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高速摄像技术本讲稿第一页，共四十二页本章主要内容7.1 概述概述7.2 高速摄影及分类高速摄影及分类7.3 间歇式高速摄影仪间歇式高速摄影仪 7.4 补偿式高速摄影仪补偿式高速摄影仪 7.5 鼓轮式高速摄影仪鼓轮式高速摄影仪7 高速摄影技术7.6 转镜式高速摄影仪转镜式高速摄影仪 7.7 变像管高速摄影仪变像管高速摄影仪7.8 高速摄像系统高速摄像系统 7.9 摄影相关技术摄影相关技术7.10 高速摄影和摄像技术应用高速摄影和摄像技术应用本讲稿第二页，共四十二页7 7 高速摄影技术高速摄影技术 高速摄影技术是用照相的方法拍摄高速运动过程或快速高速摄影技术是用照相的方法拍摄高速运动过程或快速反应过程，它把空间信息和时间信息一次记录下来，具有形反应过程，它把空间信息和时间信息一次记录下来，具有形象逼真和动画效果。象逼真和动画效果。高速摄影的高速摄影的“高速高速”指的是指的是拍摄频率高，曝光时间短，拍摄频率高，曝光时间短，扫描速率快，具备三者之一即可称为高速摄影。扫描速率快，具备三者之一即可称为高速摄影。7 高速摄影技术本讲稿第三页，共四十二页u 1839 1839年，世界上出现了第一台摄影机。年，世界上出现了第一台摄影机。u 二战后，世界各国将高速摄影技术作为武器研究重要工具。二战后，世界各国将高速摄影技术作为武器研究重要工具。u 高速摄影技术先进国家：美国、英国、德国、前苏联、法国、瑞士、日本等。高速摄影技术先进国家：美国、英国、德国、前苏联、法国、瑞士、日本等。u 19581958年，我国一些学校、工厂、研究单位开始生产高速摄影机，年，我国一些学校、工厂、研究单位开始生产高速摄影机，19621962年成立了专门的研究所。年成立了专门的研究所。u 目前，我国已经能够自制三十多种类型的高速摄影机。目前，我国已经能够自制三十多种类型的高速摄影机。7 高速摄影技术7.1 概述概述本讲稿第四页，共四十二页7.2 7.2 高速摄影及分类高速摄影及分类7.2.1 7.2.1 高速摄影的描述高速摄影的描述 7 高速摄影技术高速摄影是一种光学测量技术，利用光对物体的反射、透高速摄影是一种光学测量技术，利用光对物体的反射、透 射、射、折射、衍射等特性，观察事物的变化规律。折射、衍射等特性，观察事物的变化规律。可见光、激光摄影利用光的反射、折射机理；可见光、激光摄影利用光的反射、折射机理；X X光摄影依据的是光的透射、吸收原理；光摄影依据的是光的透射、吸收原理；全息照相利用的是光的干涉和衍射理论。全息照相利用的是光的干涉和衍射理论。本讲稿第五页，共四十二页图图7.1 扫描和分幅摄影技术扫描和分幅摄影技术 扫描摄影技术：在一次曝光时间内将被测过程扫描摄影技术：在一次曝光时间内将被测过程沿时间轴连续展开沿时间轴连续展开；连续连续 一维一维分幅摄影技术：在一次曝光时间内获得一幅二维图像，在多次曝分幅摄影技术：在一次曝光时间内获得一幅二维图像，在多次曝 光中获得运动过程的变化状态。光中获得运动过程的变化状态。间断间断 二维二维7 高速摄影技术本讲稿第六页，共四十二页 描述一个高速流逝过程，总可以采用空间位置坐标描述一个高速流逝过程，总可以采用空间位置坐标x x，y y，z z，和时，和时间坐标间坐标t t来表示，如来表示，如:F(x F(x，y y，z z，t)t)若某一个过程可以用函数若某一个过程可以用函数F(x,t)F(x,t)描述，则称为一维运动，这个描述，则称为一维运动，这个 过程过程可以利用高速狭缝扫描摄影记录。可以利用高速狭缝扫描摄影记录。若某一过程可以用函数若某一过程可以用函数F(x，y，t)表示，则称为二维运动，相应地可表示，则称为二维运动，相应地可以采用高速分幅摄影拍摄，以采用高速分幅摄影拍摄，若某一过程可以用函数若某一过程可以用函数F(x，y，z，t)表示，则属于三维运动，相应的表示，则属于三维运动，相应的光学测试技术是高速分幅全息摄影。光学测试技术是高速分幅全息摄影。7 高速摄影技术本讲稿第七页，共四十二页 高速摄影技术的整个过程包括：高速摄影技术的整个过程包括：7 高速摄影技术光信息变换光信息变换信息传输信息传输时间分解时间分解信息记录和信息处理信息记录和信息处理本讲稿第八页，共四十二页7.2.2 7.2.2 高速摄影分类高速摄影分类7.2.2.1 记录方式分类记录方式分类 （1）分幅摄影）分幅摄影 其拍摄的信息为一幅或多幅二维图像，与普通照片一样。连续拍摄的运动其拍摄的信息为一幅或多幅二维图像，与普通照片一样。连续拍摄的运动过程在时间上是间断的。过程在时间上是间断的。（2）扫描摄影）扫描摄影 拍摄结果在一幅图像中，具有连续的时间坐标。拍摄结果在一幅图像中，具有连续的时间坐标。7 高速摄影技术本讲稿第九页，共四十二页7.2.2.2 7.2.2.2 摄影速度分类摄影速度分类 （1 1）快速）快速 拍摄频率拍摄频率10102 210104 4幅幅/s/s，曝光时间，曝光时间1010-3-31010-5-5s s，扫描速率，扫描速率10-10-3 31010-1-1mm/smm/s。（2 2）高速）高速 拍摄频率拍摄频率10104 410106 6幅幅/s/s，曝光时间，曝光时间1010-5-51010-7-7s s，扫描速率，扫描速率1010-1-110mm/s10mm/s。（3 3）超高速）超高速 拍摄频率拍摄频率10106 6幅幅/s/s，曝光时间，曝光时间1010-7-7s s，扫描速率，扫描速率10mm/s10mm/s。7 高速摄影技术本讲稿第十页，共四十二页7.2.2.3 7.2.2.3 摄影仪工作原理分类摄影仪工作原理分类 （1 1）间歇式）间歇式 （2）光学补偿式）光学补偿式 （3）鼓轮式）鼓轮式 （4）转镜式）转镜式 （5）变像管式）变像管式 （6）固态数字式）固态数字式 7 高速摄影技术本讲稿第十一页，共四十二页7 高速摄影技术图7.2 间歇式摄影机结构 7.3 间歇式高速摄影仪间歇式高速摄影仪本讲稿第十二页，共四十二页7 高速摄影技术图7.3 补偿式高速摄影机 7.4 补偿式高速摄影仪补偿式高速摄影仪 输片速度式中，棱镜旋转速度 棱镜面数 幅距 本讲稿第十三页，共四十二页7 高速摄影技术 图图7.4 鼓轮示高速摄影机鼓轮示高速摄影机(a)狭缝式；（狭缝式；（b）转鼓分幅式）转鼓分幅式 7.5 鼓轮式高速摄影仪鼓轮式高速摄影仪本讲稿第十四页，共四十二页 转镜式高速扫描摄影仪简称为扫描相机，由于它研究的是被测物体或反应过程沿某一特转镜式高速扫描摄影仪简称为扫描相机，由于它研究的是被测物体或反应过程沿某一特定方向的空间位置随时间变化的规律，从而得到反应过程在该特定方向运动的轨迹。这种摄定方向的空间位置随时间变化的规律，从而得到反应过程在该特定方向运动的轨迹。这种摄像仪适合测量运动速度、加速度，同步性、时间间隔等参数。像仪适合测量运动速度、加速度，同步性、时间间隔等参数。7 高速摄影技术 图图7.5 扫描型摄影光学原理扫描型摄影光学原理 7.6 转镜式高速摄影仪转镜式高速摄影仪 7.6.1转镜式高速扫描摄影仪转镜式高速扫描摄影仪本讲稿第十五页，共四十二页图图7.6 GSJ 型高速摄像机结构框图型高速摄像机结构框图 转镜式高速摄影仪是由控制台（包括电路、电源和电机三个模块）、摄影机（包括转镜机构部件和快门部件）、电缆等组成。7 高速摄影技术本讲稿第十六页，共四十二页转镜式高速扫描摄影仪的技术参数转镜式高速扫描摄影仪的技术参数 （1）扫描速度 狭缝在胶片上形成的像沿胶片某一方向运动的速度，称为扫描速度：L是转镜转轴中心0点到虚像坐标的距离；是反射镜的旋转角速度；a是反射镜的1/2厚度；是光轴入射角。图7.7 转镜像点轨迹和坐标 7 高速摄影技术令 为扫描半径用反射镜转速 N（r/min）代替，则有本讲稿第十七页，共四十二页 （2）时间分辨率 转镜扫描摄影机的时间分辨率定义为能分辨的最小时间间隔 。时间分辨率取决于狭缝的宽度b和扫描速度V：提高时间分辨率有两条途径，一是提高像的扫描速度，也就是提高反射镜的旋转速度；二是减小狭缝宽度。除此之外，提高被摄物体的发光强度、改善感光胶片的性能也可增强时间分辨率。7 高速摄影技术本讲稿第十八页，共四十二页 （3）速度测量与精度分析 狭缝扫描在底片上记录了某一物体的物理化学反应过程沿狭缝长度方向扩展的距离时间函数，如雷管的破裂状态、药柱的爆轰过程等，其图像是一条或多条黑密度突变的曲线（包括直线）。图图7.8 狭缝扫描的药柱狭缝扫描的药柱 7 高速摄影技术其中：其中：式中式中 光学系统的放大比光学系统的放大比(像物之比像物之比),dh 平行于平行于0y方向的被测物长度的增量，方向的被测物长度的增量，v 狭缝像在底片上的扫描速度，狭缝像在底片上的扫描速度，dt 平行于平行于0 x方向上的时间增量。方向上的时间增量。本讲稿第十九页，共四十二页若令爆轰过程的扩展速度：若令爆轰过程的扩展速度：则：则：或：或：根据以上公式可以求各时刻的爆速，也可求爆轰的平均速度根据以上公式可以求各时刻的爆速，也可求爆轰的平均速度 。7 高速摄影技术 式中式中 扫描速度测为量相对误差，扫描速度测为量相对误差，光学系统放大倍数的相对误差，光学系统放大倍数的相对误差，像的像的角测量精度，由量角仪的读数精度确定，角测量精度，由量角仪的读数精度确定，像的测量精度，由量尺的精度确定。像的测量精度，由量尺的精度确定。本讲稿第二十页，共四十二页 7.6.2 转镜式高速分幅摄影仪转镜式高速分幅摄影仪 转镜式高速分幅摄影仪可以得到高速事件的一系列间断的平面图像，它的二维空间信息是转镜式高速分幅摄影仪可以得到高速事件的一系列间断的平面图像，它的二维空间信息是连接的，时间信息却是间断的，分幅摄影用于研究燃烧爆炸、冲击过程的速度、加速度、对称连接的，时间信息却是间断的，分幅摄影用于研究燃烧爆炸、冲击过程的速度、加速度、对称性和一致性等物理参数。性和一致性等物理参数。7 高速摄影技术 图图7.9 转镜式分幅型摄影光学原理转镜式分幅型摄影光学原理本讲稿第二十一页，共四十二页 被摄目标通过第一物镜成像在阶梯光栏平面上，由场镜二次成像到旋转反射镜被摄目标通过第一物镜成像在阶梯光栏平面上，由场镜二次成像到旋转反射镜的镜面，得到中间像。排透镜也称为分幅光栏，它与阶梯光栏通过场镜共轭，把中的镜面，得到中间像。排透镜也称为分幅光栏，它与阶梯光栏通过场镜共轭，把中间像成像到胶片上。当反射镜旋转时，反射光线相继扫过一个个排透镜，胶片上就间像成像到胶片上。当反射镜旋转时，反射光线相继扫过一个个排透镜，胶片上就得到与排透镜数目相同的照片。得到与排透镜数目相同的照片。7 高速摄影技术 图图7.10 光栏与排透镜的对应关系光栏与排透镜的对应关系 本讲稿第二十二页，共四十二页 由于反射镜的高速旋转，使得来自目标的光线在每一个排透镜上一闪而过，起到由于反射镜的高速旋转，使得来自目标的光线在每一个排透镜上一闪而过，起到光学快门的作用。这些照片在时间和空间上都是彼此独立的，每一幅照片都反映了目光学快门的作用。这些照片在时间和空间上都是彼此独立的，每一幅照片都反映了目标在某一瞬间的实际影象，相邻的照片反映了目标变化过程的细微差别。标在某一瞬间的实际影象，相邻的照片反映了目标变化过程的细微差别。拍摄频率：拍摄频率：R R 扫描半径扫描半径S 胶片上相邻两列图像的中心距胶片上相邻两列图像的中心距k 是胶片上图像画幅排数是胶片上图像画幅排数N 反射镜旋转速度为转反射镜旋转速度为转/min每个排透镜就像一部照相机，相互间以一定时间间隔依次拍摄。每个排透镜就像一部照相机，相互间以一定时间间隔依次拍摄。7 高速摄影技术本讲稿第二十三页，共四十二页7 高速摄影技术图图7.11 变像管高速摄影原理变像管高速摄影原理7.7 变像管高速摄影机变像管高速摄影机本讲稿第二十四页，共四十二页7.8 7.8 高速摄像系统高速摄像系统7 高速摄影技术高速摄像具有以下方面的优点：（1）摄像机体积小，便于携带；（2）启动快；（3）同步性好；（4）即时重放。本讲稿第二十五页，共四十二页7.8 7.8 高速摄像系统高速摄像系统7 高速摄影技术固态图像传感器固态图像传感器：（1）CCD（电荷耦合器件）（2）CMOS（互补金属氧化物半导体器件）相同点：利用硅的光电效应 不同点：电荷的读出方式不同本讲稿第二十六页，共四十二页7.8 7.8 高速摄像系统高速摄像系统7 高速摄影技术图图7.12 CMOS摄像系统的构成摄像系统的构成本讲稿第二十七页，共四十二页7 高速摄影技术图图7.14 CCD数字摄像数字摄像图图7.13 CCD摄像系统摄像系统本讲稿第二十八页，共四十二页7 高速摄影技术终点效应实验照片终点效应实验照片(a)动能弹垂直侵彻出靶(b)动能弹斜侵彻出靶图7.15 动能弹侵彻混凝土高速摄像照片本讲稿第二十九页，共四十二页7 高速摄影技术主要参数设置主要参数设置 高速摄像系统的应用领域与胶片式高速摄影机相同，具体采用何种摄像机视具体测试需求而定。高速摄像机的主要设置参数包括:拍摄频率(帧频)触发方式 曝光时间 摄像机布站位置本讲稿第三十页，共四十二页7 高速摄影技术拍摄帧频设置拍摄帧频设置（1）根据测试要求，确定水平和垂直方向上的拍摄空间范围x和y,根据CCD 芯片成像区尺寸ab计算影像放大比=a/x。（2）根据目标尺寸L 及影像放大比,计算目标像尺寸L=L ,要求目标像在任何方向都能覆盖310个像元。（3）根据安全因素确定布站距离S，镜头焦距设置为 f=S 。（4）根据目标速度V和CCD像元尺寸确定拍摄频率，要求摄像频率应满足像移量要求，即由于目标运动引起的像移量不应大于所允许的运动模糊量d（可以看成允许像元数），由此可推出摄像机拍摄频率F=V/d。（5）根据计算出的拍摄频率要求和存储器容量，计算摄像机总的记录时间。本讲稿第三十一页，共四十二页7 高速摄影技术 在某些拍摄项目中通常对拍摄的有效画幅数提出要求,拍摄频率应根据下式求得的值进行设置。式中x为线视场宽度；V为目标速度。本讲稿第三十二页，共四十二页7 高速摄影技术 同步方式设置：同步方式设置：根据具体使用情况，可采用零时信号、光学信号、声音信号和人工触发方式。曝光时间设置：曝光时间设置：曝光时间应满足摄像机曝光量和像移量的要求。摄像机布站位置：摄像机布站位置：摄像机布站时，应首先考虑安全因素，然后通过选择合适的焦距来满足拍摄视场要求。本讲稿第三十三页，共四十二页7.9摄影相关技术摄影相关技术 1 光源光源 （1）自然光源：）自然光源：（2）人工光源：）人工光源：3 高速摄影胶片高速摄影胶片 对高速摄影胶片要求有：对高速摄影胶片要求有：（1）足够的机械强度，在以约）足够的机械强度，在以约100m/s速度输片时，不断裂。速度输片时，不断裂。（2）尽可能高的感光灵敏度，以便在曝光量很低时仍能得到清晰的图像。）尽可能高的感光灵敏度，以便在曝光量很低时仍能得到清晰的图像。（3）反差系数尽可能高，获得高反差影像。）反差系数尽可能高，获得高反差影像。（4）辉雾密度（也称非曝光密度）尽可能低。）辉雾密度（也称非曝光密度）尽可能低。7 高速摄影技术 2 采光技术采光技术 （1）顺光：）顺光：（2）側光：）側光：（3）逆光：）逆光：本讲稿第三十四页，共四十二页7.10.1 电雷管爆炸轴向冲击波波形测试电雷管爆炸轴向冲击波波形测试图图7.16 7.16 雷管冲击波测试原理雷管冲击波测试原理A1A1雷管波形在狭缝上的成像；雷管波形在狭缝上的成像；A2A2雷管波形在胶片上的成像雷管波形在胶片上的成像7 高速摄影技术7.10 高速摄影技术应用高速摄影技术应用本讲稿第三十五页，共四十二页 图像处理图像处理 （1）在底片测量仪上调整底片位置，使底片运动时分划板上的十字线与底片测量基准线）在底片测量仪上调整底片位置，使底片运动时分划板上的十字线与底片测量基准线始终保持重合。始终保持重合。（2）测量标尺高度和标尺静止像的高度、波形时间零点、雷管波形终点、波形图上若干对对）测量标尺高度和标尺静止像的高度、波形时间零点、雷管波形终点、波形图上若干对对称点（包括波形图的端点、波谷、波峰等）的称点（包括波形图的端点、波谷、波峰等）的 、值。值。7 高速摄影技术其中其中 波形前沿上某点的水平坐标；波形前沿上某点的水平坐标；波形前沿上某点的垂直坐标。波形前沿上某点的垂直坐标。本讲稿第三十六页，共四十二页（3）计计算算 与与 值值,列出数列出数值值表格表格式中式中 波形相邻时刻点的水平坐标差，波形相邻时刻点的水平坐标差，mm；波形相邻时刻点的垂直波形相邻时刻点的垂直坐标差，坐标差，mm；7 高速摄影技术（4）计算像物放大倍率计算像物放大倍率：式中式中 I 标标尺的像高，尺的像高，mm；I I 标标尺的物高，尺的物高，mm。（5）计算爆速：计算爆速：本讲稿第三十七页，共四十二页 某雷管底部冲某雷管底部冲击击波高速波高速摄摄影波形如影波形如图图7.17所示。所示。测测得得：标标尺静止像高度：尺静止像高度：I=19.28mm 标标尺高度：尺高度：I=40mm 扫扫描速度：描速度：v=1.5mm/s 在波形在波形图图上上测测量若干个点量若干个点 、，求出对应的求出对应的 和和 。7 高速摄影技术图图7.17 雷管扫描图雷管扫描图计算放大倍数：计算放大倍数：求爆速求爆速本讲稿第三十八页，共四十二页 图图7.20 药柱爆轰波摄影照片药柱爆轰波摄影照片图图7.19 测爆速增长过程试验装置测爆速增长过程试验装置 式中式中 D爆速，爆速，km/s，爆轰波轨迹与扫描速度方向的夹角，爆轰波轨迹与扫描速度方向的夹角，扫描速度，由扫描插件的标称值给出，扫描速度，由扫描插件的标称值给出，km/s，像物之比，表示放大倍数。像物之比，表示放大倍数。图图7.18 爆轰波经狭缝后的轨迹爆轰波经狭缝后的轨迹7 高速摄影技术7.10.2 7.10.2 小剂量传爆药柱爆速增长过程测试小剂量传爆药柱爆速增长过程测试(变像管变像管)本讲稿第三十九页，共四十二页7.10.3 桥丝的爆炸过程测试桥丝的爆炸过程测试图图7.21 桥丝爆炸过程高速摄影原理桥丝爆炸过程高速摄影原理 图图7.22 爆炸桥丝摄影图片爆炸桥丝摄影图片 图图7.22所示为某爆炸桥丝的爆炸过程高速分幅摄影图片。其中桥极距所示为某爆炸桥丝的爆炸过程高速分幅摄影图片。其中桥极距6.5mm，桥丝长桥丝长8mm，起爆电压，起爆电压100V，分幅速度，分幅速度106幅幅/s。7 高速摄影技术本讲稿第四十页，共四十二页7 高速摄影技术7.10.47.10.4激光高速摄影系统在战斗部破片飞散试验中的应用激光高速摄影系统在战斗部破片飞散试验中的应用本讲稿第四十一页，共四十二页7 高速摄影技术7.10.5 7.10.5 飞行跟踪系统在战斗部飞行试验中的应用飞行跟踪系统在战斗部飞行试验中的应用速度测量空网九十度航迹角镜子及高速摄像机远程控制电脑发射轨道偏离距离轨道长度镜子控制器中心线-45-50+45中心开始 停止本讲稿第四十二页，共四十二页