高速度カメラ

高速度カメラは、 1秒未満の露出で動画を撮影できる装置です。1/1000⁠秒、または250フレーム/秒を超えるフレームレート。[ 1 ]これは、高速で移動する物体を写真画像として記憶媒体に記録するために使用されます。記録後、媒体に保存された画像はスローモーションで再生できます。初期の高速度カメラは写真フィルムを使用して高速イベントを記録しましたが、画像センサー（電荷結合素子（CCD）またはMOSアクティブピクセルセンサー（APS）など）を使用する完全に電子化されたデバイスに置き換えられました。通常、1000フレーム/秒以上でDRAMに記録し、ゆっくりと再生して動きを調べ、過渡現象の科学的研究を行います。[ 2 ]

概要

高速度カメラは次のように分類できます。

  1. フィルムに記録する高速度フィルムカメラ。
  2. 電子メモリに記録する高速ビデオカメラ。
  3. 複数の画像平面または同じ画像平面上の複数の場所に画像を記録する高速フレーミングカメラ[ 3 ]（通常はフィルムまたはCCDカメラのネットワーク）、
  4. 一連の線サイズの画像をフィルムまたは電子メモリに記録する高速ストリークカメラ。

通常の映画フィルムは毎秒24フレームで再生されますが、テレビは毎秒25フレーム ( PAL ) または毎秒29.97フレーム ( NTSC ) を使用します。高速度フィルムカメラは、シャッターの代わりに回転するプリズムまたはミラーにフィルムを通すことで、最大25万fpsで撮影できます。そのため、シャッターの後ろでフィルムを停止および開始する必要性が減り、そのような速度でフィルムが破れてしまいます。この技術を使用すると、1秒間の動作を10分以上の再生時間 (スーパースローモーション) に引き延ばすことができます。高速度ビデオカメラは、科学研究、[ 4 ] [ 5 ]軍事試験および評価、[ 6 ]産業目的で広く使用されています。[ 7 ]産業用途の例としては、製造ラインを撮影して機械をより適切に調整したり、衝突試験 を撮影して衝突ダミーの乗員と自動車への影響を調べたりすることが挙げられます。今日では、デジタル高速度カメラが、自動車の衝突試験に使用されるフィルムカメラに取って代わりました。[ 8 ]

散弾薬カートリッジの中間弾道事象を撮影したシュリーレンビデオ。ネイサン・ブール、エイムド・リサーチ。

「怪しい伝説」や「タイムワープ」などのテレビ番組では、テストをスローモーションで見せるために高速度カメラがよく使用される。録画した高速度画像の保存には時間がかかることがある。2017年現在、民生用カメラは最大4メガピクセルの解像度と1秒あたり1,000を超えるフレームレートを備えており、1秒あたり11ギガバイトの速度で録画することになるからだ。技術的には、これらのカメラは非常に先進的だが、画像を保存するには、より低速な標準的なビデオコンピュータインターフェースを使用する必要がある。[ 9 ]必要な保存スペースと人が録画を調べるのに必要な時間を減らすために、関心のある動作の部分だけを選択して撮影することができる。産業故障分析のために周期的なプロセスを記録する場合、各サイクルの関連部分だけが撮影される。

高速度カメラの問題は、フィルムに 必要な露出である。40,000 fpsで撮影するためには非常に明るい光が必要であり、照明の熱のために検査対象が破壊されることがある。必要な光強度を減らすために、モノクロ (白黒) 撮影が使用されることがある。特殊な電子電荷結合素子(CCD) 撮像システムを使用すれば、さらに高速な撮像が可能となり、2500万fpsを超える速度を達成できる。しかし、これらのカメラは、古いフィルムカメラと同様に、依然として回転ミラーを使用している。固体カメラは、最大 1000万fpsの速度を達成できる。[ 10 ] [ 11 ]現在、高速度カメラの開発はすべて、フィルムカメラに比べて操作上およびコスト上の利点が数多くあるデジタルビデオカメラに集中している。

2010年に研究者らは、各フレームを2兆分の1秒（ピコ秒）露光し、有効フレームレートを5000億fps（フェムト写真）にするカメラを開発しました。[ 12 ] [ 13 ]現代の高速カメラは、入射光（光子）を電子の流れに変換し、光子を光陽極に当てて再び光子に戻し、フィルムやCCDに記録する仕組みです。

テレビでの使用

科学における用途

スローモーション：グレートバレーのガムプラントの花に舞い降りるメスのハキリアリバチ。Mega Speed Max-V3でフルフレーム（1920×1080）を3,000fps、シャッタースピード75マイクロ秒で撮影。Final Cut ProとTopaz Video AIでは6,000fpsで表示し、30fpsで再生していた。

高速度カメラは、従来のフィルム速度では捉えきれないほど速い現象を特徴づけるために、科学の分野で頻繁に用いられています。バイオメカニクス分野では、カエルや昆虫の跳躍[ 15 ] 、魚の吸盤摂食、シャコの打撃、ハトのヘリコプターのような動きの空気力学的研究[ 16 ]など、動物の高速運動を捉えるために高速度カメラが用いられています。これらの研究では、1台または複数台のカメラから得られた画像シーケンスを動作解析することで、2Dまたは3Dで運動を特徴づけています。

フィルムからデジタル技術への移行により、特に連続録画とポストトリガーの使用を通じて、これらの技術を使用して予測不可能な行動を記録することの難しさは大幅に軽減されました。高速度フィルムカメラでは、研究者はフィルムを開始し、フィルムが切れる前の短い時間で動物に行動をとらせる必要があり、その結果、動物の行動が遅すぎたり、まったく行動しなかったりする無駄なシーケンスが多数発生しました。現代の高速度デジタルカメラでは、[ 17 ]研究者が行動を引き出そうとしている間、カメラは単に連続的に録画するだけで済みます。その後、トリガーボタンを押すと録画が停止し、研究者はトリガーの前後の一定時間間隔（連続録画中のフレームレート、画像サイズ、メモリ容量によって決定）を保存できます。ほとんどのソフトウェアでは、録画されたフレームのサブセットを保存できるため、対象のシーケンスの前後の無駄なフレームを削除することでファイルサイズの問題を最小限に抑えることができます。このようなトリガーは、複数のカメラ間で録画を同期させるためにも使用できます。

アルカリ金属が水と接触すると爆発する現象が、高速度カメラを用いて研究された。水中で爆発するナトリウム-カリウム合金のフレームごとの解析と分子動力学シミュレーションを組み合わせた結果、初期の膨張は、これまで考えられていた水素ガスの燃焼ではなく、クーロン爆発によるものである可能性が示唆された。[ 18 ]

デジタル高速カメラの映像は、電界測定機器やセンサーと組み合わせることで、雷の理解に大きく貢献してきました。これらの機器やセンサーは、雷の過程で発生する電波を検出することで、雷の先駆者の伝播を地図化することができます。[ 19 ]

産業における用途

事後対応型メンテナンスから予測型メンテナンスに移行する際には、故障を十分に理解することが極めて重要です。基本的な分析手法の一つは、高速カメラを用いて、目に見えないほど速く発生する事象を特徴づけることです。科学技術の現場で使用されているのと同様に、カメラは事前または事後トリガー機能を備えており、整備士が故障の発生を待つ間、カメラは連続的に録画できます。故障発生後、トリガー信号（内部または外部）によって録画が停止し、調査員はトリガー発生前の一定時間間隔を保存できます。一部のソフトウェアでは、録画されたフレームのサブセットのみを表示することで、問題をリアルタイムで確認できます。これにより、対象シーケンスの前後の不要なフレームを除外することで、ファイルサイズと視聴時間の問題を最小限に抑えることができます。

高速度ビデオカメラは、X線透視撮影などの他の産業技術を補完するために使用されます。X線を可視光に変換する適切な蛍光体スクリーンと併用することで、高速度カメラは機械装置や生物標本内部の事象を高速度X線ビデオで撮影することができます。撮影速度は主に蛍光体スクリーンの減衰率と強度ゲインによって制限され、これらはカメラの露出に直接影響を及ぼします。パルスX線源はフレームレートを制限するため、カメラのフレームキャプチャと適切に同期させる必要があります。[ 20 ]

戦争での使用

1950年、アバディーン性能試験場のアメリカ陸軍物理学者モートン・サルタノフは、100万分の1秒の速度でフレームを撮影し、小規模爆発の衝撃波を記録できるほどの超高速カメラを発明した。[ 21 ]高速デジタルカメラは、空中から投下された機雷が沿岸地域でどのように展開するかの研究や、[ 22 ]様々な兵器システムの開発に利用されてきた。2005年には、4メガピクセルの解像度を持ち、 1500fpsで記録できる高速デジタルカメラが、弾道迎撃を捕捉する試験場の追跡マウントで使用されていた35mmおよび70mmの高速フィルムカメラに取って代わった。[ 23 ]

参照

参考文献

  1. ^映画技術者協会誌：高速写真、序文、p.5、1949年3月
  2. ^ 「高フレームレート電子画像」（PDF） 。 2016年3月4日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2010年3月7日閲覧。
  3. ^ 「高速カメラチュートリアル」。
  4. ^科学研究陳, 仙鋒 (2012). 「CH4-空気比がガス爆発炎の微細構造と伝播挙動に及ぼす影響」 .エネルギー. 5 (10): 4132– 4146. doi : 10.3390/en5104132 .
  5. ^科学的研究アンダーソン、クリストファー・V. (2010). 「カメレオンの弾道舌投射は低温でも高いパフォーマンスを維持する」(PDF) . Proceedings of the National Academy of Sciences . 107 (12): 5495– 5499. Bibcode : 2010PNAS..107.5495A . doi : 10.1073/pnas.0910778107 . PMC 2851764. PMID 20212130. 2010年2月2日閲覧.  
  6. ^ Chu, Dr. Peter C. (2006年5月4日). 「非円筒形機雷投下実験」(PDF) . 第7回技術と機雷問題に関する国際シンポジウム, NPS, カリフォルニア州モントレー, 米国.
  7. ^ 「フォトロンカメラ、日本機械学会から栄誉を受賞」クオリティーマガジン。 2008年1月23日閲覧。
  8. ^ 「16mmフィルムカメラを高解像度デジタルカメラに置き換える」(PDF) 。 2016年9月11日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2010年3月7日閲覧。
  9. ^レビュー：ハイスピードカメラ、2011年1月4日
  10. ^ 「ハイパービジョンHPV-X2」。
  11. ^ Brandaris 128: 128枚の高感度フレームを備えた、毎秒2500万フレームのデジタルカメラ
  12. ^ Velten, Andreas; Lawson, Everett; Bardagjy, Andrew; Bawendi, Moungi; Raskar, Ramesh (2011-12-13). 「1兆フレーム/秒のカメラによるスローアート」 . ACM SIGGRAPH 2011 ポスター. Web.media.mit.edu. p. 1. doi : 10.1145/2037715.2037730 . ISBN 9781450309714. S2CID  9641010 . 2012年10月4日閲覧.2009 年と 2010 年に研究助成金によってサポートされた作業。
  13. ^ Velten, Andreas; Di Wu; Adrian Jarabo; Belen Masia; Christopher Barsi; Chinmaya Joshi; Everett Lawson; Moungi Bawendi; Diego Gutierrez; Ramesh Raskar (2013年7月). 「フェムト写真：光の伝播の捕捉と可視化」（PDF） . ACM Transactions on Graphics . 32 (4). doi : 10.1145/2461912.2461928 . hdl : 1721.1/82039 . S2CID 14478222. 2013年11月21日閲覧. 
  14. ^ 「NAC高速カメラは欧州放送で人気の選択肢」2010年10月8日閲覧。
  15. ^ Kesel, Antonia B. 「ゴキブリの着地反応の定量化」（PDF）ブレーメン応用科学大学。2009年12月15日閲覧。
  16. ^ Ros, Ivo G.; Bassman, Lori C.; Badger, Marc A.; Pierson, Alyssa N.; Biewener, Andrew A. (2011-12-13). 「ハトはヘリコプターのように操縦し、低速旋回中に下降および上昇ストロークの揚力を生成する」 . Proceedings of the National Academy of Sciences . 108 ( 50): 19990– 19995. Bibcode : 2011PNAS..10819990R . doi : 10.1073/pnas.1107519108 . ISSN 0027-8424 . PMC 3250151. PMID 22123982 .   
  17. ^ Balch, Kris S. (1990年9月16日). 「第4世代モーションアナライザー」.第19回高速写真・フォトニクス国際会議. 第1358巻. pp.  373– 398. doi : 10.1117/12.23937 . ISBN 9780819404190。{{cite book}}:|journal=無視されました (ヘルプ)
  18. ^ Mason, Philip E.; Uhlig, Fr​​ank; Vaněk, Václav; Buttersack, Tillmann; Bauerecker, Sigurd; Jungwirth, Pavel (2015-03-01). 「アルカリ金属と水の反応初期段階におけるクーロン爆発」. Nature Chemistry . 7 (3): 250– 254. Bibcode : 2015NatCh...7..250M . doi : 10.1038/nchem.2161 . ISSN 1755-4330 . PMID 25698335 .  
  19. ^ 「教育」ZTリサーチ、2017年5月6日。 2018年9月8日閲覧。
  20. ^ 「高速イメージングサービス - Aimed Research」www.aimed-research . 2013年8月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2016年2月9日閲覧。
  21. ^「スーパースピードカメラが衝撃波を撮影」『ポピュラーメカニクス』 1950年10月号、158ページ。
  22. ^兵器開発チュウ、ピーター・C・博士「非円筒型機雷投下実験」（PDF）。第7回技術と機雷問題に関する国際シンポジウム、NPS、カリフォルニア州モントレー。 2006年5月4日閲覧。高速デジタルカメラを用いてスローモーションで映像を録画・再生することで、機雷の形状と着水角度を調整し、着水時の機雷の軌道を正確に測定することができます。銃器の弾道学研究に高速デジタルカメラが使用された例は数多くあります。「弾丸の回転速度による拳銃の負傷効果」(PDF)。2013年12月22日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2013年2月18日閲覧。
  23. ^ Bridges, Andrew (2005年8月1日). 「業界の視点：軍事試験場がフィルムからデジタル画像への移行を開始」 . Military & Aerospace Electronics誌. 2005年8月1日閲覧。
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