摄影技术——高速摄影[1]

摄影先驱——亨利· 塔尔博特 （Henry Talbot）
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。
目前一些普通的35毫米照相机已具
有最高速度可达1／4000秒的焦平面 快门，发光时间在1／10000秒到1／ 25000秒之间的小型电子闪光也比比 皆是。 所以，现在所说的高速摄影起点就 是数千分之一秒，在科技摄影领域， 曝光时间在几亿分之一秒甚至几兆 分之一秒的已不显见，已经诞生了 每秒钟可连续拍摄6亿幅画面的高速 摄影机。
被高速摄影“凝固”的咖 啡
葡萄入水的瞬间
牛奶的浪花
不是水晶，胜似水晶。 水珠溅起的瞬间，是那么的晶莹剔透。
高速摄影原理
空间分辨率 时间分辨率
摄影频率
空间分辨率
影像的空间分辨率也叫解像能力，是表征
图像清晰程度的指标，即是分析图像细节 的能力。空间分辨率一般指在摄影物镜的 像平面上，能测得分辨率板的图像最小二 黑线之间的距离d，它的倒数N定义为“空 间分辨率” （线对／mm） 。

光机式 光电子式高速摄影机； 扫描（条纹）相机 分幅相机； 中低速相机 高速相机 超高速相机。
按工作结果分为：

按拍摄速度分为：

光机式高速摄影机
所有使用几何光学原理及高速动作的机械
机构，实现对快速现象的观测记录的设备， 都称为光机式高速摄影机。 通常又可以十分清晰地分为以下三类：
什么是高速摄影？
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，是一种有效的记录方式和研究方法。
E．变像管式
F．网格式
2-20
30-300
典型事件平均持续时间和获得 的有用画幅数
目标 或事件 分钞机分钞 过程 内燃机燃烧 实验 轮胎试验 高压电路断 路器(一个 周期) 持续时 间/s 画幅数 (帧/ks) 目标或事件 击打高尔夫球 及球杆轨迹 复合材料断裂 汽车碰撞试验 （相撞时） 安全气囊充气 持续时 间/s 画幅数 (帧/ks)
1.可以检验（己 方）、侦查（敌 方）武器性能
2.可以分析爆炸效果
3.研究不同弹速的破坏效果
子弹速度越快， 切割平面越平滑
子弹对不同材质物体的杀伤效 果也能通过高速摄影研究出来。
4、纯艺术摄影
除了以上列举的明确用途之外， 高速摄影也是获取令人惊异的艺术 效果的一种摄影方法
这不是盛开 的虞美人，而是 彩色液体溅起的 浪花
率相关联。 时间信息可以粗略的用摄影频率来表示， 它表征了摄影仪器能够把物体的运动或变 化在时间上分开的能力。 如上所述，对于人眼来说，从接收光信号 到这光信号消失需要一定的时间，我们可 以认为是1/48s。若比这变化速度更快的 运动现象，人眼就分辨不出来了。
高速摄影，是要求时 - 空耦合的信息系列，
高速摄影的应用
高速摄影把动作放慢，可以
显示肉眼看不见的瞬间动作 。
1、科研领域
高速摄影在科研领域应用非常广泛，常被
用作记录分析物体的运动变化，甚至生物 器官、微生物、分子的运动。
利用高速摄影记录汽车碰撞瞬间各部位的变 化以及人体模型的受力状况，可生产出安全系数 更高的汽车。人们先把碰撞的过程拍摄成电影， 然后以很慢的速度放映，以便观察在碰撞期间车 身如何变形，从而发现薄弱的部位。
闪光摄影之父——哈罗德· 埃杰 顿
埃杰顿的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。 他的实验与亨利· 塔尔博特有类似之处： 一部同步发电机的旋转着的转子，只能见到 一片模模糊糊的影像。 这次实验的目的，是为了了解这类电机在经 受强烈的震动后如何仍然会保持同步。 埃杰顿根据实验的部分内容，用汞弧整流器 加强发电机转子的励磁。突然间，埃杰顿发 现在汞弧整流器发出的明亮的闪光照耀下， 旋转着的转子似乎一直都是静止不动的。
在对画幅进行曝光，其他时间由于设计或 使用上的需要，而有意识的设法修改光路， 缩短曝光时间从而控制运动物体因速度所 形成的模糊量，保证一定的成像质量。 曝光时间t与画幅周期T之比
t T
高速摄影系统总的信息量
＝空间信息容量×时间信息容量
高速摄影机
进行高速摄影的机器称为高速摄影机。
按工作原理分为
这是一套用于分析焊接质量
的高速摄影系统，利用摄影 记录，可以改进生产工艺。
用针刺 破装满水的 气球的情景， 可以说明验 证很多力学、 材料学方面 的科学理论。
可以研究不同的人 面对突如其来的变化的 不同心理、生理反映
2、体育竞技
近半个多世纪，人类竞技体育的运动水
平有了长足的进步，一些以前曾被认为 是人类能力的极限相继被打破。在竞技 能力的提升方面，高速摄影也功不可没。
左图显示的是用条 纹摄影术拍摄的一些蜡 烛的形象。 右边的一组图也是 用条纹摄影术拍摄的电 焊枪炽热的焊头加热了 空气的景像，所不同的 是光线在某个瞬间穿过 不同热量的空气（也是 根据其不同密度）而发 生不同的偏离。光线在 每一瞬间的偏离照射在 条纹摄影板上的不同点 上。就产生了每幅图中 的视觉效果。
下面让我们看几幅令人震撼的摄
影作品
苹果被子弹击穿的瞬间
多彩的牛奶
炮弹飞出炮膛
以上这些令人瞠目的精彩瞬间，用
普通的摄影手段是无法记录的，他 们都是“高速摄影”的杰作。
历史
顾名思义，“高速摄影”，就是拍摄速度很快，
曝光时间很短的一种摄影方法。但是，不同的 历史时期，“高速摄影”的概念也是在不断变 化的。 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。
埃杰顿的成果
1940年，他应MGM电影制片公司的紧急请
求，证明了用来拍电影的摄影速度至少要快 到什么程度，使得由该公司制作的一部名为 《眨眼之间》的影片夺得了一项奥斯卡金像 奖。 第二次世界大战期间，他曾指导美军飞行大 队怎样使用闪光弹进行夜间空中侦察摄影。 这项技术后来在1944年的盟军“D日”(6月6 日)突袭战中发挥了极大的作用。 他还曾为美国原子能委员会发明地一种拍摄 核爆炸的方法，拍摄距离可以近到十英里。
高速摄影的定义
高速摄影在信息论中的定义为：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。
2004年，在美国召开的第26届“国际高速
摄影和光子学会议”上，把高速摄影的定 义修改为：速度大于128幅／s，可连续获 得3幅以上的摄影。 但是现在，构成高速摄影的含意远远超过 这些普通摄影的范畴，最短的曝光极限也 必须不断的修正。十年前，这个极限为几 亿分之一秒；现在为几兆分之一秒或更少， 每秒钟可连续拍摄6亿幅画面。
间歇式高速摄影机的主要特点
（1）光学系统结构简单，光能量达到充分 利用； （2）空间分辨率比较高，一般为30～50线 对／mm，它比后面讲到的棱镜补偿式 和转镜式高速摄影机高1.5倍左右，比 变像管高速摄影机高5倍左右； （3）具有较高的画幅质量，画幅稳定性好， 便于胶片数据分析，并且能提高重放 的质量。
空间信息量
一幅图像有若干个像元组成，不同的摄影
系统具有不同的像元数。假如像元数为Z， 每个像元由于图像的灰度和色度差别，又 分成K个信息级，在信息理论中，把的以2 为底的对数，定义为空间信息量：
I R log 2 K Z log 2 K
Z
信息量的单位为比特。对目视而论，
人眼能分辨200个左右的灰度级和 1000个左右的色度级，这样对应的K 值就可达200×1000=2×105。
工业上也缺少不了这种摄影技术，事实上， 由于有了这种技术，人们才能够使一些生产过 程得到改善，因为在这些生产过程中，速度是 至关重要的。比如，在向玻璃瓶中灌饮料时， 如果灌装速度过快，就可能导致容器破碎，但 如果过程过于缓慢，那么成本就会提高。所以， 为了看得更清楚一点，获得更科学的设计方案， 必须拍一些照片，以显示出生产线上的薄弱环 节。
扫描摄影
狭缝的像宽与胶片速度之比，即
T时 b' v
极限时间分辨，对可见光而言为
10-14秒。
摄影频率
普通电影摄影机的摄影频率为24幅
／s，而高速摄影机的摄影频率要搞 出很多，约为102～109幅／s，超高 速摄影机的频率甚至更高。
摄影机类型 A．间歇式 B．棱镜补偿式 C．旋转反射镜式 D．多幅克尔盒

间歇式 光学补偿式 转镜式
这三种相机的拍摄频率依次大幅度增高。
间歇式高速摄影机
相机有一个输片机构、收片机构与光学系统。
间歇式电影摄影机
普通间歇式电影摄影机的标准频率为24幅
／秒，而间歇式高速摄影机的摄影频率为 100～1000幅／秒或更高一些。 底片通常长约200～300米，持续拍摄约数 分钟。 我们通常看到的体育运动的慢动作，早先 都是用这类摄影机拍摄的。如果将高速拍 摄的胶片用普通的电影机放映，则时间放 大率约为4～40倍，也可以用专门的判读 仪测出运动的多种参数。
log 2 K 173
时间分辨率
时间分辨率是表征摄影机曝光时间
快慢的指标，是指能够识别运动物 体的最小时间间隔。时间分辨率越 小，则可以拍摄像速越快的目标。 时间分辨率有两种度量的方法，即 画幅摄影和扫描摄影。
画幅摄影
画幅摄影又分单幅和分幅摄影两类。对
于单幅高速摄影，它的时间分辨率就是 指有效曝光时间。 而对分幅高速摄影，它的时间分辨率是 两幅照片之间的时间间隔，也就是摄影 频率的倒数。
其中突出点是它的时间信息要求。可以说 高速摄影机是一个摄影仪器，也是一个记 时仪器。 时间信息，就是前后两画幅间隔时间的倒 数 1 ／ T ，即拍摄频率 N( 每秒钟拍摄的次 数)。 摄影就是取样，所以摄影频率就是取样频 率，它越高则时间分辨率也越高。
曝光系数η
在一个画幅摄影周期中，只有部分时间是
1.网球运动员的击球 动作
2.跳水运动员跃 下跳板
人们用高速摄影技术，分析优 秀运动员的技术特色，查找自己运 动员的差距和不足，有针对性地改 进训练方法，使竞技水平迅速提高。
除了体育竞 技的目的，高速 摄影照片本身， 也是非常美妙的 艺术作品
跳绳的小姑娘
3、军事领域
高速摄影能记录肉眼难以分辨的瞬间变化， 在军事领域自然也有非常广泛的用途。
1.2
0.7 0.4 0.2
1200
700 400 200
0.6
0.1 0.3 0.035
Leabharlann Baidu
600
100 300 35
时间信息量
利用高速摄影来研究事物的运动和
变化需要获得清晰的图像，也就是 获得丰富的空间信息。但这还不够， 更重要的是高速摄影还要求有精确 的时间信息。
影像的时间信息量同系统的画幅时间分辨
摄影频率 （幅／s）
获得的幅 数 400010000 400016000 25-200 2-20
总信息 量 （bit／ 10s-2min s） 3.2×10 2s-30s 8 拍摄时间 5-50μ s 0.053μ s 43×109 1.6×10 11 1.5×10 0.1-1μ s 12 1.5×10 2-20μ s 13
埃杰顿的顿悟
，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。 在1931年出版的《电气工程》杂志 上，埃杰顿正式宣布了他的这一发 现
埃杰顿想到，如能控制用以照明被摄者的
光线，则比控制快门来得方便，利用这种 方法，他甚至能够用普通的相机来凝结非 常快速的运动。 很快，埃杰顿和几位志同道合者，利用充 有水银蒸汽和其他气体的闪光灯，实现了 能够产生时间非常短促的闪光灯——短到 只有百万分之一秒，亮度超过阳光。