Фотография - это поиск и поимка захватывающих моментов, которые подчас длятся мгновение. Секунда - и потрясающая картина рассеивается в воздухе, как дым. Есть, однако, способ заставить мгновение застыть, как ледяная скульптура. Высокоскоростная фотография помогает захватить ускользающие кадры и сделать из них запоминающиеся снимки. Современные технологии позволяют поймать движения, которые человеческий глаз просто не успевает разглядеть.

Для фотографирования на высоких скоростях используют скорость срабатывания затвора 1/2000 - 1/20000 и короче. Эта настройка скорости срабатывания затвора оптимальна для жанра, но в большинстве цифровых камер она не предусмотрена. Как же справиться с задачей и поймать тот самый момент? Фотограф Рамакант Шарда (Ramakant Sharda) составил небольшой гид по технике и особенностям высокоскоростной съемки. Амбассадор системы срабатывания камеры MIOPS, живущий в индийском Джайпуре, преподает фотоискусство и пишет статьи на разные темы. Он сам любит высокоскоростной жанр в фотографии и с удовольствием делится своими наработками и фотодостижениями.

Что понадобится

Для высокоскоростной съемки вам понадобится оборудование - во-первых, камера DSLR. Можно взять любую. Если у вас нет DSLR, подойдет почти любая камера с возможностью ручных настроек. Кроме этого необходимо:

• объектив. Для съемки на высокой скорости подойдет любой, но помните, что должна быть возможность снять на длинном фокусе. При съемке воды, вспышек и прочих "источников опасности" вы сможете отойти подальше, не повредите оборудование и не пострадаете сами;
• с коротким импульсом - лучше, чтобы управление мощностью было ручным. При высокоскоростной съемке, как правило, нужны несколько внешних источников света;
• - это обязательно! Необходимо надежно фиксировать камеру, потому что при высокоскоростной фотографии одновременно происходит много вещей - фрукты разлетаются под ножом, бьются стаканы и так далее. Нужно освободить руки и исключить падение камеры. Нелишним будет и кабель для управления затвором.

Работая с оборудованием, не забывайте о себе. Учитесь терпению - при высокоскоростной съемке и ста кадров бывает недостаточно для удовлетворительного результата. Этот жанр требует постоянной практики и труда. Если что-то не получается, не стоит сдаваться. Преодоление столь "высокой планки" - важный и нужный профессиональный опыт. Вам сложно? Пригласите помощников, они упростят вам задачу и (что очень будет кстати) помогут убрать беспорядок после съемки.

Настройки камеры

Разобравшись с оборудованием можно переходить к следующему этапу - настройкам. Придется использовать все творческие навыки и устроить себе настоящий мозговой штурм. Рамакант Шарда рекомендует для высокоскоростной фотографии следующие параметры камеры:

• режим (для съемки на сверхдлинных выдержках, для долгого экспонирования);
• диафрагма - F/11-F/16;
• - 100-400;
• фокусировка - ручная;
• мощность вспышки - минимально возможная.

Почему нужно снимать с минимальной мощностью вспышки? Наиболее низкий уровень параметра обеспечивает наименьшую длительность импульса и помогает "заморозить" объект, буквально остановив его в движении. При полной мощности продолжительность срабатывания хорошей вспышки составляет около 1/2000 - 1/10 000 секунды, но выставив параметр на уровне 1/128, можно снизить продолжительность до 1/16000 - 1/35 000 секунды.

Процесс съемки

Первый шаг - установка камеры на штативе и подключение кабеля спуска затвора. Выставьте на фотоаппарате минимально возможное значение ISO (например, 100) и увеличивайте его, только если мощности вспышки недостаточно. Диафрагму нужно установить на F/11 или F/16 и фокусироваться вручную. Если у вас есть помощник, проинструктируйте его - научите вовремя нажимать кнопку спуска затвора и отпускать ее во время срабатывания вспышки.

Теперь попробуйте синхронизировать действие, которое вы собираетесь заснять, и запуск вспышки. Одной рукой выполняйте движение (например, прокалывайте воздушный шар), а второй - нажимайте на кнопку переключателя. Немного попрактиковавшись вы сможете добиться идеальной синхронности.

Детали, о которых следует помнить

Первое необходимое условие, о котором нередко забывают - темнота в комнате. Высокоскоростные фото лучше всего удаются в неосвещенных помещениях. При использовании режима Bulb скорость срабатывания затвора составляет меньше, чем 1/10 и 1/5 секунды, поэтому в ярко освещенной комнате фотографии получаются плохо. Оставьте лишь небольшой источник света, чтобы можно было разглядеть предметы.

Закрывайте диафрагму. Диапазон F/11-F/16 - оптимальный. С ним вы получите хорошую глубину резкости и весь объект будет в фокусе. Кроме этого, закрытая диафрагма помогает уменьшить влияние окружающего света на снимок. Не забывайте - камера должна быть настроена на режим ручной фокусировки. В темноте автоматика не сфокусируется так быстро, как нужно, и вы можете пропустить ключевой момент.

При работе со вспышками используйте не только минимально возможную мощность, но и режим ведомых источников. Так вам не придется возиться с проводами. Достаточно включить главную вспышку, чтобы остальные автоматически запустились вместе с ней.

Практика, практика и еще раз практика. И тогда вы сможете записать в свой профессиональный арсенал умение создавать невероятные высокоскоростные фотографии.

Понятно, что подобная скоростная фотосъемка недоступна не только простому обывателю, но и многим профессионалам, так как простые камеры для этого не предназначены. Но тем не менее, снимков из серии «остановись мгновение» достаточно много. Откинем в сторону высокоскорострельные фотокамеры для научных экспериментов.

Что нужно для того, чтобы получить сверхскоростной снимок? Можно выделить 3 составляющих:

• Очень короткая выдержка. От 1/6000 и выше
• Хорошее освещение
• Затвор должен сработать в нужный момент.

При ближайшем рассмотрении — это мало реально. Зеркалки топового класса выдают максимум 1/8000 и стоят очень много денег. Источник света, позволяющий снимать на таких выдержках — выжжет наши глаза до задней стенки черепа. До нужного момента мы уже не дойдем. :)

Но решение есть. К сожалению, статей в интернете по тому, как сделать скоростной фотоснимок дома, очень мало. На русском и того меньше. Фактически единственное, что удалось найти на русском это статья Евгения Орлова на сайте Хулиганствующего Элемента , но она страдает тяжелым наследием полноценного академического образования:). Автор сильно уклоняется в научно экспериментальную область, двигаясь в сторону создания самодельных вспышек.

На самом деле все прозаичнее.

А еще один способ, для съемки «водяного макро» описывается в другой статье Quick guide to Simple High Speed Macro Photography . Он несколько проще и отличается от предыдущих двух, но сфера его применения более ограниченная.

В заключении, для поднятия боевого духа, подборка высокоскоростных фото от SmashingMagazine

Наверное, каждый из нас когда-то смотрел документальные фильмы о живой природе, когда процессы, происходящие на Земле видны в самом близком приближении. Или, когда извержение вулкана показывается в мельчайших подробностях. Или взрывы пиротехники. Существует много такого, что даже самая лучшая камера не снимет так, как высокоскоростная.

Такие устройства снимают со скоростью сотни тысяч и миллионы кадров в секунду и именно поэтому нам удается рассмотреть то, что раньше было просто недоступно ни камерам, ни тем более, человеческому глазу.

Но приготовьтесь к тому, что подобные камеры имеют еще совершенно космическую стоимость, которая доступна только крупным телеканалам и съемочным студиям, научным институтам.

Рейтинг: лучшие высокоскоростные камеры

Место	Высокоскоростные камеры 2017 года	Рейтинг
1		5.0
2		4.8
3		4.6
4		4.4
5		4.0
6		4.0
7		4.0

Девайс позиционируется, как самая скоростная мегапиксельная камера, которая «умеет» снимать со скоростью 25600 кадров/сек. при максимальном разрешении 1280х800 точек. При этом, если условия съемки требуют более высокой скорости, то при снижении разрешения, можно добиться скорости съемки 1000000 кадров/сек.(!) Поистине, космическая скорость, но на Земле.

Затвор этой камеры способен открываться/закрываться со скоростью 265 наносекунды, что действительно делает гаджет уникальным в своем роде. Объем скоростного жесткого диска составляет 288 ГБ, а все отснятое напрямую передается в CineMag со скоростью 10 Гб/сек.

Высокоскоростная камера российской разработки, применяется в различных областях жизнедеятельности человека: медицина, наука, технологии, армия, транспортная инфраструктура и т. д. Камера снимает со скоростью 1000 кадров в секунду с разрешением 1280х860 точек, а при желании, камера «разгоняется» до скорости 22500 кадров/сек. при уменьшении пикселизация.

Сенсор камеры монохромный, объем памяти составляет 4 ГБ, который увеличивается до 128 ГБ (если настроить максимально качество и скорость съемки, то 4 ГБ памяти заполняются за 3,7 секунды). Производитель дает гарантию 5 лет, а тот фактор, что это отечественная разработка существенно упрощает процесс ремонта и сервисного обслуживания.

Достаточно стандартная камера, если такое слово вообще корректно в отношении высокоскоростных камер. Скорость съемки при разрешении в 1280х1024 точек составит 1000 кадров в секунду, при этом, скорость затвора равна 2 наносекунды.

Камера используется в различных отраслях науки и промышленности для съемки самых быстротекущих процессов – внутренней памяти хватит на 6,5 секунд записи при максимальном разрешении и скорости. Данная линейка модели насчитывает несколько разновидностей камеры, что позволят подобрать оптимальную для различных задач и условий применения.

Эта промышленная камера имеет два варианта технической комплектации с различными возможностями. Корпус камеры максимально обеспечивает сохранность и долговечность устройства благодаря промышленным же, технологиям. Скорость съемки может достигать 6300 кадров/сек., а управляться камера может при помощи приложения для устройств на ОС Android .

Объем встроенной памяти может быть 16 или 32 ГБ, в комплекте поставки находится высокоскоростной SSD диск . В основном, данная серия высокоскоростных камер используется для контроля качества сварного шва в промышленности и диагностики промышленных линий производства, где человеческий глаз не способен уловить неисправности, или отклонения в процессах.

Высокоскоростная камера с возможностью съемки со скоростью до 205 000 кадров в секунду (в зависимости от пикселизации). Основной отличительной чертой этого устройства является температурный диапазон применения камеры: от -40 до +50 градусов С. Корпус камеры обладает повышенными прочностными характеристиками, присутствуют различные современные интерфейсы для подключения дополнительного оборудования.

Данная серия скоростных устройств состоит из 12 различных комплектаций, что дает широкие возможности по выбору, исходя из последующих условий эксплуатации. Однако, ремонт и обслуживание камеры может вызвать затруднения, т. к. производство находится в США (время поставки запчастей может достигать 1-3 месяца).

Данная камера от отечественного разработчика позволяет снимать с максимальной скоростью 4000 кадров в секунду и максимальным разрешением 1280х800 точек. Нужна скорость выше, пожалуйста – 85000 кадров и минимальное разрешение в пикселях. Сенсор камеры данной модели цветной, объем жесткого диска может достигать 128 ГБ.

Как и черно-белый «собрат» этого производителя, о котором мы говорили выше, устройство собирается в России, что является существенным плюсом при ремонте и обслуживании.

Phantom VEO 710

Данная камера снимает в максимальном разрешении 1280х800 точек при скорости 7400 кадров в секунду. Это ее максимальное качество, но при необходимости, девайс можно «разогнать» до 1 000 000 кадров, при понижении пикселизации. Устройство выпускается в двух версиях комплектации, которые различаются в наличии дополнительных возможностях у «старшей» модели.

Хранилище файлов может составлять 72 ГБ, все компоненты надежно защищены от ударов, вибраций и высоких перегрузок, которые могут варьироваться от 30 до 100 Джи. При покупке следует быть внимательным, т. к. некоторые функции камеры могут потребовать дополнительных международных лицензий.

Ускоренная (рапидная) киносъёмка, по частоте превышающая стандартную (24 к/с), используется для создания эффекта замедленного движения, который востребован в проекции фильмов, телевидении, компьютерных играх, научном кинематографе. Она применяется с целью запечатления спортивных событий, для воспроизведения движения элементов макета или природных явлений согласно установленному масштабу времени. На экране демонстрируется воображаемое замедление темпа снятых явлений, и при этом зрителю предоставляется возможность рассмотреть промежуточные фазы процессов и плохо различимых деталей.

Особенности ускоренной съёмки

Виды съёмки:

• ускоренная, или рапид-съёмка (32-200 к/с) осуществляется посредством стандартной аппаратуры с грейферным механизмом и прерывистым движением плёнки;
• более скоростная съемка с частотой 200-10 000 к/с обеспечивается непрерывным равномерным движением плёнки с применением оптических и электронных методов манипуляции светом. Ускоренную съёмку ведут с рук из движущегося транспортного средства при помощи профессиональной или обычной любительской аппаратуры с расширенным диапазоном частот, необходимого для устойчивости изображения.

Технологии киносъёмок остаются почти неизменными с 1955 года, исключением становится создание электронного затвора, хотя изображение в настоящее время фиксируется не на плёнку, а на последовательность цифровых матриц, благодаря которым обеспечивается частота кадров 100 млн в секунду.

Степень ускорения ограничивается возможностями камеры, её конструкцией и динамикой. Для любительской аппаратуры характерна ускоренная съёмка - 64-72 к/с, для профессиональной - 360-600 к/с. Современные камеры способны обеспечить частоту 200 к/с с её постепенным увеличением с целью получения спецэффекта нарастания скорости. Если требуется большее ускорение, то прибегают к манипуляции кадрами на киноплёнке.

Существуют разнообразные виды съёмок в научной и прикладной кинематографии, в частности для исследования быстротекущих явлений и процессов. Одной из них является высокоскоростная, или рапид-съемка, с частотой более 250 кадров в секунду, позволяющая заснять процессы, недоступные восприятию человеческого глаза по причине кратковременности или высокой скорости явлений.

В число объектов исследования можно включить:

• движения живых существ: частота кадров составляет от 100 до 300 к/с, выдержка - 1/1000;
• функционирование механизмов (1-10000 к/с);
• разрушения и взрывы (10-100 тысяч к/с);
• ударные волны газов (100 тысяч - 1 млн к/с);
• электроразряды (10-100 млн к/с) и тому подобное.

Технические приёмы

Благодаря разнообразию условий, широкому спектру технических средств и разновидности частот, возможна профессиональная видеосъемка объектов высокого качества. Высокотехнологичная аппаратура кроме стандартных механизмов обработки изображений задействует также оптические ускорители, быстродействующие затворы, электронные и оптические преобразователи.

Высокоскоростное фотографирование обычно осуществляется посредством импульсных источников света (газоразрядных ламп, взрывных источников света, искровых разрядников с воздушным интервалом).

Хронофотография - промежуточный между фото-и киносъемкой способ запечатления последовательных фаз явлений с использованием вращающегося щелевого затвора. Полученные изображения наслаиваются друг на друга и совмещаются в единую ленту. Метод используется при непрерывном движении объекта наблюдения. Неповторимые эффекты обеспечивает открытый объектив с импульсным освещением.

Способы высокоскоростной киносъёмки

1. Запечатление на прерывисто движущуюся пленку осуществляется при частоте 600 к/с с использованием механической системы транспортирования кинопленки.
2. Более ускоренная съемка при частоте 1000 к/с реализуется с использованием пневмоустройств или при мобильности плёнки за счёт упругости петель, которые образуются за каналами фильма.
3. Для достижения более высоких частот используются движущиеся светочувствительные материалы.

Эффект резких снимков последовательных преобразований возможен при смещении плёнки относительно объекта следующими способами.

Электронная коммутация

Метод, при котором щелевые обтюраторы отсекают лимитированные моменты времени для экспонирования кадра. За кратчайший промежуток времени относительно оптического изображения не превышает допустимой нерезкости негатива. Потребуется прерывистое освещение импульсными вспышками (длительностью 10-7 долей секунды) или расположенный перед кадровым разъёмом затвор наподобие обтюратора, но вместо выреза может быть миниатюрная щель (одна или несколько).

Оптическая коммутация

Если ускоренная съемка предполагает неподвижное изображение относительно равномерного движения киноплёнки, нужно в интервале экспонирования кадра нейтрализовать смещение световосприимчивого материала относительно изображения при помощи передвижения отражающей свет оптической системы, действующей со скоростью и в направлении движения плёнки.

Для реализации оптической компенсации подойдут зеркальный многогранник, стеклянная пластинка или призма в движении. Размер и положение оптического элемента должны обеспечивать соответствие линейного смещения движению кадров. Киноплёнка должна располагаться на поверхности многогранника в специальном канале фильма. Метод используется для малообъёмных процессов.

Предел повышения частоты при электрокоммутации лимитируется возможностью сокращения интервала между вспышками, а при оптической - скоростью вращения диска затвора и его диаметром.

Замедление проекции

Для наглядного просмотра на экране применяется замедленное движение, возможное как с повышением частоты киносъёмки, так и при замедлении движения киноплёнки в проекторе.

Недостатком метода является видимая прерывистость, а некоторые скоростные процессы вообще выпадают из поля зрения, скрываясь между отснятыми кадрами в ходе съёмки. Если замедление составляет более 1 к/с, демонстрация изображения напоминает слайд-шоу. Поэтому опциональное замедление чаще заменяют ускоренной съёмкой.

Современные приёмы киносъёмки

Следует также упомянуть профессиональную этику: во время больших мероприятий не так уж много выгодных позиций, которые подойдут для успешной съёмки, поэтому стоит позаботиться обо всех необходимых условиях заблаговременно.

А движутся образующие изображение пучки света, сформированные оптической системой. В некоторых системах высокоскоростной киносъёмки используются линзовые растры или волоконная оптика . В последних случаях запись не содержит цельного изображения и для его воспроизведения на экране требуются дешифровка и печать на обычной киноплёнке с помощью специальных типов кинокопировальной аппаратуры .

Ускоренная киносъёмка лакающей собаки

Назначение скоростной съёмки

Контроллер дискового видеорекордера «Ampex HS-100» для замедленных повторов

Ускоренная съёмка позволяет замедлить движение на экране и рассмотреть его во всех подробностях. Это актуально при съёмках спортивных соревнований, когда необходимо определить победителя или оценить точность выполнения упражнений. В кино о спорте ускоренную киносъёмку одной из первых использовала Лени Рифеншталь при создании фильма «Олимпия » . В постановочном кинематографе ускоренная съёмка используется как выразительное средство, например, чтобы показать действия героя «во сне». Иногда повышенная частота устанавливается в кинокамере для имитации слабой гравитации и невесомости . Ускоренная съёмка (обычно 80-100 кадров в секунду) обязательна при создании комбинированных кинокадров с макетами: замедление движения позволяет сохранить достоверность действия, несмотря на небольшие размеры декораций . При этом обвал или разрушения крупного объекта не выглядят на экране «игрушечными» (так, например, выполнялась часть съёмок в фильме «Экипаж »).

Замедление темпа движения на экране возможно не только за счёт увеличения частоты киносъёмки, но и за счёт замедления киноплёнки в кинопроекторе или магнитной ленты в видеомагнитофоне с динамическим трекингом . Этот способ в 1970-х годах нашёл широкое применение в показах замедленных повторов при телетрансляциях спортивных мероприятий. Первые опыты замедленных повторов стали возможны уже в 1934 году на немецком телевидении после начала эксплуатации кинотелевизионной системы «Цвишенфильм » с промежуточной киноплёнкой, однако для вещания система оказалась слишком неудобной, уступив место электронным камерам. Первое устройство «HS-100», пригодное для электронных трансляций замедленных видеоповторов соревнований, было выпущено только в марте 1967 года американской компанией Ampex . Устройство воспроизводило одни и те же телевизионные поля по несколько раз, замедляя движение на экранах телевизоров . В кинематографе замедлить движение, снятое с нормальной частотой, можно таким же образом путём кратного размножения каждого кадрика на специальном кинокопировальным аппарате трюковой печати . Двукратная печать каждого кадрика даёт на экране двукратное замедление, соответствующее такому же увеличению частоты съёмки или уменьшению частоты проекции.

Однако при таком способе замедления движение на экране становится прерывистым, а некоторые фазы быстропротекающих процессов вообще невидимы, поскольку при съёмке попадают в интервал между снятыми кадрами. При сильном замедлении проекции до 1-2 кадров в секунду изображение становится похожим на слайд-шоу . Поэтому в большинстве случаев для замедления движения на экране предпочтительно использование ускоренной съёмки. В настоящее время для осуществления замедленных повторов на телевидении (Ultra Motion повторы в прямом эфире) выпускаются специальные вещательные системы, состоящие из высокоскоростной передающей камеры , видеосервера и контроллера, позволяющего замедленно воспроизвести с сервера любой момент отснятого действия . При этом движение на экране остаётся плавным за счёт высокой частоты съёмки камеры до 250 кадров в секунду .

В отличие от ускоренной съёмки, используемой, главным образом, в научно-популярном и художественном кинематографе, а также в спортивном телевещании, скоростная и высокоскоростная запись изображения применяются для исследования быстропротекающих процессов в науке и технике . Первые опыты с хронофотографией , ставшей прообразом кинематографа, проводились с теми же целями, позволяя изучать явления, недоступные человеческому восприятию. Наиболее известным примером таких исследований являются опыты Эдварда Мэйбриджа по фиксации фаз лошадиного галопа , позволившие определить момент отрыва от земли всех четырёх ног . Современная аппаратура позволяет снимать от нескольких тысяч до десятков миллионов кадров в секунду, делая возможным наблюдение очень быстрых процессов. Высокоскоростные цифровые устройства применяются в науке и промышленности для анализа краш-тестов , детонации , искровых разрядов и других явлений. Полученные в лабораторных условиях кадры позволяют точно измерить параметры движения, и в конечном счёте улучшить конструкцию изделий или проверить научную теорию. Иногда эти съёмки используются в качестве иллюстрации в документальных и научно-популярных фильмах .

Технические особенности процесса

Масштаб времени - количественная мера замедления движения, равная отношению проекционной частоты кадров к съёмочной . Так, если проекционная частота кадров стандартная и равна 24 кадрам в секунду, а киносъёмка производилась с частотой 72 кадра в секунду, масштаб времени составит 1:3, что соответствует трёхкратному замедлению.

Оптическая ёмкость - максимальное количество кадров, которые могут быть сняты за время одной киносъёмки . Для высокоскоростной киноаппаратуры это понятие имеет решающее значение, так как ёмкость принципиально ограничена конструкцией аппарата и его кассет . Например, аппарат «ФП-22» с оптической ёмкостью 7500 кадров при максимальной частоте съёмки 100 000 кадров в секунду расходует весь запас за 0,075 секунды. Поэтому для гарантированной регистрации исследуемого процесса даже небольшой длительности требуется точная синхронизация запуска киносъёмочного аппарата или видеосервера с началом процесса.

Понятие частота киносъёмки напрямую применимо только при кадровом способе съёмки. При бескадровых способах чаще всего пользуются понятием разрешающей способности во времени или временны́м разрешением . Параметр определяется как функция максимальной временно́й частоты изменения яркости тест-объекта, которая может быть измерена по результатам съёмки .

Максимальная частота съёмки в кинематографе определяется конструкцией кинокамеры и динамическими характеристиками её скачкового механизма . В видеозаписи и высокоскоростной цифровой фотографии максимальная частота определяется особенностями фотоматрицы и временем считывания заряда. В любительской киноаппаратуре предусматривалась ускоренная съёмка на частотах до 64-72 кадров в секунду. В профессиональном оборудовании применяются специализированные грейферные механизмы , обеспечивающие до 360 кадров в секунду для 35-мм киноплёнки и до 600 кадров в секунду для 16-мм . В СССР для ускоренной киносъёмки выпускались камеры 1СКЛ-М «Темп», 2КСК, 3КСУ и другие . Современные профессиональные киносъемочные аппараты общего назначения обеспечивают частоту съемки до 200 кадров в секунду с возможностью её плавной регулировки непосредственно во время съёмки для получения спецэффектов изменения хода времени. Повышение скорости сверх этих значений осуществляется при непрерывном движении киноплёнки, поскольку ни один из существующих скачковых механизмов не способен транспортировать фотоматериал с более высокими скоростями без его повреждений.

Второй главной проблемой ускоренных съёмок является неизбежное уменьшение выдержки при повышении частоты . Даже при коэффициентах обтюрации , близких к единице, для частоты 1000 кадров в секунду выдержка не может превышать 1/1000 секунды. При высокоскоростной съёмке этот же параметр может составлять несколько наносекунд. Это вынуждает использовать высокочувствительные сорта киноплёнки и фотоматрицы с низким уровнем шумов, а также яркое освещение снимаемой сцены. Большинство современных цифровых устройств этого назначения оснащаются охлаждающим элементом Пельтье для снижения шумов матрицы и получения возможности предельного повышения её светочувствительности .

Технологии скоростной съёмки

Падение шара с водой, снятое с частотой 480 кадров в секунду

После появления цифровых фотографии и видеозаписи большинство технологий скоростной съёмки, основанных на кинематографических процессах, устарели, поскольку электронные устройства не содержат никаких движущихся частей, ограничивающих быстродействие. ПЗС -матрицы позволяют регистрировать быстропротекающие процессы с частотой до 1000 кадров в секунду . Появление КМОП -матриц стало примером подрывной инновации , позволив снимать миллионы кадров в секунду и полностью заменить киноплёнку. Достигнутый в 2011 году уровень быстродействия в 0,58 триллиона кадров в секунду позволяет зафиксировать перемещение светового фронта импульсного лазера . Даже некоторые цифровые компактные фотоаппараты , например серии «Casio Exilim», уже оснащаются функцией скоростной видеосъёмки с частотой до 1200 кадров в секунду при уменьшенных размерах кадра . В постановочном кинематографе для ускоренных съёмок используются специальные цифровые кинокамеры , среди которых наиболее известны устройства «Phantom», способные снимать до миллиона кадров в секунду .

Однако в отдельных отраслях до сих пор используются скоростные киноаппараты. Методы скоростной киносъёмки могут быть условно разделены на две главные разновидности: съёмка на движущуюся киноплёнку и на неподвижную с движением оптических деталей аппарата. Первый способ с использованием лентопротяжного механизма применим, если скорость движения киноплёнки не превышает 40 метров в секунду, поскольку при более быстрой протяжке плёнка рвётся или самовоспламеняется . Во втором случае киноплёнка размещается на неподвижном или вращающемся барабане . Подвижный барабан разгоняется до номинальной скорости (до 350 метров в секунду) перед съёмкой, позволяя аппарату работать в ждущем режиме без потери оптической ёмкости. Известны два основных способа скоростной киносъёмки:

Оптическая компенсация

Для того, чтобы изображение кадра оставалось неподвижным относительно движущейся равномерно киноплёнки, между ней и съёмочным объективом устанавливается вращающаяся призма или многогранный зеркальный барабан . Размер и положение призмы выбираются такими, чтобы линейное смещение оптического изображения соответствовало перемещению плёнки за то же время. При этом незначительный взаимный сдвиг изображения и киноплёнки (тангенциальная ошибка) неизбежен, и для его уменьшения время экспонирования ограничивается дополнительным обтюратором . По такому принципу были построены советские киносъёмочные аппараты «ССКС-1» и многие зарубежные, например, американский «HyCam» .

При использовании вращающегося зеркального барабана закон смещения изображения зависит от расстояния до объекта съёмки, становясь практически линейным только для предметов, расположенных в бесконечности. Поэтому для съёмки с конечных дистанций аппараты такого типа снабжаются комплектом коллиматорных линз, помещаемых между объективом и зеркальным барабаном. Такую конструкцию имели различные аппараты, например советский «СКС-1М» и немецкие «Пентацет-16» и «Пентацет-35». 16-мм аппарат «СКС-1М» был способен снимать до 16 000 уменьшенных кадров в секунду при их расположении в два ряда . В комплект может входить несколько зеркальных барабанов с различным количеством граней, от которого зависит размер получаемых кадриков и частота съёмки.

Для повышения частоты съёмки при неизменной оптической ёмкости иногда применяется расположение кадриков небольшого размера в несколько рядов с уменьшенным шагом. Каждый из рядов может экспонироваться через отдельный объектив, а неизбежный при этом параллакс считается допустимым при съёмке удалённых объектов . Подобная технология изобретена задолго до появления кинематографа и использовалась в ранней хронофотографии .

Кратковременное экспонирование

Высокоскоростная съёмка

Ещё одно распространённое название - лупа времени . В современных технологиях регистрации изображения известны несколько методов высокоскоростной съёмки, осуществляемых на фотоматериал или цифровым способом.

Оптическая коммутация

Цифровая установка «Fastcam» для высокоскоростной съёмки

При таком способе, чаще всего, один или несколько витков киноплёнки располагают на внутренней поверхности неподвижного барабана. Против каждого будущего кадра обычно располагается коммутационная призма и вторичный объектив. Вторичные объективы могут располагаться в несколько рядов с взаимным смещением, позволяя повысить частоту киносъёмки. При этом размеры получаемых кадров уменьшаются пропорционально возрастанию их рядности. В центре барабана с большой скоростью вращается зеркало, которое и осуществляет «развёртку» по длине плёнки. Для повышения скорости вращения зеркало иногда помещают в среду инертного гелия . Для предотвращения повторного экспонирования общее время съёмки не должно превышать одного оборота зеркала, и ограничивается фотозатвором , располагающимся за входным объективом. Требуемое быстродействие недостижимо для обычных затворов, поэтому для прерывания съёмки часто используют одноразовые затворы взрывного типа . По принципу оптической коммутации построены советские аппараты «СФР», «ССКС-3» и «ССКС-4» .

Две последних камеры для обеспечения рабочего угла в 360° используют четырёхрядную укладку киноплёнки изнутри барабана и четыре зеркала, вращающихся на общей оси. При этом зеркала смещены друг относительно друга на 90°, обеспечивая последовательное экспонирование всех четырёх рядов киноплёнки за один полный оборот. Аппарат «ССКС-4», предназначенный для 35-мм киноплёнки с кадром обычного формата , обеспечивает при таком устройстве частоту съёмки до 100 000 кадров в секунду. 16-мм аппарат «ССКС-3» может снять за секунду до 300 000 кадров . Из-за ограниченного рабочего угла зеркала перечисленные камеры, относящиеся к категории аппаратов с прямым вводом , мало пригодны для работы в ждущем режиме.

Значительно более совершенны аппараты с соосным вводом , в которых оптическая ось объектива совпадает с осью барабана. Камеры этого типа, такие как «ФП-22», предусматривают размещение по спирали нескольких витков киноплёнки, и повышенную оптическую ёмкость до 7500 кадров на 8-мм киноплёнке . Способ оптической коммутации применим и при цифровых технологиях. В этом случае вместо киноплёнки с линзовой вставкой вторичных объективов размещаются один или несколько рядов миниатюрных цифровых фотоаппаратов . Максимальная частота съёмки при этом зависит не от времени считывания матриц , а от скорости вращения зеркала.

Механическая коммутация

В аппаратах этого типа используются несколько объективов, расположенных по окружности напротив вращающегося с большой скоростью диска с узкой щелью. Количество получаемых кадров равно количеству объективов, а вся съёмка происходит за один оборот диска. Более совершенная схема предполагает наличие на диске нескольких щелей и нескольких рядов объективов. Несмотря на неизбежный параллакс и малую оптическую ёмкость, такой принцип обеспечивает съёмку с частотой до 250 000 кадров в секунду в ждущем режиме .

Электронная коммутация

При этом методе объект съёмки, расположенный вблизи коллективной линзы, освещается искровыми разрядами , электронными вспышками или импульсным лазером . Изображение строится на неподвижном фотоматериале несколькими объективами, а коммутация источников света осуществляется бесконтактными электронными устройствами. Какие-либо подвижные части в такой камере отсутствуют. Данный метод применяется для процессов, протекающих в относительно малом объёме. Несмотря на существенные недостатки, заключающиеся в наличии пространственного параллакса между соседними кадрами, при электронной коммутации возможна съёмка с очень высокими частотами вплоть до нескольких миллионов кадров в секунду . Метод непригоден для съёмки светящихся объектов.

Ещё одна технология предусматривает использования электронно-оптического преобразователя со скачкообразным перемещением изображения по поверхности флуоресцирующего экрана при помощи магнитной отклоняющей системы . Таким образом на одном экране можно одновременно разместить от четырёх до шестнадцати кадриков, соответствующих различным фазам движения объекта. За счёт эффекта послесвечения каждый полученный набор кадров фиксируется на одном кадре киноплёнки. При этом способе достигается частота съёмки до 600 миллионов кадров в секунду. Ещё одно достоинство заключается в возможности получения высокой яркости вторичного изображения при помощи фотоэлектронного умножителя , компенсирующей падение экспозиции при коротких выдержках. В СССР подобные аппараты на основе отечественных трубок начали выпускать в начале 1960-х годов. За рубежом наиболее известны камеры с электронной коммутацией производства Hadland Photonics Limited и Cordin Company.

Бескадровая съёмка с диссекцией изображения

Бескадровая съёмка с диссекцией основана на разложении изображения на отдельные элементы, изменения яркости каждого из которых записываются непрерывно . При таком способе скоростной киносъёмки чаще всего используется волоконная оптика , предназначенная для относительного смещения отдельных элементов изображения. В съёмочном аппарате между объективом и киноплёнкой размещается светопровод, составленный из множества элементарных стеклянных нитей сечением в сотые доли миллиметра. Один из торцов светопровода располагается в фокальной плоскости объектива, строящего действительное изображение объектов съёмки. Пользуясь тем, что форма сечения многожильного светопровода легко изменяется смещением отдельных волокон друг относительно друга, его противоположный конец выполняется в виде узкой щели шириной в одну элементарную нить .

При равномерном движении киноплёнки мимо заднего торца светопровода, изображение среза каждого волокна записывается в виде линии с переменной оптической плотностью. Для воспроизведения изображения используется тот же жгут, расположенный относительно киноплёнки таким же образом, как и во время съёмки. В этом случае на противоположном от плёнки торце светопровода образуется видимое изображение объектов съёмки. Такой способ киносъёмки позволяет рагистрировать движения любой скорости, а временна́я разрешающая способность ограничена только разрешением киноплёнки и диаметром нитей. В то же время изменение геометрических размеров фотоматериала во время лабораторной обработки, при такой технологии недопустимо, так как приводит к искажению изображения при его дешифровке. Поэтому для съёмки с диссекцией применимы только киноплёнки на безусадочной лавсановой подложке или фотопластинки на стеклянной основе.

Бескадровая растровая съёмка

Метод скоростной киносъёмки с непрерывным движением киноплёнки. При такой технологии на киноплёнке не образуется видимого изображения объектов съёмки, представленных совокупностью линий различной оптической плотности. Для съёмки используется оптический растр, помещаемый перед киноплёнкой вблизи фокальной плоскости объектива. Простейший растр представляет собой непрозрачную перегородку с предельно малыми отверстиями, расположенными в несколько рядов с малым шагом. Каждое отверстие работает как элементарный стеноп , строя изображение выходного зрачка объектива на фотоэмульсии .

Более высокой светосилой обладает линзовый растр похожей конструкции. Каждому отверстию пластины соответствует элементарная линза растра, строящая изображение зрачка. Расположение разных линз растра на различных расстояниях от оптической оси объектива приводит к тому, что элементарные изображения каждой из них отличаются. Соседние ряды линз сдвинуты друг относительно друга на расстояние, равное доле шага растра. При движении киноплёнки изображение каждой линзы отображается в виде отдельной полосы, оптическая плотность которой колеблется в соответствии с изменениями яркости каждого участка движущегося изображения кадра.

Для обратного синтеза изображения используется тот же растр, расположенный относительно киноплёнки так же, как во время съёмки. В результате на экране получается движущееся изображение объектов съёмки. Советский растровый аппарат «РКС-11» при таком методе обеспечивает разрешающую способность во времени до 150 000 с −1 при оптической ёмкости 300 кадров на двух фотопластинках 13 × 18 см .

Фоторегистрация (щелевая бескадровая съёмка)

Разновидность высокоскоростной киносъёмки с непрерывным экспонированием светочувствительного материала . При такой технологии из прямоугольного кадра выделяется отдельный элемент в виде линии, ограниченной узкой щелью . Киноплёнка или оптический коммутатор могут двигаться непрерывно с любой скоростью. При этом записывается только узкая линия, изображающая ограниченную область объектов. Полученное на киноплёнке изображение называется фоторегистрограммой и лишь условно изображает часть объекта съёмки . В то же время, благодаря возможности измерения основных параметров движения, фоторегистрация получила распространение в некоторых отраслях науки, в которых полное изображение снятых объектов считается избыточным. Щелевая бескадровая съёмка широко используется в спорте, в том числе в качестве фотофиниша .

Режим фоторегистрации предусмотрен во многих аппаратах с оптической коммутацией. При этом между объективом и коммутатором соосно с ним размещается щелевая диафрагма, а линзовые вставки с вторичными объективами убираются от киноплёнки. В таком режиме временна́я разрешающая способность возрастает в несколько десятков раз . В высокоскоростной видеосъёмке уменьшение высоты кадра вплоть до одного пикселя также позволяет повысить частоту регистрации в несколько раз за счёт сокращения времени считывания.

Щелевая фоторегистрация послужила основой для целого направления в фотоискусстве - щелевой фотографии .

См. также

Источники

1. , с. 136.
2. , с. 343.
3. , с. 300.
4. , с. 267.
5. , с. 40.
6. , с. 56.
7. , с. 36.
8. , с. 28.
9. , с. 181.
10. , с. 305.
11. , с. 157.
12. , с. 37.
13. Steven E. Schoenherr. 1967 (англ.) . Ampex History (недоступная ссылка - история ) . Ampex . Проверено 20 июня 2015. Архивировано 20 июня 2015 года.
14. , с. 189.
15. Высокоскоростная вещательная система I-Movix (рус.) . Продукция . «Седатэк». Проверено 19 июня 2015.
16. , с. 51.
17. Высокоскоростная фотосъёмка (рус.) . История фотографии (недоступная ссылка - история ) . «Фотография» (26 августа 2012). Проверено 19 июня 2015. Архивировано 19 июня 2015 года.
18. , с. 66.
19. , с. 274.
20. , с. 272.
21. , с. 30.
22. , с. 41.
23. Н. А. Тимофеев. Использование высокоскоростных цифровых камер для исследования физических систем (рус.) (недоступная ссылка - история ) . Проверено 18 июня 2015. Архивировано 19 июня 2015 года.
24. Леонид Попов. Учёные создали камеру с частотой триллион кадров в секунду (рус.) . «Мембрана» (15 декабря 2011). Проверено 17 февраля 2016.
25. Femto-Photography: Visualizing Photons in Motion at a Trillion Frames Per Second (англ.) . Camera Culture. Проверено 17 февраля 2016.
26. Фотоаппарат Casio Exilim Pro EX-F1 и скоростная съёмка (рус.) . «Фаствидео». Проверено 19 июня 2015.
27. Андрей Баксаляр. Vision Research выпускает скоростные камеры Phantom v1210 и v1610 (рус.) . «GadgetBlog» (9 августа 2011). Проверено 19 июня 2015.

Доверенности