Nie ma jednego oficjalnego parametru określającego prędkość, jaką powinny cechować się szybkie kamery. Na rynku dostępne są modele mogące rejestrować obraz z prędkością do nawet miliona klatek na sekundę. Jest to zdumiewający wynik, zarówno jeśli chodzi o możliwości matrycy, jak i przede wszystkim, ilości danych jakie urządzenie musi zapisać w ciągu jednej sekundy.  

Szybkie obrazowanie pozwala rejestrować i analizować procesy, które zachodzą zbyt szybko, aby mogły być oglądane gołym okiem. Po zarejestrowaniu materiału filmy są „rozciągane” tak, aby prędkość końcowego materiału wideo wynosiła standardowe 25-30 kl/s. Dzięki temu osiąga się tzw. efekt „slow motion”.

Obecnie technologia szybkiego obrazowania nabiera rozpędu. Coraz częściej można się z nią zetknąć zarówno w przemyśle, jak i w laboratoriach. Efekt „slow motion” można już nawet spotkać w wysokowydajnych smartfonach, gdzie pełni funkcję bardziej efektu wizualnego.

Kwestie techniczne

·       Matryca

Kamery szybkie, tak samo jak zwykłe kamery, ogniskują światło zebrane z otoczenia na sensorze, gdzie zamieniane jest na ładunek elektryczny. Szczególną rewolucję na rynku szybkiego obrazowania przyniosło opanowanie technologii CMOS. W przeciwieństwie do czujników CCD, w których każdy piksel przekształca światło, wchodzące przez obiektyw, na napięcie wysyłane z chipa przez ograniczoną liczbę węzłów wyjściowych (jeden do kilku), czujniki CMOS zawierają wzmacniacze i konwertery analogowo-analogowe (DAC) w chipie czujnika. Takie rozwiązanie, poza wyższą prędkością digitalizacji obrazu, pozwala także zaoszczędzić energię.

Matryce stosowane w kamerach szybkich często cechują się dużym rozmiarem pojedynczych pikseli. Konstrukcja ta pozwala zwiększyć czułość sensora i co za tym idzie ilość wychwytywanego światła. Taki zabieg jest stosowany ze względu na bardzo krótki czas ekspozycji z jakim rejestrują obraz kamery przy prędkości tysięcy fps.

W kamerach szybkich dominującym typem są matryce CMOS.

Alternatywą dla standardowych kamer obrazowych są kamery liniowe, w których prędkość akwizycji podawana jest nie w klatkach na sekundę, ale w częstotliwości w jakiej kilka linii pikseli zbiera obraz poruszających się obiektów. Krótki czas ekspozycji sprawia, że urządzenia te często współpracują z bardzo jasnymi oświetlaczami, tworząc systemy wizyjne.

·        Pamięć

Prędkość akwizycji 1000 fps w rozdzielczości 1280 x 800 pikseli oznacza, że w sekundę należy przesłać i zapisać 1000 obrazów w rozdzielczości HD. Ze względu na ograniczenia interfejsów omawiane kamery nie przesyłają obrazu do komputera w czasie rzeczywistym, tylko korzystają z własnej, wbudowanej pamięci. Pamięć ta także musi być wysokiej jakości – wbudowane dyski SSD nie oferują jeszcze prędkości, pozwalającej na bieżącą digitalizację. Do tego celu stosowane są pamięci SDRAM. W wysokiej klasy szybkich kamerach może mieć ona pojemność większą niż w niejednym komputerze. Stamtąd zapisany obraz jest już następnie przesyłany dalej, na dysk SSD lub do komputera. Warto jednak mieć na uwadze, że pamięć SDRAM o pojemności np. 128 GB może pozwolić na zapis tylko kilku sekund obrazu jednorazowo, jeśli rejestrujemy obraz w wysokiej rozdzielczości i z dużą prędkością.

Podsumowując, każdy element tworzący urządzenie przeznaczone do szybkiego obrazowania musi cechować się najwyższą jakością, dostępną w danej dziedzinie. To pokazuje jak trudnym jest samo zagadnienie i jak bardzo skomplikowanym urządzeniem może być kamera „high speed”.

Ograniczenia

Dziedzina szybkiego obrazowania musi mierzyć się także z innymi trudnościami. Prędkość akwizycji jest odwrotnie proporcjonalna do czasu naświetlania. Powoduje to potrzebę odpowiedniego doświetlenia sceny. W przeciwnym wypadku obraz może być mocno zaszumiony lub po prostu bardzo zaciemniony, w najgorszym wypadku na tyle, że nie będzie możliwa jego odpowiednia interpretacja. Na rynku można spotkać modele z wbudowanym źródłem światłą, zapobiegającym niechcianemu rozmyciu. Rozwiązanie to sprawia system bardziej kompaktowym, co jest szczególnie porządne przy częstej zmianie miejsca pracy urządzenia.

Ogromna ilość przetwarzanych danych stwarza także inne problemy. Kamery przeznaczone do szybkiego obrazowania mogą zapisywać obraz z najwyższą swoją prędkością tylko przy ograniczonej rozdzielczości. Istnieje zależność: im większa rozdzielczość tym niższy jest maksymalny dostępny frame rate. I na odwrót.

Dostępne rozwiązania

Na rynku dominują dwa rozwiązania: kamery współpracujące z komputerami oraz kamery mogące działać jako samodzielne urządzenie.

Kamery typu „PC-Connected” posiadają wewnętrzną pamięć SDRAM do szybkiego zapisywania obrazów. Przesyłają one podgląd na żywo o prędkości kilkudziesięciu klatek na sekundę do komputera klasy PC, podczas gdy obraz o dużej liczbie klatek na sekundę jest zapisywany w wewnętrznej pamięci SDRAM, do późniejszego pobrania. Kamery tego typu mogą być niewiele tańsze niż odpowiedniki z serii „Hand Held”, jednakże nie są one tak mobilne i wymagają połączenia z komputerem np. poprzez interfejs Gigabit Ethernet. Z tych powodów są bardziej zalecane dla zastosowań stacjonarnych.

Kamery typu hand held są mobilne i nie wymagają połączenia z komputerem klasy PC. Posiadają wewnętrzną pamięć SDRAM do szybkiego zapisu, wbudowane dyski SSD do przechowywania obrazów oraz możliwość podglądu na żywo. Ponadto, często wyposażone są ekran do podglądu obrazu na bieżąco oraz silne źródło światła zapobiegające rozmyciu obrazu przy krótkich czasach ekspozycji. Ich dodatkową zaletą jest możliwość połączenia kamery z komputerem klasy PC w ten sam sposób jak kamery klasy PC Connected. Kamery hand held świetnie sprawdzą się tam, gdzie mają być używane do rejestrowania różnych procesów w różnych miejscach.

Zastosowania

Szybkie obrazowanie służy do rejestracji procesów i zjawisk zbyt dynamicznych dla ludzkiego zmysłu wzroku. Dzięki temu znajdują zastosowanie na wielu polach zarówno w przemyśle jak i nauce. Bardzo często kamery „high speed” są stosowane do analizy szybkich procesów zachodzących na taśmach produkcyjnych. Niosą również nieocenioną pomoc np. przy przeprowadzaniu testów zderzeniowych samochodów czy też w balistyce. Szybkie obrazowanie jest także obecne przy obserwacji procesów biologicznych, chemicznych i w laboratoriach. Okazuje się być również owocne przy pomiarze drgań o wysokiej częstotliwości i niskiej amplitudzie.

Warto mieć na uwadze, że poza informacjami o procesie, obraz „slow motion” niesie również ciekawy efekt wizualny. Właśnie pod tym kątem szybkie kamery coraz częściej znajdują zastosowanie w dziedzinie rozrywki. Są wykorzystywane w telewizji, nagrywaniu teledysków oraz w sporcie.  

Oferta firmy AVICON obejmuje specjalne usługi integracyjne w zakresie obrazowania szybkich procesów, gdzie podstawowym parametrem systemu jest ilość klatek na sekundę. Dysponujemy rozwiązaniami stacjonarnymi i przenośnymi (handheld) w zakresach częstotliwości akwizycji od 100 nawet do 100tys. klatek/s.

Nasze rozwiązania pracują w wielu korporacjach między innymi:

·        3M

·        Colgate-Palmolive

·        Phillip Morris

·        Ball Packaging

·        Politechnika Gdańska

·        ETC PZL Aerospace

·        International Paper Kwidzyn