Мы живем «здесь» и «сейчас». Привычное человеку пространство лежит в масштабах от километров до миллиметров, время — от лет до секунд. Наше воображение плохо вмещает вещи по‑настоящему большие, мы почти неспособны отметить события короче десятых долей секунды. А ведь именно там часто происходит самое интересное. Заглянуть за эти пределы позволяют технологии, и самые быстрые вещи фиксируются сверхскоростными видеокамерами. Бросок языка хамелеона, полет пули, ядерный взрыв, движение световой волны. Тысячные, миллионные доли секунды… и почти что триллионные.

Высокоскоростная съемка развивалась почти так же стремительно, как фотография и кино. И если в середине XIX века на получение одного кадра требовалась неподвижная экспозиция в четверть часа и дольше, то уже в 1878-м Эдвард Мейбридж смог со снимками в руках доказать, что при беге лошадь не всегда касается земли хотя бы одной ногой. Шотландский фотограф использовал хитроумную систему из 12 камер, затворы которых срабатывали от рывка нитей, привязанных поперек беговой дорожки.

Уже в 1930-х компания Eastman Kodak предлагала серийно производившуюся камеру, способную делать до 1000 кадров в секунду на ленту 16-миллиметровой пленки. Инженеры из Bell Telephone Laboratories разработали собственную систему для изучения физики дребезга релейных контактов, добравшись до планки в 5000 кадров. Их систему усовершенствовали в компании Wollensak — 10 000 кадров. Впрочем, настоящую скорость фотосъемка набрала благодаря изобретателю Цирси Миллеру, который в 1940 году запатентовал устройство с вращающимся зеркалом, обещавшее скорость миллион кадров в секунду.

Его патент лег в основу камеры, использованной участником проекта «Манхэттен» Берлином Брикснером для съемок первого в истории ядерного взрыва. Испытания «Тринити» фиксировали с 10-километрового расстояния, наставив на эпицентр сразу полсотни сложных съемочных аппаратов. В их числе была и еще одна примечательная камера, созданная профессором Массачусетского технологического института с подходящим прозвищем «Папа Флэш». Гарольд Эджертон считается отцом скоростной съемки, а его камера Rapatronic — первым образцом современных аппаратов.

Rapatronic | 1940-е годы

Эджертон уже больше десяти лет занимался высокоскоростной съемкой, когда ему предложили разработать камеру для фиксации невиданно быстрого (и невиданно секретного) события — ядерного взрыва. Для испытаний обычно использовали от четырех до двенадцати таких аппаратов, каждый из которых мог сделать лишь по одному кадру с выдержкой 10 наносекунд. Ни один протяжный механизм неспособен сработать на такой скорости, так что после каждого снимка камеры приходилось перезаряжать. Не справился бы и механический затвор, управляющий диафрагмой. Но именно тут и скрывался главный секрет Эджертона.

Свет, попадающий на объектив Rapatronic, блокировался парой поляризационных фильтров, повернутых относительно оптической оси перпендикулярно друг другу: один «отсекал» волны с вертикальной поляризацией, другой — с горизонтальной. Однако зазор между ними был заполнен прозрачной жидкостью нитробензола, способной вращать плоскость поляризации, если к ней приложить внешнее электромагнитное поле. Поле создавалось электромагнитной катушкой, запитанной от мощного конденсатора. При срабатывании такого затвора излучение с вертикальной поляризацией, пропущенное первым фильтром, слегка «подкручивалось», и второй фильтр, блокирующий все вертикальные волны, свободно его пропускал на чувствительную пленку.

Beckman & Whitley 192 | 1981 год

Еще один «пережиток» холодной войны — 726-килограммовая камера Beckman & Whitley 192 — тоже создавалась для съемки ядерных взрывов и снова отправляет нас к первым испытаниям в Неваде. Вращающиеся зеркала Цирси Миллера здесь обернулись вращением регистрирующей аппаратуры вокруг трехстороннего зеркала в центре мощной конструкции. Струя сжатого газа приводила ее в движение, разгоняя до 6000 оборотов в секунду, и неподвижные зеркала поочередно отражали свет на каждую из 82 закрепленных по краю фотокамер. Каждый кадр получал выдержку меньше миллионной доли секунды. И хотя с Rapatronic это не сравнится, 192-я позволяла снимать события более протяженные, а не отключалась после первого снимка. Похожим образом действовала и разработанная в 1950-х годах в СССР камера ФП-22. Только в ней вращалась система зеркал, так что луч стремительно обегал круг по длинной ленте специальной фотопленки, делая до 100 000 кадров в секунду. Ну а сама легендарная Beckman & Whitley 192, уже списанная, в 2000-х почти за бесценок досталась «охотнику за грозами», инженеру Тиму Самарасу. Он переделал ее на современный лад, заменив пленочные камеры на 82 10-мегапиксельные CCD-матрицы. Путешествуя с камерой в трейлере, Самарас сделал немало эффектных кадров с молниями и торнадо, пока не погиб в урагане, который пронесся над Оклахомой в конце мая 2013 года.

«Пикокамера» | 2011 год

Скорость этой системы позволяет записать даже короткий световой импульс, пока он распространяется от донышка бутылки, отражается колпачком и возвращается обратно. «Во всей Вселенной для этой камеры нет ничего слишком быстрого», — хвастались разработчики устройства. Это, конечно, некоторое преувеличение. Строго говоря, даже «триллиона кадров в секунду», как о том поспешили написать новостные издания, их система не делает: эффективное время экспозиции здесь составляет целых 1,71 пикосекунды. Но гордость разработчиков можно понять. Аппаратура, созданная в Массачусетском технологическом институте (MIT), способна уследить, как расширяется сферическая волна света, испущенного импульсным лазером. Как и у многих специальных лабораторных инструментов для измерения быстропротекающих процессов, в основе системы лежит электронно-оптическая камера. Устройство напоминает приборы ночного видения: световая вспышка, поступающая в камеру через щель, выбивает электроны с фотокатода. Они ускоряются и фокусируются в электромагнитном поле. Наконец, пучок отклоняется, двигаясь по экрану люминофора: каждому моменту времени соответствует определенный участок экрана. Такие камеры (и даже пикосекундные) производят достаточно давно, в том числе и в России. Однако они, как правило, не позволяют рассмотреть никаких деталей. Поэтому инженеры MIT дополнили устройство поворотным зеркалом, которое направляет щель камеры, «сканируя» всю сцену, и сложнейшими математическими алгоритмами, которые собирают всё в последовательную смену кадров.

При ограниченном бюджете главный способ оценить качество фотоаппарата, имея перед собой несколько для сравнения - попробовать сделать снимок без стабилизации в затемнении: Вы сразу увидите, как будет различаться шумность матриц, насколько удобен фотоаппарат при длительных выдержках. Сравнить качество объективов труднее - на экранчиках искажения не уловить, зато при печати фото на большом формате они сразу выдадут себя. И чем больше диапазон фокусных расстояний, тем больше вероятность искажений изображения в крайних положениях фокусировки - это понятная плата за универсальность.

Если финансы позволяют, вариант со сменным объективом будет интереснее - можно купить кит на первое время, можно и сразу подобрать «тушку» и объектив под себя. Единственное «но» - это то, что сложностей с поиском объектива может быть многовато: большинство сменной оптики делается под популярные байонеты полноразмерных «зеркалок», на компактных беззеркальных размерах присоединительные размеры оптики другие. Впрочем, отдельные оригиналы умудряются скрещивать современные цифровики даже с советской оптикой.

Емкий аккумулятор - это хорошо, быстросменный аккумулятор - еще лучше, а заряжаемый без фирменного адаптера - еще лучше. Увы, фирменной болезнью многих цифровых фотокамер, и в первую очередь - компактных, является несоответствие аппетитов электроники и емкости аккумулятора, так что носить с собой несколько при частом использовании фотоаппарата - привычное дело. Но вот не всегда смена аккумулятора удобна - иногда открыть батарейный отсек не дает присоединенный штатив, подобные нюансы стоит проверять сразу.

Самая быстрая камера в мире December 9th, 2014

Продолжаем изучать что существует в мире.

Группа ученых из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, возглавляемая профессором Ген K Беаре (Gene K. Beare) и доктором философии Лихонгом Ванном (Lihong Wang), создала новуюсверхскоростную камеру , которая позволяет ученым запечатлевать ход крайне быстротекущих процессов и явлений, таких, как движение и отражение от зеркала импульса лазерного света . В новой камере использована технология сверхбыстрой сжатой съемки (compressed ultra-fast photography, CUP) и в основе этой технологии лежит метод, позволяющий получать достаточно качественные изображения из меньшего количества данных, получаемых светочувствительным датчиком.

Новая CUP-камера позволяет снимать со скоростью около 100 миллиардов кадров в секунду. И при этом, она еще не является самой быстрой камерой в мире , Но, в отличие от других камер-рекордсменов, которые могут производить съемку одинаковых чередующихся событий , новая CUP-камера способна снять непосредственно сразу все то, что видит ее объектив.

Давайте посмотрим на видео, как это выглядит …

Камера фотографирует объект при помощи специального сложного объектива, который проводит фотоны света через ряд преобразований к поверхности небольшого устройства. Это устройство, digital micromirror device (DMD), и является «сердцем» всей камеры. Оно имеет размеры, сопоставимые с размерами небольшой монеты, но на его поверхности находится около 1 миллиона крошечных согласованных микрозеркал, размеры каждого из которых составляют 7 на 7 микрометров.

Эти зеркала выполняют двойную роль, во-первых, они разбивают изображение на пикселы, удаляя те пикселы, которые заключают в себе избыточную информацию. Оставшаяся часть отраженного света направляется в сторону щелевой широкополосной камеры, где при помощи двух электродов происходит превращение фотонов в электроны, обладающие различной энергией, т.е. скоростью движения. На электроды подается высокочастотное пилообразное электрическое напряжение, которое выполняет роль отклоняющей системы развертки камеры, заставляя электроны с разной энергией ударить в поверхность чувствительного датчика в определенных местах, соответствующих их энергии. И все эти преобразования выполняются в камере очень быстро, в течение порядка 5 пикосекунд.

Кадры, точнее, данные, полученные датчиком CUP-камеры еще не являются собственно кадрами. Кадры изображения получаются позже, после обработки компьютером, который использует алгоритмы так называемого цифрового восстановления изображения. Естественно, из ограниченного набора данных, получаемых датчиком камеры, не получается составить качественное изображение с высокой разрешающей способностью. Но и того, что получается, вполне достаточно для того, чтобы увидеть процесс отражения света, процесс изменения скорости и траектории движения света в момент пересечения границы между двумя разными средами, и многие другие процессы, которые происходят быстрее, чем могут двигаться фотоны света.

Наличие высокоскоростной CUP-камеры, способной снимать быстрые процессы за один раз, позволит инженерам и ученым увидеть те явления из области оптических коммуникаций и квантовой механики, которые до этого были скрыты от человеческих глаз. К примеру, такая камера может визуализировать процесс преломления света вокруг структур метаматериалов, из которых изготавливают сейчас многочисленные устройства сокрытия, плащи-невидимки. Эта камера способна снять колебания луча света, попавшего в зазор очень малой величины, и процесс передачи квантовой информации от кубита к импульсу света и наоборот.

А самой быстрой камерой является устройство, появившееся на свет в 2011 году, которое может обеспечить скорость съемки на уровне одного триллиона кадров в секунду.

Исследователи из Массачусетского технологического института разработали и создали новую систему съемки видеоизображений, которая обладает поистине фантастической скоростью — она может снимать один триллион кадров в секунду. Андреас Фелтен (Andreas Velten), ученый из MIT Media Lab, характеризует возможности новой камеры всего одной фразой: «Во Вселенной не существует ничего, что являлось бы слишком быстрым для этой камеры».

Основой новой высокоскоростной камеры является относительно новая технология, называемая камера с линейной разверткой (streak camera). Эта камера, стоящая порядка 250 тысяч долларов, имеет диафрагму в виде узкой щели. Фотоны света, проходящие сквозь узкую щелевидную диафрагму, попадают под воздействие высокочастотного электрического поля, которое отклоняет их траекторию в направлении, перпендикулярном направлению диафрагмы камеры. Поскольку напряженность электрического поля изменяется с большой скоростью, оно отклоняет траекторию более поздно прибывших фотонов более сильно, чем фотонов, прибывших немногим ранее.

И в результате такого трюка получается двухмерное изображение. Одна координата этого изображения, как и положено, является пространственной координатой, а вторая координата является разверткой первой пространственной координаты по времени. Обобщив все вышесказанное можно сказать, что результирующее изображение является разверткой времени прибытия фотонов, прошедших сквозь одномерный «срез» пространства.

Несмотря на такую необычность снимков, сделанных камерой с линейной разверткой, такая камера может делать подлобные снимки с потрясающей скоростью — до триллиона кадров в секунду. Изначально такая камера предназначалась для изучения света, который выделяется в результате химических реакций и характеристик света, прошедшего через определенные химические вещества и соединения. В первую очередь химиков интересовали длины волн света, поглощенного веществами, и изменения интенсивности излучаемого света в течение длительного промежутка времени. Тот факт, что камера фиксирует всего одну пространственную координату, не являлся для них помехой.

Но наличие всего одной пространственной координаты — это серьезный недостаток камеры, если планировать с ее помощью осуществление сверхскоростной съемки. Для обхода этого недостатка камеры профессор Рэмеш Рэскэр (Ramesh Raskar) и профессор химии Моунджи Бавенди (Moungi Bawendi) применили весьма необычный трюк. Для съемки видео, на котором видно прохождение светового импульса сквозь бутылку с водой, было сделано множество одномерных снимков, каждый из которых отличался от предыдущего второй пространственной координатой. Затем набор одномерных видео был совмещен и объединен в обычное, двухмерное видео с помощью специального программного обеспечения.

Естественно, «актером» для съемки видео был не один единственный импульс лазерного света. Для каждого снимка лазер вырабатывал новый импульс. Естественно, что такая съемка возможна только лишь при условии четкой синхронизации работы камеры, лазера и соблюдения одинаковых условий окружающей среды. Но это все достаточно легко реализуется с помощью набора оптического, электронного и другого оборудования.

Свету, проходящему через бутылку, требуется всего одна наносекунда, что бы рассеяться и исчезнуть. А для того, что бы собрать все необходимые данные, т.е. сделать все снимки, необходимые для получения полноценного конечного видео, требуется более часа времени. По этой причиной исследователи называют свое детище «самой медленной самой быстрой камерой в мире».

Поскольку сверхскоростная камера для записи видео требует многократного повторения одного и того же события, она не в состоянии записать явления, которые нельзя точно воспроизвести требуемое количество раз, и единичных явлений. Поэтому область применения такой камеры будет достаточно узка и специфична, ее можно будет использовать в анализе структуры материалов, биологических тканей и во многих других физических исследованиях и экспериментах. Но даже в тех случаях она станет источником огромного количества научной информации.

В Швеции придумали, как снимать видео со скоростью до 5 триллионов кадров в секунду. До этого была планка в 4.4 трлн, поставленная японскими разработчиками.

Наиболее известный вариант скоростной съёмки - Phantom Flex, максимум этой камеры - до 330 000 кадров в секунду. Пользователи обычно не используют аппарат по полной, останавливаясь на частоте 2800 поскольку высокая скорость съёмки чревата плохим разрешением. Частота до 3000 fps уже даёт полноценное Full HD. Подобные устройства имеют новейшие CMOS-сенсоры и самые быстрые процессоры.

Что используют шведские специалисты из Университета Лунда, чтоб достичь рекордной скорости съёмки? Оказывается, каждый снимок включает данные о ещё нескольких кадрах. При открытии затвора камеры предмет съёмки освещается несколькими вспышками лазера. Все вспышки кодируются, причём визуально, и, используя шифровальный ключ, специалист может выделить нужное изображение из всего снимка. Разобраться, конечно, непросто. Но в обычной жизни подобные камеры и не нужны. Столь скоростной аппарат - это находка для учёных. Они теперь смогут заснять любое событие, что длится в течение пикосекунды или фемтосекунды. Можно, например, детально увидеть поведение плазмы, квантовые состояния или снимать химические реакции.

Сложно представить, насколько велика скорость около 5 триллионов кадров в секунду. Поэтому проведём аналогию. Если заснять моргание, а это 0.3 от секунды, то на просмотр видео с привычной нам скоростью в 24 кадра в секунду уйдет порядка двух тысяч лет. Впечатляет?

Технология получила название Frequency Recognition Algorithm for Multiple Exposures (FRAME) - алгоритм распознавания частоты для множественных воздействий. Шведы уже собрали рабочий прототип сверхбыстрой камеры. Если всё пойдёт по задуманному плану, то через два года готовый продукт смогут приобрести все заинтересованные в изобретении учёные. Его даже приблизительная стоимость не называется.

Показана съёмка пучка фотонов. Он прошел дистанцию в толщину бумажного листа за пикосекунду (одна триллионная доля секунды). В ролике движение замедлено в триллион раз.

Дата публикации: 05.05.2017

Ученые из Лундского университета (Швеция) создали самую скорострельную в мире камеру, которая делает снимки с частотой пять триллионов кадров в секунду.

Камеру назвали FRAME. По-английски это слово звучит как «кадр», однако является аббревиатурой от «Frequency Recognition Algorithm for Multiple Exposures» (Алгоритм частотного распознавания для множественных экспозиций). Описывая камеру, создатели поясняют, что она может «практически остановить распространение света», запечатлевая события столь короткие, как 0,2 триллионных секунды. Ученые считают, что камера поможет документировать различные явления в химии, физике, биологии и медицине – на невозможном ранее уровне.

Насколько это много – пять триллионов раз в секунду? Это пятерка с двенадцатью нулями – 5000000000000. Для сравнения – если принять продолжительность человеческой жизни за 80 лет, то в ней уложится 2,5 миллиарда секунд. Всего-то два с половиной миллиарда! Шведская суперкамера за одну секунду может сделать в 2000 раз больше кадров, чем количество секунд, которое мы проживаем за всю жизнь.

«До сих пор, единственным способом визуализировать сверхбыстрые процессы была съемки отдельных последовательных кадров», поясняет ученый Элиас Кристенссон (Elias Kristensson). «Дальше вам нужно попробовать повторить идентичные эксперименты, чтобы получить несколько отдельных изображений, которые можно объединить в фильм. Проблема этого подхода в том, что в следующий раз, когда вы повторяете эксперимент, процесс уже не будет идти идентично».

Чтобы продемонстрировать возможности камеры, разработчики из Лунда сделали видео, на котором показаны фотоны света, проходящие дистанцию, равную толщине обычного листа бумаги. Для прохождения такого расстояния свету требуется ничтожно малое время – около пикосекунды, однако камера способна запечатлеть это движение в замедленном виде.

Наверное, вы уже догадываетесь, что новая суперкамера работает не совсем так, как традиционная камера. Разработчики дают следующее упрощенное объяснение:

«Обычные высокоскоростные камеры делают последовательно снимок за снимков. Новая же технология базируется на инновационном алгоритме, когда в одном кадре делается несколько кодированных снимков. В дальнейшем они разделяются на отдельные изображения, из которых можно получить видеоряд. Коротко говоря, метод подразумевает экспонирование снимаемого процесса (например, химической реакции) светом в виде лазерных вспышек, где каждой вспышке присвоен уникальный код. Объект отражает вспышки света, которые складываются в один кадр. Однако потом их можно разделить в последовательность, используя декодирующий ключ».

Онлайн калькуляторы