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.
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.
Самая быстрая видеокамера в мире способна разглядеть продвижение ультракороткого импульса света через однолитровую бутылку, подобно тому как обычные скоростные камеры в деталях снимают пролёт пули сквозь яблоко.
Раскар известен нам по целому ряду впечатляющих опытов. Достаточно вспомнить камеру, . Она, кстати, является близкой родственницей новинки – у них есть общие элементы и схожи приёмы работы со светом.
Для начала, впрочем, полюбуемся, как сферический волновой фронт от импульсного лазера прокатывается по выставленному физиками натюрморту. Каждое такое колечко пересекает сцену со скоростью света, но в замедленном ролике оно просто ползёт.
Экспериментаторы называют новую систему Trillion FPS Camera . Правда, на деле эффективное время экспозиции каждого кадра тут составляет 1,71 пикосекунды (триллионных долей секунды), так что аппарат отображает продвижение света по сцене с частотой съёмки «всего» в 0,58 триллиона кадров в секунду. Но округление авторам удивительной машины вполне можно простить.
Для сравнения, для фиксации быстротечных событий выдавала более шести миллионов кадров в секунду.
Заметим, однако, что ещё один метод замедленной съёмки, базирующийся на голографии (light-in-flight holography), позволяет достичь большего темпа — целых 100 миллиардов кадров в секунду. Увы, эта технология пригодна вовсе не для любых ситуаций, так как работает только с когерентным светом. А его лучи теряют согласованность сразу же, как только проходят сквозь разные объекты, и потому метод отказывает.
В способе съёмки Раскара свет может быть самым обычным, а лазер в роли подсветки тут применяется не из-за когерентности исходного пучка, а из-за необходимости в ультракоротких вспышках.
Новая система способна фиксировать свет, не только проходящий сквозь прозрачную цель, но и отражённый от непрозрачного тела. Видео запечатлевает продвижение световых волн по поверхности объекта. Для выявления тонкостей их взаимодействия применяется цветовое кодирование времени прихода различных импульсов (фото MIT Media Lab, Camera Culture).
В качестве основы для новой системы учёные использовали стрик-камеру (streak camera). В таком устройстве лучи света попадают на фотокатод через узкую щель.
Выбитые электроны за счёт быстроменяющегося электрического поля отклоняются в направлении, перпендикулярном щели. Далее они летят к детектору.
Таким способом временная развёртка короткого импульса света превращается в пространственную. Прибывшие чуть раньше фотоны отражаются в детекторе в несколько иной позиции, чем частицы прилетевшие чуть позднее.
Рекордная камера и подготовленная для съёмки сцена (фото MIT Media Lab, Camera Culture).
Изображения, добываемые с помощью такой камеры, получаются двумерные, передаёт институт, но при этом одно измерение в кадре является пространственным (оно расположено вдоль щели), а второе – это время.
Чтобы зафиксировать сцену полностью, изобретатели применили медленно поворачивающееся зеркало, направляющее взгляд щелевой камеры на новые и новые линии.
Для съёмки целого ролика пробег волнового фронта вдоль сцены следует повторить миллионы раз. А чтобы взаимное расположение световых полос в кадрах было правильным, необходимо точно синхронизировать импульсы лазера подсветки (частота следования – 13 наносекунд, ширина импульса – несколько фемтосекунд) и срабатывание детекторов. Последние воспринимают отражённый от объектов свет с временным разрешением примерно в пикосекунду.
Сложная оптика и электроника, необходимая для синхронизации работы всех частей комплекса, как раз составляют секрет «триллионной камеры». Но не единственный.
Важно, что снимаемые объекты остаются неподвижными, так что картина прокатывающихся по ним световых импульсов – всегда одна и та же. Это и позволяет вести съёмку одной задуманной сцены в течение нескольких минут (за это время сканирующее зеркало снимает множество узких линий в поле зрения камеры).
Если вернуться к аналогии с пулей и яблоком, то в данном случае учёные словно получают в финальном ролике один её пролёт по экрану после миллионов попыток – яблоко просто «расстреливают из пулемёта».
В зависимости от способа обработки массива данных исследователи могут создавать различные варианты видео или фотографий объектов (фотографии Di Wu, Andreas Velten, MIT Media Lab, Camera Culture).
Дальнейшая обработка колоссального массива информации (расположение фотонов и время их фиксации в детекторе) отдаётся на откуп компьютеру. Придуманные Рамешом и его коллегами математические алгоритмы позволяют сформировать из таких данных результирующий ролик, состоящий всего из 480 кадров.
Легко посчитать, что за весь фильм (он показывает нам событие, разворачивающееся на протяжении 0,8 наносекунды) световой луч успевает пробежать по сцене примерно 25 сантиметров, а за один кадр – примерно полмиллиметра.
Андреас Фельтен (Andreas Velten), один из авторов этой системы, называет её «ультимативной», мол, «во Вселенной нет ничего со столь быстрым взглядом, как у этой камеры».
Её создатели также подчёркивают, что вдохновлялись съёмками летящих пуль, впервые проведённых десятилетия назад. Тогда ключом к остановке мгновения были фотовспышки, разумеется, доступные в те годы.
Нынешние новаторы в целом используют аналогичный подход, только теперь вспышки света стали в миллиарды раз короче. Раскар называет такие импульсы «световыми пулями». Особенно эффектно они смотрятся в упомянутом вначале опыте с бутылкой.
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».
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.
