高速攝像機可獲取的信息.docx
1.空間信息
影像的空間分辨率也叫解像能力，一般指能分辨出物空間相鄰點的最小線間隔，常用線對數／ｍｍ或最小角度量表示。它由系統的鏡頭動態分辨率、像感應器的光敏像元的大小和尺寸而定。系統的信息量因圖像傳感器的不同而不同。
一幅圖像由若干個像元組成，不同的攝像系統具有不同的像元數。假如像元數為Ｚ，每個像元有Ｋ個信息級（強度和色度或動態范圍），那么圖像的信息就有KZ個可能性。信息理論中把KZ的以２為底的對數定義為空間信息量
：
==Z
信息量的單位為比特，屬于二進位制信息單位。對目視而論，人眼能分辨200個左右的灰度級和1000個左右的色度級。這樣對應的Ｋ值就可達200×1000＝2×，＝173。
2.時間信息
用高速攝影機來研究事物的運動和變化需要獲得清晰的圖像，也就是獲得豐富的空間信息。但這還不夠，更重要的是高速攝影還要求有精確的時間信息。
影像的時間信息量同系統的畫幅時間分辨率相關聯。時間分辨率是指能夠識別運動物體的最小時間間隔。時間信息粗略的可以用攝影頻率來表示，它表征了攝影儀器能夠把物體的運動或變化在時間上分開的能力。如上所述，對于人眼來說，從接收光信號到這光信號消失需要一定的時間，我們可以認為是1/48ｓ。若比這變化速度更快的運動現象，人眼就分辨不出來了。
高速攝影是要求時－空耦合的信息系列，其中突出點是它的時間信息要求。可以說高速攝影機是一個攝影的儀器，也是一個記時儀器。它的時間信息就是前后兩畫幅間隔時間Ｔ的倒數1/T，這倒數就是拍攝頻率N。也就是每秒鐘拍攝的次數。攝影就是取樣，所以攝影頻率就是取樣頻率。取樣頻率越高，則時間分辨率也愈高。這里需要引進曝光系數η的概念。它是曝光時間ｔ與畫幅周期Ｔ之比。即
η＝ｔ／Ｔ
一般攝影機的時間信息是指前后兩畫幅間隔時間Ｔ，也稱畫幅周期。但是它并不等于一張畫幅的曝光時間。在這一周期中，只有部分時間是對畫幅進行曝光的，其他時間由于設計上的需要或使用上的需要而有意識地設法把光路遮擋，不讓光線到達成像器件，限制曝光時間，保證成像質量。時間信息量可由下式表示為
＝Ｎ·
式中：Ｎ為攝影頻率；ｇ為攝像機的品質因素，是曝光系數η的倒數，若ｇ＝１時，則時間信息可用攝影頻率來代替。
在一個畫幅攝影周期并不是全部時間都在曝光，如VISARIO系統的快門時間最短可達10μs，在使用中采用縮短曝光時間來限制運動物體的速度所形成的模糊量，保證一定的成像質量。
應該指出，從設計上和使用上要求縮小曝光系數以保證成像質量，但正確的曝光量往往不能滿足。所以，在使用時要根據具體情況來進行選擇，找到一個折衷方案。
3.高速攝像系統總的信息量
高速攝像系統總的信息量是空間信息容量與時間信息容量的乘積，即
I＝＝Ｚ（bit/s）
高速攝像系統的分辨率一般按照感應器水平和垂直方向上的像元數表示。像元為圖像的最小單元，可按照獨立的地址進行讀取。目前，高速攝像系統的分辨率從（128×128）像元到（1024×1024）像元或更高，一般地說圖像感應器限制了高速攝像系統的分辨率。信息的流量和系統的分辨率、攝像速度密切相關，其信息流量為
信息流量（或帶寬）（maximum data rate）＝分辨率（resolution）×動態范圍（dynamic range）×攝影頻率（frame rate）
典型感應器的分辨率及帶寬在表１．２中給出。
表１．２典型感應器的分辨率及帶寬（假如動態范圍為１０ｂｉｔ）
幀頻/幀/s | 感應器尺寸（像元） | 帶寬/( | 分辨率/像元 |
200 | 256×256 | 130 | 65536 |
400 | 260 | ||
500 | 330 | ||
1000 | 660 | ||
200 | 1024×1024 | 2100 | 1048576 |
400 | 4190 | ||
500 | 5240 | ||
1000 | 10490 |
4.時間放大
我們通常看的電視是以24幅／ｓ的攝影頻率拍攝下來，通過事后處理制成拷貝后，以同樣的頻率放映出來的。這樣，人們就可以以原來物體同樣運動的速度來欣賞電視里的事件。電視上的各個畫幅彼此是斷續的，但是在屏幕上我們卻能看到事件運動和變化是連續的，這是由于人的眼睛在生理上具有“視覺暫留”現象和視察運動過程的“心理作用”。人眼的感光和消光都需要一定的時間。當某一個畫幅出現在屏幕上并引起視覺后，在該畫幅從屏幕消失后的一定時間內，在視覺上仍能暫時的保留上述畫幅的影像，這就是“視覺暫留”現象，由于這一作用，人眼就觀察不到畫幅交替時屏幕上全暗瞬間，在視覺上將一系列畫幅聯系起來。正因為人眼有這種“視覺暫留”的作用，使我們感覺不到電視機畫面是由15625行／ｓ的掃描線組成，也感覺不到日光燈以50Ｈｚ頻率在閃動。電影上的（２×24）幅／ｓ的放映頻率的倒數可以粗略看成是人眼分辨的時間極限。低于這個時間極限，人眼就能分辨出兩個連續動作的斷續性，也就是說我們就能來得及把人物的階段動作看清楚。高于這個時間極限，人眼所看到的事物變化只能用“一剎那”、“一瞬間”來形容了，甚至根本無法描述。這時，采用高速攝影的手段來進行“快攝慢放”，對于解決許多具體問題有著特殊的意義。“快攝慢放”對我們大家來說并不陌生，體育運動記錄片中看到的所謂“慢動作”就是這種情況。它可以幫助教練員、運動員對動作進行分析研究、提高成績，也可使觀眾悉心欣賞體育運動。但是體育上的動作速度畢竟是“高速現象”中的“速”了。在近代科學技術中經常碰到大量的以速運動和變化的現象。如高速運動的機器，金屬的切削，材料的斷裂，的燃燒，的飛行，核爆炸，激光核聚變等現象，它們變化和運動速度從幾十米每秒到數萬米每秒，要想通過攝影來對這些瞬變事物進行記錄分析研究，首先要求攝影機有的攝影頻率或記錄速度。若把高速攝影下來的畫幅用正常的24幅／ｓ的放映頻率進行放映，則快速變化的事件就以緩慢的動作重現在銀幕上，這就有利于對過程的分析研究。如同顯微鏡能夠將微觀物體放大那樣，高速攝影機（攝像機）起到了時間“放大”的作用。攝影頻率和放映頻率之比稱為時間放大率：
βｔ＝
例如用1200幅／ｓ的攝影頻率來對蜜蜂翅膀在飛行時的振動進行拍攝，再用24幅/s的放映速度放映出來，那么這振動的過程就被“放大”了50倍。
“時間放大”的概念一般只是針對高速攝影機而言的，即是對“快攝慢放”而言的。對快速現象進行定性研究時，它只要求能幫助人眼把快速的動作放慢看得清各分解動作就行了，如體育上的一般快速運動，機器的故障分析，脫殼彈的部件分離等。而大部分的科學技術問題不但要做出定性的觀察，更重要的是要給出定量的數據，建立起現象的變化與時間、空間甚至與電量、溫度等物理量之間的關系。所以高速攝影機不但是一種時間放大的工具，而且還是一種精密的時間空間的測量儀器。要研究一個運動或變化的物體，必須要用一定的時間和空間相關關系來表達。從數學角度上來看，就是要使事物的空間坐標和時間坐標建立起一定的關系來。因此，高速攝影的主要技術指標就是空間信息和時間信息。
