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高速摄像测量需考虑的问题

在进行实施之前,必须要对影响摄像的各种因素进行考虑,才能充分研究事件发生变化的各种可能性,进行充分准备,获得满意的效果。下面列出一些须考虑的主要因素。

1.目的及实施中要解决的问题

实施前,必须明确实验目的以及要解决的问题,主要有以下几项内容:

(1)事件的什么特性需要研究?

(2)要获得什么信息和测量什么参数?

(3)事件什么时间发生,需要什么样的结果,人员和设备的情况?

(4)现在具备了哪些知识?以往有没有做过类似的试验?是否可以做一些预先的观察来增加对事件的了解?事件应使用那些理论数据来分析其变化范围、运动参数以及持续时间等?

(5)获得:

a.什么参数需要测量?

b.需要什么图像格式?

c.时间标记如何记录?

d.空间和时间分辨率是多少?

e.图像如何分析处理?

(6)选择什么设备来获取所需要的数据,包括照明,主要基于以下的选择:

a.单幅还是多幅摄像系统;

b.机械还是电子的快门种类;

c.帧频及曝光时间;

d.摄像系统的摄像物距;

e.需要的景深;

f.待摄物体反射光的强度以及光源的能量;

g.是否同摄像机一起使用频闪光源;

h.摄像系统同目标的时间同步方式;

i.是否需要其他的光源(脉冲的还是连续的),例如,闪光灯、电弧灯、电子闪光灯、钨丝灯、氩灯、日光、高压放电、连续激光器和X光。

(7)使事件布置在最适合观察的位置:

a.环境和场所的考虑;

b.对系统的功率需求及供电功率的考虑;

c.辅助设备的需求;

d.所有设备进点的运输;

e.对人员的要求。

(8)给用户提供什么格式的数据?是纯可视化图像、纯数据还是二者都要?

(9)要考虑到一些意外事故可能使试验部分或全部重新进行,需要尽可能地节省资金和时间。

2.高速瞬变现象的一般特性

对某一现象进行高速摄影研究,首先要了解被研究目标的运动特点,明确通过高速摄影后需要得到什么样的结果。通常需要了解以下几个方面的问题。

1.被摄目标的空间尺寸

为了跟摄影机的画幅尺寸一一对应起来,对被摄目标的空间特征尺寸定为长方体或圆柱体。而绝大部分高速摄像系统的画幅为长方形的,再考虑到成像有个深度范围,因此,它对应物体的空间特征尺寸为宽度×高度×深(W·H·D)。

不同运动状态的运动目标,其空间尺寸应做不同的考虑。对于没有空间扩展运动的目标,如通常的机械运动、火花放电、高速等离子体等被摄目标,往往可以看成是被固定在某一个特定的有限空间范围内,只要把研究者感兴趣的范围作为被摄目标的空间尺寸就可以了。但是,对于有空间扩展运动的目标来说,其空间尺寸就必须要考虑到摄影期间目标扩展的空间尺寸。例如炮弹的飞

行、炸药的爆炸等就必须要把摄影记录时间内目标运动区间计算在内。

确定了目标的空间尺寸以后,就可以选择摄影机物镜的焦距、摄影机的安置位置、画幅尺寸等参数。

2.目标的运动速度

目标的运动速度是决定摄影机参数的一个很重要的数据,通常认为,目标运动速度越大,就需要愈高的摄影频率。其实也并不其然,如显微高速摄影,即使被研究物体的运动速度并不很快,也要采用高速摄影;而对导弹飞行轨迹进行摄影时,则不需要很高的摄影频率。

3.目标变化的持续时间和特性周期

目标变化的持续时间或特性周期决定了摄影记录的有效时间。若目标运动是周期性出现的,如昆虫翅膀的振动、钟表机械的擒纵运动等,就有明显的特性周期。假设昆虫翅膀振动频率为100HZ,那么它的特性周期就为1/100s。对于另外一些非周期性运动的目标,如核弹的爆炸,即用持续时间来表征。假如,核物理科学家对核弹引爆时的1μs时间内变化情况最感兴趣,那么就需要把这1μs里爆心变化现象用高速摄影方法记录下来,我们就可以认为,这1μs即为目标运动的持续时间。

4.目标的亮度特性

根据目标的发光特性,可以分为自发光体和非自发光体。自发光体本身发出光能量,有的还发出很强的光能量,如爆炸、火花放电等;非发光体仅以自己的表面反射外界照明的光能量来传递光学信息的。

对于面发光体,其单位面积上向单位立体角发出的光通量叫亮度。对于非自发光体,外界的照明和表面反射特性决定了它被照明后的亮度特性。对于高速摄影来说,当然自发光体比非发光体要来得方便,不存在照明问题。对于有些发光亮度特别强的物体,如电弧的焰口,亮度高达熙提,在进行高速摄影试验时还需要用数块滤色镜把大部分光能量滤去,才能避免CCD的饱和以及出现光晕现象。但是对于一些非发光体,高速摄影时的照明问题是一个很伤脑筋的事。

3.安全

在实施过程中,还要考虑其安全性。因在实施中,记录的现象、摄像系统的位置以及相关设备都存在着严重的安全威胁。因此,在计划中对安全的考虑,理所当然是很重要的方面。像爆炸或炮弹的发射都明显具有危险,而在很多工业处理中,人和设备同样具有危险性。像散布的粒子、气体、火花等都会带来一些问题,这些必须预见到并加以保护。如果设备没有放置到合适的位置,运动的机器,如汽车就可能对摄像机和人造成伤害。在野外,干燥环境下坚硬的地面,在大雨后就可能变成沼泽地,从而导致三脚架倾覆,设备受损。

用户必须具备必要的知识,并在专家的指导下进行工作,还要意识到设备可能出现的危险。从远处操作摄像机或光源时,控制点必须在安全距离之外,并对摄像机及控制点的通信网络进行防护。控制时序和控制信号必须安全、可靠、准确。实施中必须协调光源也可能由于燃烧或电击而出现危险。在使用激光或高压电火花等光源时,就非常危险。因此使用激光、强的点光源,或紫外线光源,要特别小心。例如,如果物体用激光光源照明,在设备调试和调焦时就要特别注意。强光源会损伤眼睛,需要戴上防护镜加以保护。尽量通过屏幕来观察和调整参数,不要直接用裸眼去观察。防护镜必须可以滤掉激光的波长,从而使激光光束不能透过防护镜。当检查激光束在目标上的位置时,切记不要去掉防护镜。最好的办法是使用厚的防护镜,把激光强度削减到安全程度,从而更好地观察光束和进行设置。

在所有的实施过程中,都存在潜在的危险,这就需要使用者在方案中加以认真考虑。

4.内定标和外定标

在分析研究被记录的图像信息时,尤其要从画幅上得到全部位移信息,那么在画幅上至少要有两个固定的参考点,用它们作为测量模型运动的基准,这

就希望在被记录的视场范围内,在恰当的位置上有坐标。通常采用两对交叉线作标记,如图5.1所示。这与其他标志比较来说,有简明而清晰的优点。

它具备已知间隔距离的二点,以及一条铅垂线,就能有效的确定画幅记录的放大率和方向性。这就是图像的定标。

定标一般有两种,即外定标和内定标。

外定标:在目标附近设有标杆,标线或别的标记,使得在摄影记录时,模型和标记都同时成像并记录在画幅上,作为测量基准。通常用金属细丝紧绷在观察区域内,或者在背景板上划上标尺,这种方法适用于没有内定标的照相系统。当然这种方法由于标记和物面不重合而产生一些误差,但是相机振动影响大为减少。在近摄测量时,可放置一游标尺在目标上,另一部分放置在视场中静止不动的部位。

内定标:在相机内部光学系统中设置坐标板。因为在很多情况下,在物方不可能或不适宜安放标线,那就要求摄像系统内部能使画幅获得基准线,采用二次成像法和分光法可获得坐标线。

1.二次成像法

主物镜将模型成像在第一像面上,即分划板平面上(或狭缝光栏上),然后用一个转向物镜把模型的一次像连同分划线同时成像在画幅上。因为被研究的现象或模型的像平面与被成像的坐标平面重合,大大提高了扫描分辨率,这一点是十分重要的。

2.分光法

在物镜与补偿镜之间放一个分光器,使模型的成像光束和划分板的成像光束同时成像在焦面上。

如果标记同目标不在同一位置上,或摄像系统的景深不够,不能使二者同时清晰成像,可以采用一个辅助的光路,这种设置比较复杂,但有效可行。有两种方法可以采纳。

第一种,是把精确的标记板放置在摄像机的侧方,分光器以45°角放置在摄像机的前端,把网格板的图像反射到摄像机中,如图5.2所示。

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图5.2 使网格板的像同目标的像叠加在一起的方法

网格板的位置可以调整,保证目标到镜头的距离同网格板到镜头的光程相等,保证网格板同目标的运动平面垂直,分光器两个平面的夹角为45°,这种布置需要较大的场所,并需花费很长的时间去布置。

也可在高质量透明网格板的后方照明,使用透镜使其图像成在图像感应器上,如图5.3所示。同样要注意其布局及分光器的角度,但其参考系统就相对小了。要保证摄像系统中的网格线同目标的运动平面的实际线成严格的比例关系,这里网格提供了一个参考,包括在目标运动平面内的基准标尺标志。

第二种有用的参照物是采用光纤灯作为指示灯,可用作非常明亮的点光源,能精确地放置在一个平面内,并聚焦在目标平面内。可以用来作为目标的比例标记,提供静止参考点,用以确定目标在视场中的运动量。由于其自发光,而且足够亮,不需要光源的照明,在被烟雾部分遮挡视场后,仍可观察到。

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图5.3使用透明网格获得网格重叠图像的方法

当然内定标方法都会损失一部分光能量,仪器系统也较复杂一些,同时相机振动也会带来一些误差。

5.记录方式

高速摄像系统具有很多记录方式,这是胶片摄影机无法比拟的。目前的高速摄像系统最大的贡献就是可不断地循环记录,用最新的图像覆盖前面的图像直到触发后停止。其触发形式灵活,可精确地控制存储事件发生前后保存在DRAM中图像的数量。

在记录不可预测和间歇事件时,可选择连续记录、触发记录和指令记录(ROC)等多种方式。如图5.4所示。在很多记录方式中,功能最强大、也很少被理解并应用的就是指令记录方式。这种方式可按用户提供的信号有选择的记录图像。例如图5.5所示,摄像的目的是为了获得1000多幅盒子封口过程的图像。由于它的间断性而难以触发,采用转速计的脉冲驱动封口机,可获得精确的时间,当封口时用来指示准确的位置。这个计时脉冲用来限制进入高速摄像系统存储器的图像。如果脉冲出现,则使图像存入存储器中,在脉冲出现的间隔,则没有图像写入。因此,仅当盖子在准确的位置时图像才被写入,直到存储器满。

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图5.4 连续记录和指令记录模式

另外,如果脉冲的时间比单个画幅的时间长的话,运动的过程也可获得。也就是说,如果高速摄像系统的摄影频率为1000幅/s,脉冲的时间为5.5ms长,那么在每个脉冲期间,有5幅图像记录。

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图5.5拍摄封盖过程

使用DRAM存储器的高速摄像系统的另一种技术是外同步技术。这种记录方式由用户提供的信号来决定摄像系统的帧频。图5.5所示的应用也可以用来解释它的使用。在上述例子中,用户可以输入和测速计同步的频率。当频率发生变化时,捕获的图像和测速计在正反方向上同步。这样,盖子的任何运动方向都被观察到并被记录。由于运动较快的目标比运动较慢的目标需要更高的摄像频率,因此,记录的速度同目标的变化速度应成正比。这些应用包括:使用应变仪进行材料的变形实验,使用压力传感器进行内燃机的火焰燃烧试验,使用加速度计进行汽车碰撞试验,以及光敏传感器来检测爆炸的发生。这些都是基于DRAM存储器的高速摄像系统的独特工作方式。

6.电源

在实施计划中,一个最重要的方面是确保有足够的电源供给。在室内实验室进行摄像时,很容易获得大的电源功率,但在野外或比较远的场所工作时,提供合适功率的电源就成了主要问题。

在试验现场,电源用来驱动摄像机、光源和辅助设备。在工作前,必须检查交流电和直流电是否在设备要求的范围内,电源电流的供给是否满足要求,是否经过滤波和进行电压峰值保护。如果

电源功率不够,那么就必须备用便携式的发电机或电池。如果有电源插座,那么必须检查插座的结构和插头的形式,保证其正确的连接。

如果设备是由另外一个国家生产,则电压就有不同的要求,这时就必须使用电压调压器来得到合适的电压。

在多个摄像机和多个照明电源同时使用的场合,尽量从不同的电压输出口或发电机供电。如果其他的测量设备和摄像系统的电源相连,当所有系统开始工作时,电源的电压就会忽然下降,从而使摄像机提前启动或停止工作。

电缆的电压下降可以用以下简单的公式计算:

式中———压降(V);

———电缆长度(m);

r———电缆电阻(Ω);

I———电流(A)。

这个简单的公式非常适合使用直流电的设备,对使用交流电的设备有一定的局限性。为了确保交、直流电环境下都能可靠工作,扣除电缆上的压降保证电压控制在设备安全工作所允许的压降百分比内。

电缆长度的电阻Ω值可以从电子技术手册中查到。注意:如果表中指明是单根电缆每米的电阻,应对线路总长乘以2倍,以获得两根电缆线路的阻值,即给出了整个回路的压降。对于一定的电流,较小的电缆电阻就会有较低的压降,当电缆的导体截面积变大,电阻就会降低。因此,在应用中,应使用较粗的电缆。

如果通过电缆的压降较大,就必须检查照明光源的光强是否满足试验的要求。例如,充气钨灯,光的输出随电压的降低而变化的关系是

实际应用中,最好的办法是得到光强的实际数值,而非理论计算值。

7.环境的考虑

高速摄像系统是精密设备,系统设计时都提出了对使用环境的要求,如温度、振动等,如果在额定温度之外,或温度变化太大,都会使系统的工作性能发生很大的变化。最好的办法就是使系统工作在规定的使用环境中。

8.摄像机的布站和架设

在摄像系统的测试方案中,需考虑场地、观察点、环境以及防护等问题。下面列出了较重要的几点。

选用合适的镜头、物距及位置,给出适当大小的目标图像,以利于后期的分析处理。视场不要太大,满足要求就行。注意高速摄像系统除了高帧频记录事件外,系统只记录视场中人眼可观察到的目标,如果人眼无法看清的地方,摄像机也一样不能成像。这样,在实际应用中,用固定目标来确定视场的边界,并调整各项参数。

调整摄像机的位置使它的光轴同目标的运动平面垂直,即感应器的靶面同目标的运动面平行,这样才能减小测量数据误差。

摄像系统必须采取防护措施,避免飞行的粒子、爆炸物、火花和外部的影响带来的伤害。镜头的防护可采用防护玻璃加以保护,实施时,整个摄像系统可放置在一个密封的掩体中。当拍摄爆炸物时,系统应放置在防弹体或墙的后侧,在墙体上开有摄影口,目标通过反射镜进入镜头中。在有雾的环境中,镜头容易出现雾状物,一般可用干燥的氮气来清除。在雾气和灰尘较严重的环境,整个系统可用塑料袋包起来,并留出摄影口。

如果反射镜用来使目标的像反射到摄像机中,反射镜必须干净,并可靠地固定,以减小振动。摄像系统的架设稳定性能非常重要。在实际架设时,要采用各种措施保证系统的稳定,并采取必要的手段减小振动对系统的影响,在一些特殊的应用环境中,可使摄像系统固定在地基环上。如果摄像系统需要跟踪,就得考虑各种平衡,保证系统平稳跟踪。


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