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1、1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。 l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。 l2004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
2、幅s，可连续获得3幅以上的 摄影。l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。 多彩的牛奶 炮弹飞出炮膛 苹果被子弹击穿的瞬间 l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。l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 。l第一次高速摄影是由英国化学家、语言学 家及摄
3、影先驱亨利塔尔博特完成的。l1851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12000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。 l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 。 l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
4、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。 l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。l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l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 。l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
5、灯短到只有百万分之 一秒，亮度超过阳光。 l1940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。l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。l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。 目前一些普通的35毫米照相机已具 有最高速度可达14000秒的焦平面 快门，发光时间在110000秒到1 25000秒之间的小型电子闪光也比比 皆是。
6、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。 l高速摄影把动作放慢，可以显示肉眼看不 见的瞬间动作 。 l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。 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
7、，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。 l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。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。 可以分析爆炸效果 研究不同弹速的破坏效果 子弹速度越快， 切割平面越平滑 2.相应爆破测试技术高速摄影机的分类 按照摄影频率分类低高速摄影机：24300
8、fps中高速摄影机：300104 fps高速摄影机： 104 105 fps超高速摄影机： 105 fps 按照工作原理和结构形式间歇式高速摄影机 光学补偿式高速摄影机鼓轮转镜式高速摄影机 夹缝式高速摄影机转镜式高速摄影机 变象管高速摄影机脉冲频闪光高速摄影机 x光高速摄影机 等等高速摄影在爆炸测试中的应用1. 测量炸药爆轰波速度2. 测量固体中冲击波速度3. 聚能效应研究4. 进行沿途爆破研究例如：鼓包破裂向空间抛掷飞散不同瞬间只直观图像PhotronBLASTERS RANGER II 爆破高速摄影仪是由国际著名的矿 业软件制造商加拿大MREL公司研制，属于专用爆破记录分 析仪器。该设备采
9、用CMOS互补金属氧化物半导体传感器成 像，其最大光圈为1.2，最高拍摄速率为每秒1250帧/s，相机 最大分别率为800 600，快门最短时间为0.002ms,根据相机拍 摄速率和分别率的不同，相机拍摄时间介于7.078921.433s 之间。其快速精准的拍摄效果，可以直观的观察分析爆破瞬 间过程。对各种测量目标的三维测量技术 投影光栅三维光学光栅测量技术圆点网格三维摄影测量技术散斑数字相关测量技术标志点三维摄影测量技术VIC-3DVIC-3D 非接触式全场形变测量系统非接触式全场形变测量系统原厂: Correlated Solutions Inc.美国南卡罗来纳州数字影像相关性技术(Dig
10、ital Image Correlation, DIC)的原创者Vic-2D/3D全场位移及形变量测系统最先进演算技术参考客戶: NASA, Bridgestone, Goodyear, 3M, BMW, DaimlerChrysler, Airbus, Eurocopter, Bayer, MIT, USC, Purdue, Los Alamos National Labs, Army Research Lab, Wright Patterson Air Force Basel非接触式量测-影像量测技术 -使用白光照明 -不需感应器粘贴 -不受表面材质的影响 -快速准确 -与传统方式可比较l
11、三维量测-三维座标量测(X,Y,Z)-面内变形(in-plane),面外变形(out-of-plane)-一次得到变形在XYZ各方向的分量(U,V,W)-应变计算 (exx,eyy,exy,e1,e2)-可计算曲率及速度l全场量测一次取得成千上万数据点可分析应变或位移的空间分布表面轮廓量测微米到几十米的试件均可量测室内、室外可同时记录拉伸力、温度、压力等外部参数静态、动态、高速、显微、高温变形量测可消除刚体位移2D contour图形输出, 3D contour图形输出, 动画输出, 剖面曲线绘制, Stress- strain curve, Poisson ratio, COD试件表面灰阶特
12、征(斑点特征,speckle pattern)数字摄影取得变形前后影像选取一子窗格内的特征，做变形前后的影像比对，推算出 子窗格的位移依此类推，选取下一个子窗格，以获得全场变形位移的数 据，每一子窗格代表一资料点，等同点上一片虚拟应变片3D表面重构-双CCD镜头定出远近-三角定位-校正取得11个参数-试件表面座标化(x, y, z)待测物表面处理镜头对准及对焦校正量测影像分析结果呈现位移解析度0.01像素in-plane，0.02像素out-of-plane实体位移解析度与”CCD像素”及”镜头视野”有关应变解析度0.01% local，0.005% global应变量测范围0.01% 200
13、0%Example:2M CCD相机(1600 x 1200)，160mm x 120mm试件实体位移解析度:(160mm/1600pixel) x 0.01pixel = 0.001mm=1m系统规格(Vic-3D)Vic-3D分析软体Vic-snap影像摄取及控制软件工业用1394b黑白CCD(2M、5M、15M pixel)光学镜头(12mm、25mm、50mm、75mm等，可以客户选择搭配)四通道类比资料截取器(DAQ)四核心电脑卤素照明灯固定架校正板可选模块可选模块振振动动模模组组( (含相位同步含相位同步装装置，最高置，最高10kHz10kHz振振动动) )高速模高速模组组( (含
14、高速相含高速相机机，最高可，最高可达达每秒一百每秒一百万张万张) )显微显微模模组组( (含光含光学显微镜头学显微镜头及及distortiondistortion修正模修正模组组) )Vic-Gauge(Vic-Gauge(软件软件及及CCDCCD相相机机，2D2D多多点点即即时应变监测时应变监测) )表面轮廓量测(逆向工程)材料机械性质(拉伸、压缩、弯曲)疲劳测试(找出应变集中点、焊接处应变)元件测试(齿轮、轮胎)有限元素模拟比对(FEM、CAE)生物力学实验(骨骼、生物材料)结构变形量测(机器、車辆、土木结构)可靠度测试(3C产品、主机板)冷热变形(IC封裝、PCB板)振动、转动实验(机翼
15、、喇叭、轮胎)冲击实验(产品落摔、汽车撞击、子弹穿透)显微量测(生物組织、MEMS、SEM)表面轮廓量测材料拉伸试验材料拉伸试验- -应应力力- -应变曲线应变曲线 ( (杨杨氏氏模量模量) )- -COD (crack opening displacement)COD (crack opening displacement)- -柏松比柏松比 (Poissons ratio)(Poissons ratio)- -应变应变分佈分佈- -裂裂缝缝成成长长eyyexxCOD齿轮试验剪应变齿轮试验剪应变exx手手机机受力主受力主应变应变e1e1分布分布机构可靠度试验机构可靠度试验应应力、扭力、振力、扭力、振动动、落摔、落摔、冷热冲击冷热冲击应变应变集中集中点点应应力力- -应变应变 曲曲线线负载负载应应力力应变应变集中集中疲疲劳劳裂裂缝缝破破坏坏过载过载永久形永久形变变手机压缩eyy手机落摔,永久形变(125cm高, 6次落摔), eyy手机冷热冲击,永久变形(36次冷热循环),eyy稳态振动稳态振动相位同步相位同步( (用慢速用慢速CCDCCD量量测测快速振快速振动变动变形形) )NASA试验手机落摔主应变高速拉伸试验非接触式应变量测全场式应变量测三维应变量测三维位移量测三维座标定位三维表面轮廓量测各种应变曲线量测应变集中点找寻动静态量测有限元素模拟验证2014
