагмой. Но именно тут и скрывался главный секрет Эджертона.

Свет, попадающий на объектив Rapatronic, блокировался парой поляризационных фильтров, повернутых относительно оптической оси перпендикулярно друг другу: один «отсекал» волны с вертикальной поляризацией, другой — с горизонтальной. Однако зазор между ними был заполнен прозрачной жидкостью нитробензола, способной вращать плоскость поляризации, если к ней приложить внешнее электромагнитное поле. Поле создавалось электромагнитной катушкой, запитанной от мощного конденсатора. При срабатывании такого затвора излучение с вертикальной поляризацией, пропущенное первым фильтром, слегка «подкручивалось», и второй фильтр, блокирующий все вертикальные волны, свободно его пропускал на чувствительную пленку.

Beckman & Whitley 192 | 1981 год

Еще один «пережиток» холодной войны — 726-килограммовая камера Beckman & Whitley 192 — тоже создавалась для съемки ядерных взрывов и снова отправляет нас к первым испытаниям в Неваде. Вращающиеся зеркала Цирси Миллера здесь обернулись вращением регистрирующей аппаратуры вокруг трехстороннего зеркала в центре мощной конструкции. Струя сжатого газа приводила ее в движение, разгоняя до 6000 оборотов в секунду, и неподвижные зеркала поочередно отражали свет на каждую из 82 закрепленных по краю фотокамер. Каждый кадр получал выдержку меньше миллионной доли секунды. И хотя с Rapatronic это не сравнится, 192-я позволяла снимать события более протяженные, а не отключалась после первого снимка. Похожим образом действовала и разработанная в 1950-х годах в СССР камера ФП-22. Только в ней вращалась система зеркал, так что луч стремительно обегал круг по длинной ленте специальной фотопленки, делая до 100 000 кадров в секунду. Ну а сама легендарная Beckman & Whitley 192, уже списанная, в 2000-х почти за бесценок досталась «охотнику за грозами», инженеру Тиму Самарасу. Он переделал ее на современный лад, заменив пленочные камеры на 82 10-мегапиксельные CCD-матрицы. Путешествуя с камерой в трейлере, Самарас сделал немало эффектных кадров с молниями и торнадо, пока не погиб в урагане, который пронесся над Оклахомой в конце мая 2013 года.

«Пикокамера» | 2011 год

Скорость этой системы позволяет записать даже короткий световой импульс, пока он распространяется от донышка бутылки, отражается колпачком и возвращается обратно. «Во всей Вселенной для этой камеры нет ничего слишком быстрого», — хвастались разработчики устройства. Это, конечно, некоторое преувеличение. Строго говоря, даже «триллиона кадров в секунду», как о том поспешили написать новостные издания, их система не делает: эффективное время экспозиции здесь составляет целых 1,71 пикосекунды. Но гордость разработчиков можно понять. Аппаратура, созданная в Массачусетском технологическом институте (MIT), способна уследить, как расширяется сферическая волна света, испущенного импульсным лазером. Как и у многих специальных лабораторных инструментов для измерения быстропротекающих процессов, в основе системы лежит электронно-оптическая камера. Устройство напоминает приборы ночного видения: световая вспышка, поступающая в камеру через щель, выбивает электроны с фотокатода. Они ускоряются и фокусируются в электромагнитном поле. Наконец, пучок отклоняется, двигаясь по экрану люминофора: каждому моменту времени соответствует определенный участок экрана. Такие камеры (и даже пикосекундные) производят достаточно давно, в том числе и в России. Однако они, как правило, не позволяют рассмотреть никаких деталей. Поэтому инженеры MIT дополнили устройство поворотным зеркалом, которое направляет щель камеры, «сканируя» всю сцену, и сложнейшими математическими алгоритмами, которые собирают всё в последовательную смену кадров.