要多慢有多慢，每秒萬(wàn)億幀的高速攝影

　　也正因為人眼有這么一個(gè)局限，使得一些更高速的運動(dòng)，人眼就無(wú)法完全捕捉了，這時(shí)候我們就需要借助外力，讓動(dòng)作變慢，以確?？梢酝暾^(guān)看到——高速攝影技術(shù)，就是為此應運而生的產(chǎn)物。

　　高速相機的原理

　　想要進(jìn)行高速攝影，就需要依靠高速相機，后者是工業(yè)相機的一種，具有高圖像穩定性、高傳輸能力和高抗干擾能力的優(yōu)勢。不過(guò)在成像原理上，工業(yè)相機與民用相機是沒(méi)有區別的，都是依靠把光學(xué)圖像信號轉變?yōu)殡娦盘?，以?shí)現存儲和傳輸的目的。而目前使用的最廣泛的就是CCD或CMOS芯片。在這里我們簡(jiǎn)單描述一下二者的不同之處。

　　CCD即電荷耦合器，是一種特殊的半導體材料，由大量獨立的光敏元件按矩陣排列而成，通常以百萬(wàn)像素為單位，而像素多少也就意味著(zhù)CCD上有多少感光組件。在進(jìn)行拍攝時(shí)，景物反射的光線(xiàn)通過(guò)相機的鏡頭透射到CCD上，被轉換成電荷(每個(gè)元件上的電荷量取決于它所受到的光照強度)，再由控制芯片利用感光元件中的控制信號線(xiàn)路對光電二極管產(chǎn)生的電流進(jìn)行控制，將一次成像產(chǎn)生的電信號收集起來(lái)，統一輸出到放大器，經(jīng)過(guò)放大和濾波后的電信號被送到A/D(模/數轉換器)，經(jīng)其處理后變成數字信號，最終壓縮后存入緩存內，形成最終的照片。

　　而CMOS和CCD一樣都是可用來(lái)感受光線(xiàn)變化的半導體，但它屬于互補性金屬氧化物半導體，可細分為被動(dòng)式與主動(dòng)式兩種。CMOS本身是計算機上采用的一種主要芯片，1999年首次被XirLink公司做成影像傳感器推向市場(chǎng)，其核心結構上的每個(gè)像素點(diǎn)由一個(gè)感光電極、一個(gè)電信號轉換單元、一個(gè)信號傳輸晶體管，以及一個(gè)信號放大器所組成，當CMOS感受到光線(xiàn)之后，會(huì )經(jīng)光電轉換后使電極帶上負電和正電，前者的互補效應會(huì )產(chǎn)生電信號，再被A/D轉換器上再被處理芯片記錄和解讀成影像數據。

　　高速攝像技術(shù)是重點(diǎn)

　　然而僅僅是高速相機還不足夠，高速攝影技術(shù)也是必不可少的手段。其在信息論中的定義為——對于一個(gè)人眼無(wú)法跟隨的高速流逝過(guò)程，高速攝影提供了一個(gè)耦合的時(shí)空信息系列，其中空間信息用圖像來(lái)表示，時(shí)間信息用拍攝頻率來(lái)表示。

　　總的來(lái)說(shuō)，高速攝影是一種拍攝速度很快，曝光時(shí)間很短的一種攝影方法，再依靠“快攝慢放”的技術(shù)，最終將快速變化的運動(dòng)過(guò)程放慢到人眼的視覺(jué)的時(shí)間分辨程度，使人能夠得以觀(guān)察。而這也就意味著(zhù)在高速攝影時(shí)，其拍攝頻率(幀/秒)必須與物體運動(dòng)變化的速率達到同步，變化越快的運動(dòng)會(huì )要求越高的拍攝頻率。

　　值得一提的，閃光在高速攝影中的作用是最重要的，人類(lèi)歷史上第一次真正意義的高速攝影就是靠速度為1/2000秒的閃光拍攝出了“靜止”的運動(dòng)畫(huà)面，此外，2008年美國人塞勒所拍攝的子彈穿過(guò)香煙的照片，雖然其使用的尼康D90相機快門(mén)速度最高只有1/4000秒，遠遠跟不上300m/s左右的子彈的速度，但是操作者通過(guò)先將快門(mén)提前打開(kāi)一秒，借由子彈觸發(fā)激光束點(diǎn)亮2萬(wàn)伏微秒級的閃光燈，并在閃光燈閃亮的那一刻完成拍攝，從而完成了對于該照片的捕捉——因為當閃光以微秒計的時(shí)候，即便快門(mén)時(shí)間以秒計，最終保存在傳感器上的仍舊只有閃光下的幾微秒的圖像而已，這就使得高速運動(dòng)中的物體能夠被清晰的捕捉下來(lái)。

　　高速攝影最新成果——每秒4.4萬(wàn)億!

　　最初在相機曝光需要達到數十分鐘的時(shí)代，以秒計數就已經(jīng)可以被稱(chēng)為是高速攝影，但到了當下，高速攝影起點(diǎn)就定在了數千分之一秒左右，甚至幾億分之一秒甚至幾兆分之一秒的也不罕見(jiàn)了，而據最新的消息顯示，日本有科學(xué)家開(kāi)發(fā)出了一種新型的高速相機，其光敏元件幀間隔達每秒4.4萬(wàn)億幀，足以領(lǐng)先之前的高速相機一千倍之多。而之所以能夠實(shí)現這樣的效果，原因在于其使用了一項名為“連續定時(shí)全光學(xué)映射攝影”的技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)其是一個(gè)基于運動(dòng)的飛秒成像攝影術(shù)，即先對拍攝目標的空間輪廓進(jìn)行光學(xué)映射，再使用脈沖模式相機發(fā)出極短的單脈沖串進(jìn)行圖像采集，因而能夠實(shí)現一次成像，而無(wú)需像之前一樣反復測量。

　　而由于在傳感器面積一定的情況下，視頻的兩大主要參數——幀率與分辨率之間存在一定的制衡，因此當幀率提高，那么分辨率就會(huì )下降，這也是為何這款超高速相機拍攝的照片分辨率只有450×450的緣故。

　　而4.4萬(wàn)億這個(gè)數字，是在該成果得到的影片幀率為229fs的基礎上計算得來(lái)的，fs是指飛秒，即千萬(wàn)億分之一秒，而1/229fs則就等于4.36萬(wàn)億，而事實(shí)上，這個(gè)數字也只能被計算出來(lái)，因為它已經(jīng)無(wú)法被測量了。

　　高速攝影能上知天文下知地理

　　高速攝影目前最廣泛的應用，是安裝在流水線(xiàn)上代替人工來(lái)進(jìn)行監測，其通過(guò)數字圖像拍攝目標后轉換成圖像信號(采集)，再傳送給專(zhuān)用的圖像處理系統(傳輸)，然后圖像處理系統再對這些信號進(jìn)行各種運算來(lái)抽取目標特征(計算)，最后依據判別結果控制現場(chǎng)設備(反饋)。

　　舉個(gè)例子，當流水線(xiàn)在灌裝飲料時(shí)，速度這項指標非常重要，因為過(guò)快會(huì )導致瓶身爆裂，過(guò)慢就會(huì )增加耗時(shí)與成本，想要達到最完美的成果，就需要確定最合適的速率，而這就要借助于高速攝影來(lái)實(shí)現了。

　　除此之外，高速攝影還廣泛應用于軍事(例如彈道分析)、制藥(細胞運動(dòng))、影視(動(dòng)畫(huà)特效)、化工(噴流流體分析)、印刷(檢測高速印刷時(shí)可能存在的印刷缺陷)等行業(yè)，而在超高速相機的輔助下，還可以實(shí)現對化學(xué)反應瞬間、等離子體動(dòng)力學(xué)、晶格振動(dòng)波、熱傳導等現象進(jìn)行拍攝。例如美國人就以每秒1000億幀的速率拍攝下了光在鏡面上反射的過(guò)程(見(jiàn)上圖)。

　　比起工業(yè)用途，民用高速攝影往往更富創(chuàng )造性

　　由于高速相機屬于工業(yè)用相機，因此很多人可能會(huì )連帶認為高速攝影不能夠應用于個(gè)人和民用市場(chǎng)，但這是錯誤的。比如最受大眾用戶(hù)歡迎的拍照設備iPhone 6，它就可以720P的分辨率下拍攝240fps的視頻，而定位極限運動(dòng)愛(ài)好者的GoPro也同樣可以實(shí)現高速拍攝，雖然它們不如工業(yè)用高速相機那么專(zhuān)業(yè)和極致，但已經(jīng)足夠用戶(hù)驚嘆一聲“Cool”了。

　　一般來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的高速攝影場(chǎng)景，包括對于運動(dòng)中的孩子或寵物的動(dòng)作捕捉，像蕩在秋千上的小孩、滑雪場(chǎng)上騰空翻滾的英姿、高速飛行的鳥(niǎo)類(lèi)等等，之前有人用iPhone 6的高速攝影功能拍攝過(guò)一只剛從水里出來(lái)的狗甩動(dòng)身體的動(dòng)作，狗的皮膚就伴隨著(zhù)身體的動(dòng)作來(lái)回甩動(dòng)，非常有趣。

　　或者你也可以自己嘗試拍攝水與火這兩種高速攝影常見(jiàn)的題材，比如往空杯子里倒水，或者是點(diǎn)燃一個(gè)乒乓球——然后你就會(huì )發(fā)現這些原本轉瞬即逝，甚至你以為無(wú)法被看到和記錄的東西，它們不但富有著(zhù)別樣的精彩，也可以成就你的個(gè)性化攝影佳作。