要多慢有多慢，每秒萬億幀的高速攝影

　　也正因為人眼有這么一個局限，使得一些更高速的運動，人眼就無法完全捕捉了，這時候我們就需要借助外力，讓動作變慢，以確保可以完整觀看到——高速攝影技術(shù)，就是為此應(yīng)運而生的產(chǎn)物。

　　高速相機的原理

　　想要進行高速攝影，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(wěn)定性、高傳輸能力和高抗干擾能力的優(yōu)勢。不過在成像原理上，工業(yè)相機與民用相機是沒有區(qū)別的，都是依靠把光學圖像信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，以實現(xiàn)存儲和傳輸?shù)哪康摹６壳笆褂玫淖顝V泛的就是CCD或CMOS芯片。在這里我們簡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，通常以百萬像素為單位，而像素多少也就意味著CCD上有多少感光組件。在進行拍攝時，景物反射的光線通過相機的鏡頭透射到CCD上，被轉(zhuǎn)換成電荷(每個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路對光電二極管產(chǎn)生的電流進行控制，將一次成像產(chǎn)生的電信號收集起來，統(tǒng)一輸出到放大器，經(jīng)過放大和濾波后的電信號被送到A/D(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)，經(jīng)其處理后變成數(shù)字信號，最終壓縮后存入緩存內(nèi)，形成最終的照片。

　　而CMOS和CCD一樣都是可用來感受光線變化的半導體，但它屬于互補性金屬氧化物半導體，可細分為被動式與主動式兩種。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，其核心結(jié)構(gòu)上的每個像素點由一個感光電極、一個電信號轉(zhuǎn)換單元、一個信號傳輸晶體管，以及一個信號放大器所組成，當CMOS感受到光線之后，會經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后使電極帶上負電和正電，前者的互補效應(yīng)會產(chǎn)生電信號，再被A/D轉(zhuǎn)換器上再被處理芯片記錄和解讀成影像數(shù)據(jù)。

　　高速攝像技術(shù)是重點

　　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——對于一個人眼無法跟隨的高速流逝過程，高速攝影提供了一個耦合的時空信息系列，其中空間信息用圖像來表示，時間信息用拍攝頻率來表示。

　　總的來說，高速攝影是一種拍攝速度很快，曝光時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過程放慢到人眼的視覺的時間分辨程度，使人能夠得以觀察。而這也就意味著在高速攝影時，其拍攝頻率(幀/秒)必須與物體運動變化的速率達到同步，變化越快的運動會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”的運動畫面，此外，2008年美國人塞勒所拍攝的子彈穿過香煙的照片，雖然其使用的尼康D90相機快門速度最高只有1/4000秒，遠遠跟不上300m/s左右的子彈的速度，但是操作者通過先將快門提前打開一秒，借由子彈觸發(fā)激光束點亮2萬伏微秒級的閃光燈，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候，即便快門時間以秒計，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，這就使得高速運動中的物體能夠被清晰的捕捉下來。

　　高速攝影最新成果——每秒4.4萬億!

　　最初在相機曝光需要達到數(shù)十分鐘的時代，以秒計數(shù)就已經(jīng)可以被稱為是高速攝影，但到了當下，高速攝影起點就定在了數(shù)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了，而據(jù)最新的消息顯示，日本有科學家開發(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?qū)崿F(xiàn)這樣的效果，原因在于其使用了一項名為“連續(xù)定時全光學映射攝影”的技術(shù)，簡單來說其是一個基于運動的飛秒成像攝影術(shù)，即先對拍攝目標的空間輪廓進行光學映射，再使用脈沖模式相機發(fā)出極短的單脈沖串進行圖像采集，因而能夠?qū)崿F(xiàn)一次成像，而無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(shù)——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4.4萬億這個數(shù)字，是在該成果得到的影片幀率為229fs的基礎(chǔ)上計算得來的，fs是指飛秒，即千萬億分之一秒，而1/229fs則就等于4.36萬億，而事實上，這個數(shù)字也只能被計算出來，因為它已經(jīng)無法被測量了。

　　高速攝影能上知天文下知地理

　　高速攝影目前最廣泛的應(yīng)用，是安裝在流水線上代替人工來進行監(jiān)測，其通過數(shù)字圖像拍攝目標后轉(zhuǎn)換成圖像信號(采集)，再傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)(傳輸)，然后圖像處理系統(tǒng)再對這些信號進行各種運算來抽取目標特征(計算)，最后依據(jù)判別結(jié)果控制現(xiàn)場設(shè)備(反饋)。

　　舉個例子，當流水線在灌裝飲料時，速度這項指標非常重要，因為過快會導致瓶身爆裂，過慢就會增加耗時與成本，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實現(xiàn)了。

　　除此之外，高速攝影還廣泛應(yīng)用于軍事(例如彈道分析)、制藥(細胞運動)、影視(動畫特效)、化工(噴流流體分析)、印刷(檢測高速印刷時可能存在的印刷缺陷)等行業(yè)，而在超高速相機的輔助下，還可以實現(xiàn)對化學反應(yīng)瞬間、等離子體動力學、晶格振動波、熱傳導等現(xiàn)象進行拍攝。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程(見上圖)。

　　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，因此很多人可能會連帶認為高速攝影不能夠應(yīng)用于個人和民用市場，但這是錯誤的。比如最受大眾用戶歡迎的拍照設(shè)備iPhone 6，它就可以720P的分辨率下拍攝240fps的視頻，而定位極限運動愛好者的GoPro也同樣可以實現(xiàn)高速拍攝，雖然它們不如工業(yè)用高速相機那么專業(yè)和極致，但已經(jīng)足夠用戶驚嘆一聲“Cool”了。

　　一般來說，常見的高速攝影場景，包括對于運動中的孩子或?qū)櫸锏膭幼鞑蹲?，像蕩在秋千上的小孩、滑雪場上騰空翻滾的英姿、高速飛行的鳥類等等，之前有人用iPhone 6的高速攝影功能拍攝過一只剛從水里出來的狗甩動身體的動作，狗的皮膚就伴隨著身體的動作來回甩動，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的題材，比如往空杯子里倒水，或者是點燃一個乒乓球——然后你就會發(fā)現(xiàn)這些原本轉(zhuǎn)瞬即逝，甚至你以為無法被看到和記錄的東西，它們不但富有著別樣的精彩，也可以成就你的個性化攝影佳作。