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中創(chuàng)百科

高速攝像測量需考慮的問題

發(fā)布人：中創(chuàng)聯(lián)達；發(fā)布時間： 2023-03-01

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(fā)生變化的各種可能性，進行充分準(zhǔn)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?zāi)康囊约耙鉀Q的問題，主要有以下幾項內(nèi)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(shù)？

（３）事件什么時間發(fā)生，需要什么樣的結(jié)果，人員和設(shè)備的情況？

（４）現(xiàn)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(yù)先的觀察來增加對事件的了解？事件應(yīng)使用那些理論數(shù)據(jù)來分析其變化范圍、運動參數(shù)以及持續(xù)時間等？

（５）獲得：

ａ．什么參數(shù)需要測量？

ｂ．需要什么圖像格式？

ｃ．時間標(biāo)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(shè)備來獲取所需要的數(shù)據(jù)，包括照明，主要基于以下的選擇：

ａ．單幅還是多幅攝像系統(tǒng)；

ｂ．機械還是電子的快門種類；

ｃ．幀頻及曝光時間；

ｄ．?dāng)z像系統(tǒng)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．?dāng)z像系統(tǒng)同目標(biāo)的時間同步方式；

ｉ．是否需要其他的光源（脈沖的還是連續(xù)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(xù)激光器和Ｘ光。

（７）使事件布置在最適合觀察的位置：

ａ．環(huán)境和場所的考慮；

ｂ．對系統(tǒng)的功率需求及供電功率的考慮；

ｃ．輔助設(shè)備的需求；

ｄ．所有設(shè)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(shù)據(jù)？是純可視化圖像、純數(shù)據(jù)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(jié)省資金和時間。

2.高速瞬變現(xiàn)象的一般特性

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

1.被攝目標(biāo)的空間尺寸

為了跟攝影機的畫幅尺寸一一對應(yīng)起來，對被攝目標(biāo)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(tǒng)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(yīng)物體的空間特征尺寸為寬度×高度×深（W·H·D）。

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

確定了目標(biāo)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(shù)。

2.目標(biāo)的運動速度

目標(biāo)的運動速度是決定攝影機參數(shù)的一個很重要的數(shù)據(jù)，通常認(rèn)為，目標(biāo)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(dǎo)彈飛行軌跡進行攝影時，則不需要很高的攝影頻率。

3.目標(biāo)變化的持續(xù)時間和特性周期

目標(biāo)變化的持續(xù)時間或特性周期決定了攝影記錄的有效時間。若目標(biāo)運動是周期性出現(xiàn)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(shè)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(biāo)，如核彈的爆炸，即用持續(xù)時間來表征。假如，核物理科學(xué)家對核彈引爆時的１μｓ時間內(nèi)變化情況最感興趣，那么就需要把這１μｓ里爆心變化現(xiàn)象用高速攝影方法記錄下來，我們就可以認(rèn)為，這１μｓ即為目標(biāo)運動的持續(xù)時間。

4.目標(biāo)的亮度特性

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

對于面發(fā)光體，其單位面積上向單位立體角發(fā)出的光通量叫亮度。對于非自發(fā)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(dāng)然自發(fā)光體比非發(fā)光體要來得方便，不存在照明問題。對于有些發(fā)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(shù)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(xiàn)光暈現(xiàn)象。但是對于一些非發(fā)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(xiàn)象、攝像系統(tǒng)的位置以及相關(guān)設(shè)備都存在著嚴(yán)重的安全威脅。因此，在計劃中對安全的考慮，理所當(dāng)然是很重要的方面。像爆炸或炮彈的發(fā)射都明顯具有危險，而在很多工業(yè)處理中，人和設(shè)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(yù)見到并加以保護。如果設(shè)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(huán)境下堅硬的地面，在大雨后就可能變成沼澤地，從而導(dǎo)致三腳架傾覆，設(shè)備受損。

用戶必須具備必要的知識，并在專家的指導(dǎo)下進行工作，還要意識到設(shè)備可能出現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)進行防護。控制時序和控制信號必須安全、可靠、準(zhǔn)確。實施中必須協(xié)調(diào)光源也可能由于燃燒或電擊而出現(xiàn)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(shè)備調(diào)試和調(diào)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(diào)整參數(shù)，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(dāng)檢查激光束在目標(biāo)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(shè)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(rèn)真考慮。

4.內(nèi)定標(biāo)和外定標(biāo)

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(zhǔn)，這

就希望在被記錄的視場范圍內(nèi)，在恰當(dāng)?shù)奈恢蒙嫌凶鴺?biāo)。通常采用兩對交叉線作標(biāo)記，如圖5.1所示。這與其他標(biāo)志比較來說，有簡明而清晰的優(yōu)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(biāo)。

定標(biāo)一般有兩種，即外定標(biāo)和內(nèi)定標(biāo)。

外定標(biāo)：在目標(biāo)附近設(shè)有標(biāo)桿，標(biāo)線或別的標(biāo)記，使得在攝影記錄時，模型和標(biāo)記都同時成像并記錄在畫幅上，作為測量基準(zhǔn)。通常用金屬細(xì)絲緊繃在觀察區(qū)域內(nèi)，或者在背景板上劃上標(biāo)尺，這種方法適用于沒有內(nèi)定標(biāo)的照相系統(tǒng)。當(dāng)然這種方法由于標(biāo)記和物面不重合而產(chǎn)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(biāo)尺在目標(biāo)上，另一部分放置在視場中靜止不動的部位。

內(nèi)定標(biāo)：在相機內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)中設(shè)置坐標(biāo)板。因為在很多情況下，在物方不可能或不適宜安放標(biāo)線，那就要求攝像系統(tǒng)內(nèi)部能使畫幅獲得基準(zhǔn)線，采用二次成像法和分光法可獲得坐標(biāo)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(zhuǎn)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(xiàn)象或模型的像平面與被成像的坐標(biāo)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(biāo)記同目標(biāo)不在同一位置上，或攝像系統(tǒng)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(shè)置比較復(fù)雜，但有效可行。有兩種方法可以采納。

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

圖5.2 使網(wǎng)格板的像同目標(biāo)的像疊加在一起的方法

網(wǎng)格板的位置可以調(diào)整，保證目標(biāo)到鏡頭的距離同網(wǎng)格板到鏡頭的光程相等，保證網(wǎng)格板同目標(biāo)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(zhì)量透明網(wǎng)格板的后方照明，使用透鏡使其圖像成在圖像感應(yīng)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(tǒng)就相對小了。要保證攝像系統(tǒng)中的網(wǎng)格線同目標(biāo)的運動平面的實際線成嚴(yán)格的比例關(guān)系，這里網(wǎng)格提供了一個參考，包括在目標(biāo)運動平面內(nèi)的基準(zhǔn)標(biāo)尺標(biāo)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(nèi)，并聚焦在目標(biāo)平面內(nèi)。可以用來作為目標(biāo)的比例標(biāo)記，提供靜止參考點，用以確定目標(biāo)在視場中的運動量。由于其自發(fā)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(wǎng)格獲得網(wǎng)格重疊圖像的方法

當(dāng)然內(nèi)定標(biāo)方法都會損失一部分光能量，儀器系統(tǒng)也較復(fù)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(tǒng)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(tǒng)最大的貢獻就是可不斷地循環(huán)記錄，用最新的圖像覆蓋前面的圖像直到觸發(fā)后停止。其觸發(fā)形式靈活，可精確地控制存儲事件發(fā)生前后保存在DRAM中圖像的數(shù)量。

在記錄不可預(yù)測和間歇事件時，可選擇連續(xù)記錄、觸發(fā)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(yīng)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(fā)，采用轉(zhuǎn)速計的脈沖驅(qū)動封口機，可獲得精確的時間，當(dāng)封口時用來指示準(zhǔn)確的位置。這個計時脈沖用來限制進入高速攝像系統(tǒng)存儲器的圖像。如果脈沖出現(xiàn)，則使圖像存入存儲器中，在脈沖出現(xiàn)的間隔，則沒有圖像寫入。因此，僅當(dāng)蓋子在準(zhǔn)確的位置時圖像才被寫入，直到存儲器滿。

圖5.4 連續(xù)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(tǒng)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(tǒng)的另一種技術(shù)是外同步技術(shù)。這種記錄方式由用戶提供的信號來決定攝像系統(tǒng)的幀頻。圖5.5所示的應(yīng)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(dāng)頻率發(fā)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(biāo)比運動較慢的目標(biāo)需要更高的攝像頻率，因此，記錄的速度同目標(biāo)的變化速度應(yīng)成正比。這些應(yīng)用包括：使用應(yīng)變儀進行材料的變形實驗，使用壓力傳感器進行內(nèi)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(fā)生。這些都是基于DRAM存儲器的高速攝像系統(tǒng)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(nèi)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(xiàn)場，電源用來驅(qū)動攝像機、光源和輔助設(shè)備。在工作前，必須檢查交流電和直流電是否在設(shè)備要求的范圍內(nèi)，電源電流的供給是否滿足要求，是否經(jīng)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(fā)電機或電池。如果有電源插座，那么必須檢查插座的結(jié)構(gòu)和插頭的形式，保證其正確的連接。

如果設(shè)備是由另外一個國家生產(chǎn)，則電壓就有不同的要求，這時就必須使用電壓調(diào)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(fā)電機供電。如果其他的測量設(shè)備和攝像系統(tǒng)的電源相連，當(dāng)所有系統(tǒng)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(shè)備，對使用交流電的設(shè)備有一定的局限性。為了確保交、直流電環(huán)境下都能可靠工作，扣除電纜上的壓降保證電壓控制在設(shè)備安全工作所允許的壓降百分比內(nèi)。

電纜長度的電阻Ω值可以從電子技術(shù)手冊中查到。注意：如果表中指明是單根電纜每米的電阻，應(yīng)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(dāng)電纜的導(dǎo)體截面積變大，電阻就會降低。因此，在應(yīng)用中，應(yīng)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(guān)系是

實際流明額定流明=實際電壓額定電壓

實際應(yīng)用中，最好的辦法是得到光強的實際數(shù)值，而非理論計算值。

7.環(huán)境的考慮

高速攝像系統(tǒng)是精密設(shè)備，系統(tǒng)設(shè)計時都提出了對使用環(huán)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(tǒng)的工作性能發(fā)生很大的變化。最好的辦法就是使系統(tǒng)工作在規(guī)定的使用環(huán)境中。

8．?dāng)z像機的布站和架設(shè)

在攝像系統(tǒng)的測試方案中，需考慮場地、觀察點、環(huán)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(dāng)大小的目標(biāo)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(tǒng)除了高幀頻記錄事件外，系統(tǒng)只記錄視場中人眼可觀察到的目標(biāo)，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(yīng)用中，用固定目標(biāo)來確定視場的邊界，并調(diào)整各項參數(shù)。

調(diào)整攝像機的位置使它的光軸同目標(biāo)的運動平面垂直，即感應(yīng)器的靶面同目標(biāo)的運動面平行，這樣才能減小測量數(shù)據(jù)誤差。

攝像系統(tǒng)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(tǒng)可放置在一個密封的掩體中。當(dāng)拍攝爆炸物時，系統(tǒng)應(yīng)放置在防彈體或墻的后側(cè)，在墻體上開有攝影口，目標(biāo)通過反射鏡進入鏡頭中。在有霧的環(huán)境中，鏡頭容易出現(xiàn)霧狀物，一般可用干燥的氮氣來清除。在霧氣和灰塵較嚴(yán)重的環(huán)境，整個系統(tǒng)可用塑料袋包起來，并留出攝影口。

如果反射鏡用來使目標(biāo)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(tǒng)的架設(shè)穩(wěn)定性能非常重要。在實際架設(shè)時，要采用各種措施保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，并采取必要的手段減小振動對系統(tǒng)的影響，在一些特殊的應(yīng)用環(huán)境中，可使攝像系統(tǒng)固定在地基環(huán)上。如果攝像系統(tǒng)需要跟蹤，就得考慮各種平衡，保證系統(tǒng)平穩(wěn)跟蹤。