Câmera de alta velocidade - High-speed camera

Veja também: Fotografia de alta velocidade § Câmeras de filme de alta velocidade

Uma câmera de alta velocidade é um dispositivo capaz de capturar imagens em movimento com exposições de menos de 1 / 1.000 segundos ou taxas de quadros superiores a 250 fps . É usado para gravar objetos em movimento rápido como imagens fotográficas em um meio de armazenamento. Após a gravação, as imagens armazenadas na mídia podem ser reproduzidas em câmera lenta . As primeiras câmeras de alta velocidade usavam filme para registrar os eventos de alta velocidade, mas foram substituídas por dispositivos inteiramente eletrônicos usando um dispositivo de carga acoplada (CCD) ou um sensor de pixel ativo CMOS , gravando, normalmente, mais de 1.000 fps em DRAM , para ser reproduzido lentamente para estudar o movimento para o estudo científico de fenômenos transitórios.

Visão geral

Uma câmera de alta velocidade pode ser classificada como:

  1. Uma câmera de filme de alta velocidade que grava para filmar,
  2. Uma câmera de vídeo de alta velocidade que grava na memória eletrônica,
  3. Uma câmera de enquadramento de alta velocidade que grava imagens em vários planos de imagem ou vários locais no mesmo plano de imagem (geralmente filme ou uma rede de câmeras CCD),
  4. Uma câmera fotográfica de alta velocidade que grava uma série de imagens em linha para filme ou memória eletrônica.

Um filme normal é reproduzido a 24 quadros por segundo , enquanto a televisão usa 25 quadros / s ( PAL ) ou 29,97 quadros / s ( NTSC ). Câmeras de filme de alta velocidade podem filmar até um quarto de milhão de fps ao passar o filme sobre um prisma giratório ou espelho em vez de usar um obturador , reduzindo assim a necessidade de parar e iniciar o filme atrás de um obturador que rasgaria o estoque do filme em tais velocidades. Usando esta técnica, um segundo de ação pode ser estendido para mais de dez minutos de reprodução (câmera super lenta). As câmeras de vídeo de alta velocidade são amplamente utilizadas em pesquisas científicas, testes e avaliações militares e na indústria. Exemplos de aplicações industriais são filmar uma linha de manufatura para ajustar melhor a máquina ou, na indústria automobilística, filmar um teste de colisão para investigar o efeito nos passageiros manequins e no automóvel . Hoje, a câmera digital de alta velocidade substituiu a câmera de filme usada para testes de impacto em veículos.

Vídeo de Schlieren de um evento balístico intermediário de um cartucho de projétil. Nathan Boor, Aimed Research.

Séries de televisão como MythBusters e Time Warp costumam usar câmeras de alta velocidade para mostrar seus testes em câmera lenta. Salvar as imagens de alta velocidade gravadas pode ser demorado porque, a partir de 2017, as câmeras de consumo têm resoluções de até quatro megapixels com taxas de quadros de mais de 1.000 por segundo, que gravam a uma taxa de 11 gigabytes por segundo. Tecnologicamente, essas câmeras são muito avançadas, mas salvar imagens requer o uso de interfaces padrão de vídeo-computador mais lentas. Embora a gravação seja muito rápida, salvar as imagens é consideravelmente mais lento. Para reduzir o espaço de armazenamento necessário e o tempo necessário para as pessoas examinarem uma gravação, apenas as partes de uma ação que são de interesse ou relevância podem ser selecionadas para filmar. Ao registrar um processo cíclico para análise de decomposição industrial, apenas a parte relevante de cada ciclo é filmada.

Um problema para câmeras de alta velocidade é a exposição necessária para o filme; uma luz muito brilhante é necessária para filmar a 40.000  fps , às vezes levando à destruição do objeto de exame devido ao calor da iluminação. A filmagem monocromática (preto e branco) às vezes é usada para reduzir a intensidade de luz necessária. Imagens em velocidades ainda mais altas são possíveis usando sistemas especializados de imagem de dispositivo eletrônico de carga acoplada (CCD), que podem atingir velocidades de mais de 25 milhões de fps . Essas câmeras, no entanto, ainda usam espelhos giratórios, como suas contrapartes de filme mais antigas. As câmeras de estado sólido podem atingir velocidades de até 10 milhões de fps . Todo o desenvolvimento em câmeras de alta velocidade agora está focado em câmeras de vídeo digitais, que apresentam muitos benefícios operacionais e de custo em relação às câmeras de filme.

Em 2010, os pesquisadores construíram uma câmera expondo cada quadro por dois trilionésimos de segundo ( picossegundos ), para uma taxa de quadros efetiva de meio trilhão de fps ( femto-fotografia ). Câmeras modernas de alta velocidade operam convertendo a luz incidente ( fótons ) em um fluxo de elétrons que são então desviados para um fotoanodo , de volta para fótons, que podem então ser gravados em filme ou CCD.

Usos na televisão

  • O show MythBusters usa principalmente câmeras de alta velocidade para medir velocidade ou altura.
  • O Time Warp foi centrado no uso de câmeras de alta velocidade para desacelerar coisas que geralmente são muito rápidas para serem vistas a olho nu.
  • Câmeras de alta velocidade são freqüentemente usadas em produções de televisão de muitos eventos esportivos importantes para replays instantâneos em câmera lenta quando a câmera lenta normal não é lenta o suficiente, como partidas internacionais de críquete .

Usos na ciência

Câmeras de alta velocidade são freqüentemente usadas na ciência para caracterizar eventos que acontecem muito rápido para as velocidades tradicionais de filme. A biomecânica emprega essas câmeras para capturar movimentos de animais em alta velocidade, como pular de rãs e insetos, alimentar-se de peixes por sucção , greves de camarão mantis e o estudo aerodinâmico de movimentos semelhantes a helicópteros de pombos usando análise de movimento das sequências resultantes de uma ou mais câmeras para caracterizar o movimento em 2-D ou 3-D.

A passagem do filme para a tecnologia digital reduziu muito a dificuldade de uso dessas tecnologias com comportamentos imprevisíveis, especificamente por meio do uso de gravação contínua e pós-disparo. Com câmeras de filme de alta velocidade, um investigador deve iniciar o filme e então tentar induzir o animal a realizar o comportamento no curto espaço de tempo antes de o filme acabar, resultando em muitas sequências inúteis em que o animal se comporta tarde demais ou não se comporta de todo. Em câmeras digitais modernas de alta velocidade, a câmera pode simplesmente gravar continuamente enquanto o investigador tenta desencadear o comportamento, após o qual um botão de gatilho irá parar a gravação e permitir que o investigador salve um determinado intervalo de tempo antes e depois do gatilho (determinado por taxa de quadros, tamanho da imagem e capacidade de memória durante a gravação contínua). A maioria dos softwares permite salvar um subconjunto de quadros gravados, minimizando problemas de tamanho de arquivo, eliminando quadros inúteis antes ou depois da sequência de interesse. Esse acionamento também pode ser usado para sincronizar a gravação em várias câmeras.

A explosão de metais alcalinos em contato com a água foi estudada usando uma câmera de alta velocidade. A análise quadro a quadro de uma liga de sódio / potássio explodindo na água, combinada com simulações de dinâmica molecular, sugeriu que a expansão inicial pode ser o resultado de uma explosão de Coulomb e não da combustão de gás hidrogênio como se pensava anteriormente.

As filmagens de câmeras digitais de alta velocidade têm contribuído fortemente para a compreensão dos raios quando combinados com instrumentação de medição de campo elétrico e sensores que podem mapear a propagação de líderes de raios por meio da detecção de ondas de rádio geradas por esse processo.

Usos na indústria

Ao passar da manutenção reativa para a manutenção preditiva , é crucial que as avarias sejam realmente compreendidas. Uma das técnicas básicas de análise é usar câmeras de alta velocidade para caracterizar eventos que acontecem muito rápido para serem vistos, por exemplo, durante a produção. Semelhante ao uso na ciência, com uma capacidade de pré ou pós-disparo, a câmera pode simplesmente gravar continuamente enquanto o mecânico espera a ocorrência da falha, após o que um sinal de disparo (interno ou externo) irá interromper a gravação e permitir que o investigador salve um determinado intervalo de tempo antes do acionamento (determinado pela taxa de quadros, tamanho da imagem e capacidade de memória durante a gravação contínua). Alguns softwares permitem visualizar os problemas em tempo real, exibindo apenas um subconjunto de frames gravados, minimizando o tamanho do arquivo e problemas de tempo de exibição, eliminando frames inúteis antes ou depois da sequência de interesse.

Câmeras de vídeo de alta velocidade são usadas para ampliar outras tecnologias industriais, como radiografia de raios-x. Quando usadas com a tela de fósforo adequada, que converte os raios X em luz visível, as câmeras de alta velocidade podem ser usadas para capturar vídeos de raios X de alta velocidade de eventos dentro de dispositivos mecânicos e espécimes biológicos. A velocidade da imagem é limitada principalmente pela taxa de decaimento da tela de fósforo e pelo ganho de intensidade, que tem uma relação direta com a exposição da câmera. As fontes de raios X pulsados ​​limitam a taxa de quadros e devem ser sincronizadas corretamente com as capturas de quadros da câmera.

Usos na guerra

Em 1950, Morton Sultanoff , um engenheiro do Exército dos EUA no Campo de Provas de Aberdeen, inventou uma câmera super alta velocidade que tirava fotos a um milionésimo de segundo e era rápida o suficiente para registrar a onda de choque de uma pequena explosão. Câmeras digitais de alta velocidade têm sido usadas para estudar como as minas lançadas do ar serão implantadas em regiões próximas à costa, incluindo o desenvolvimento de vários sistemas de armas. Em 2005, câmeras digitais de alta velocidade com resolução de 4 megapixels, gravando a 1500 fps , estavam substituindo as câmeras de filme de alta velocidade de 35 mm e 70 mm usadas em montagens de rastreamento em faixas de teste que capturam interceptos balísticos.

Veja também

Referências