高速摄影

研究生专业课程考试答题册

得分：

学号**********

姓名高敏倬

考试课程高速摄影及影片运动数据处理考试日期2015年3月

西北工业大学研究生院

高速摄影技术在工业设计中的应用研究

摘要：高速摄影在其产生后一百多年的历程中，无时无刻不与科学技术的发展有着密切的联系。到了21世纪的今天，高速发展的科学技术更是让摄影进入了一个全新的天地。有的人称这个时期为“数字时代”，有的人则称之为“影像时代”，有的人又称之为“网络时代”。总而言之．摄影技术以及高速摄影技术无论从内涵上讲，还是从外延上讲，都深刻的影响了我们生活的方方面面。摄影是采用胶片作为记录介质，而高速摄像则是采用非胶片的摄影，使用的记录介质为存储器和磁盘，光敏器件为固体图像传感器。在工业设计的研究当中，高速摄影为工业设计相关研究提供了有力的技术支持。

关键词：高速摄影技术摄影技术工业设计产品摄影

一、高速摄影技术概述

当我们观看体育运动的电影时，常常看到运动员各种慢动作的特写镜头，高速摄影能更好地体现这种艺术效果。摄影作为一种艺术，已得到广泛的应用，它的实质是记录空间上两维信息的一种方法。我们知道当用相机拍摄快速运动的物体时，如近距离拍摄高速行驶的摩托车，即使采用极短的曝光时间，也往往得不到清晰的照片。其原因是在曝光时间内，物体的影像在底片上发生了移动，没有实现影像的“冻结”。此外，为了研究分析快速运动的过程，要求得到一系列不同时刻的连续画幅。因此，在“高速摄影”这个过程中，能够得到一系列不同时刻的连续画幅。“高速摄影”这个词就包含着两个内容：一个是以很高的摄影频率获得一系列画幅；另一个是每个画幅的曝光时间极短，把快速运动物体的影像冻结在记录介质上。

人眼的时间分辨能力只有1/24s。而电影摄影与放映的频率选为24幅／s，正是利用这一特点，以不连续的放映使人获得连续的感受。但对于许多高速运动的物体或瞬变现象，受到人眼时间分辨率的限制，我们无法看清过程。而高速摄影，能把高速运动现象的发生、发展和运动规律等清晰地展现在人们的面前，因此可以得到高速摄影的定义：“对于一个人眼无法跟随的高速流逝过程，高速摄影提供了一种耦合的时空信息系列，其中空间信息用图像来表达，时间信息用拍摄频率来表达。”高速摄影是一种有效的记录方式和研究方法，尤其是在工业

设计研究当中发挥了重要的作用。

二、高速摄影技术现状

在摄影技术诞生的初期，由于感光材料的灵敏度很低，拍摄一张照片往往需要曝光数十分钟乃至几个小时，那个时候，凡以秒计的摄影都可算得上“高速”了。

第一次高速摄影是由英国化学家、语言学家及摄影先驱亨利·塔尔博特完成的。1851年，塔尔博特将《伦敦时报》的一小块版面贴在一个轮子上，让轮子在一个暗室里快速旋转。当轮子旋转时，塔尔博特利用来自莱顿电瓶（这是一种聚集电荷的容器，就是现在的电容器的前身）的闪光（速度为1／2000秒），拍摄了几平方厘米的原版面。最终结果是获得了清晰的图像，它好像是从一种静止的实体上拍下来的，但实际上却是运动中的实体。

闪光摄影之父哈罗德·埃杰顿关键之处是意识到了闪光灯与相机一旦结合起来，将会发挥出巨大的潜力，他完善并深化了塔尔博的摄影理论。他意识到：“如果能够控制闪光，使之与旋转着的机器同步，就有可能创造出史无前例的奇迹，使运动“凝结”，藉以研究在运动中的高速发电机。”并就此进行了大量的研究和探索。

我国高速摄影机的研制可以追溯至20世纪50年代，然而大规模的研究开始于1963年，受国防科技研究需要的牵引，发展很快。到80年代末，我们已经研制成功几乎所有类型的光机式高速相机和主要类型的变像管高速相机，并达到了国际先进水平。1993年西安光机所研制出了我国第一台HTV一500高速电视及录像系统，其性能指标达到了国际先进水平。

三、高速摄影拍摄方法

实现高速摄影的方法主要有单幅同步和高速连拍两种，而最简便易行的方法是利用闪光灯曝光时间极短的特点来实现。

要获得高速影像有两种途径:一种是在感兴趣事件发生的确切瞬间进行单张曝光；另一种是快速连续曝光。

单张曝光这种方式的难度非常大，因为这个瞬间非常难以把握，有时这个

瞬间是很难甚至是无法确定或预料的，特别是当整个事件的持续时间较短时，与此瞬间进行同步曝光就更难上加难了。即使是人工安排的、预先可知的瞬间，要像日常拍照那样用手指按动快门来拍摄也是无法实现的，因为人通过眼睛观察、通过大脑思考，再将指令发送到手指，即使训练有素的摄影师，这个过程所需要的时间也是以零点几秒计的，而高速摄影的瞬间捕捉是以毫秒、微秒，甚至更短的时间来计算的。

快速连续曝光利用电子成像，高速连拍。这增加了捕捉瞬间事件的机会，无论事件何时发生都可以捕捉到。这种办法同时也记录下事件发生前后的发展过程。这种影像可以逐个检查或用适当的设备将影像放映出来，如同慢动作的电影片一样。高速摄影连续曝光往往用无快门照相机进行，因为机械快门的速度极限仅为几千分之一秒。快门在一系列曝光的开始时打开，全部曝光完毕后才关闭。其每一张的曝光经常是用光控或用几分之一秒的光源的开关来控制。

四、高速摄影在工业设计领域中的应用

高速摄影是研究高速运动物体或顺便流逝现象的最有效方法之一。它能把视觉无法分辨的高速过程“冻结”在记录介质（胶片、磁带、存储器、磁盘）上，从而提供一系列预知耦合的空间——时间信息。这样，就把高速过程的发生、发展和运动规律等清晰地展现在人们的面前。高速摄影机能够拍摄肉眼难以分辨的高速运动的物体和瞬息变化的现象，这在某种程度上扩大了人的视野，而且在工业设计中的应用也十分广泛。

1、高速摄影在产品设计中的应用

在汽车产品的设计过程中，常见的过程始于模型制作阶段，通过三坐标测量机测量，得到模型上离散的点集，将点集数据输入计算机，建立数字化模型，进行初步设计和可行性分析；然后通过专门的CAD设计软件，用曲线建立起整个车身的表面数学模型，再通过数控铣床制造1:1全尺寸模型；然后再通过测量机对全尺寸模型进行测量，将数据输入计算机建立汽车外形数学模型，并用图形显示终端显示出来，十分直观，如图4.1所示。汽车碰撞试验的目的在于减少汽车事故的人员伤亡，它是一种综合检验汽车运行安全性的最重要的试验项目，在发达国家已经作为汽车定性、生产以及出口必须进行的法规性试验。