Cámara de alta velocidad

Una cámara de alta velocidad es un dispositivo capaz de capturar imágenes en movimiento con exposiciones de menos de 1 / 1.000 segundos o velocidades de cuadro superiores a 250 cuadros por segundo. [1] Se utiliza para grabar objetos que se mueven rápidamente como imágenes fotográficas en un medio de almacenamiento. Después de la grabación, las imágenes almacenadas en el soporte se pueden reproducir a cámara lenta . Las primeras cámaras de alta velocidad usaban película para grabar los eventos de alta velocidad, pero fueron reemplazadas por dispositivos completamente electrónicos que usaban un dispositivo de carga acoplada (CCD) o un sensor de píxeles activos CMOS , grabando, por lo general, más de 1,000 cuadros por segundo en DRAM., que se reproducirá lentamente para estudiar el movimiento para el estudio científico de fenómenos transitorios. [2]

Una cámara de alta velocidad se puede clasificar como:

  1. Una cámara de película de alta velocidad que graba en película,
  2. Una cámara de video de alta velocidad que graba en la memoria electrónica,
  3. Una cámara de encuadre de alta velocidad que graba imágenes en múltiples planos de imagen o en múltiples ubicaciones en el mismo plano de imagen [3] (generalmente película o una red de cámaras CCD),
  4. Una cámara de rayas de alta velocidad que graba una serie de imágenes del tamaño de una línea en una película o en una memoria electrónica.

Una película de imagen en movimiento normal se reproduce a 24 fotogramas por segundo , mientras que la televisión usa 25 fotogramas / s ( PAL ) o 29,97 fotogramas / s ( NTSC ). Las cámaras de película de alta velocidad pueden filmar hasta un cuarto de millón de fotogramas por segundo pasando la película sobre un prisma o espejo giratorio en lugar de usar un obturador , lo que reduce la necesidad de detener e iniciar la película detrás de un obturador que rompería el material de película a tales velocidades. Con esta técnica, un segundo de acción puede extenderse a más de diez minutos de tiempo de reproducción (cámara superlenta). Las cámaras de video de alta velocidad se utilizan ampliamente para la investigación científica, [4] [5] pruebas y evaluaciones militares, [6] y la industria. [7] Ejemplos de aplicaciones industriales son filmar una línea de fabricación para afinar mejor la máquina, o en la industria del automóvil filmar una prueba de choque para investigar el efecto sobre los pasajeros simulados y el automóvil . Hoy en día, la cámara digital de alta velocidad ha reemplazado a la cámara de película utilizada para las pruebas de impacto de vehículos. [8]

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Video de Schlieren de un evento balístico intermedio de un cartucho de cartucho. Nathan Boor, Investigación dirigida.

Las series de televisión como MythBusters y Time Warp suelen utilizar cámaras de alta velocidad para mostrar sus pruebas en cámara lenta. Guardar las imágenes grabadas a alta velocidad puede llevar mucho tiempo porque a partir de 2017, las cámaras de consumo tienen resoluciones de hasta cuatro megapíxeles con velocidades de cuadro de más de 1.000 por segundo, que grabarán a una velocidad de 11 gigabytes por segundo. Tecnológicamente, estas cámaras son muy avanzadas, sin embargo, guardar imágenes requiere el uso de interfaces de video-computadora estándar más lentas. [9] Si bien la grabación es muy rápida, el almacenamiento de imágenes es considerablemente más lento. Para reducir el espacio de almacenamiento necesario y el tiempo necesario para que las personas examinen una grabación, solo se pueden seleccionar para filmar las partes de una acción que sean de interés o relevancia. Al registrar un proceso cíclico para el análisis de averías industriales, solo se filma la parte relevante de cada ciclo.

Un problema de las cámaras de alta velocidad es la exposición necesaria para la película; Se necesita una luz muy brillante para poder filmar a 40.000 fps, lo que a veces lleva a que el objeto de examen se destruya debido al calor de la iluminación. A veces se utiliza filmación monocromática (blanco y negro) para reducir la intensidad de luz requerida. Es posible obtener imágenes a mayor velocidad utilizando sistemas de imágenes de dispositivos electrónicos de carga acoplada (CCD), que pueden alcanzar velocidades de más de 25 millones de fps. Sin embargo, estas cámaras todavía usan espejos giratorios, como sus contrapartes de películas más antiguas. Las cámaras de estado sólido pueden alcanzar velocidades de hasta 10 millones de fps. [10] [11] Todo el desarrollo de las cámaras de alta velocidad se centra ahora en las cámaras de vídeo digitales, que tienen muchas ventajas operativas y económicas en comparación con las cámaras de película.

En 2010, los investigadores construyeron una cámara que exponía cada fotograma durante dos billonésimas de segundo ( picosegundos ), para una velocidad de fotogramas efectiva de medio billón de fps ( femto-fotografía ). [12] [13] Las cámaras modernas de alta velocidad funcionan convirtiendo la luz incidente ( fotones ) en una corriente de electrones que luego se desvían hacia un fotoanodo , de vuelta a fotones, que luego pueden grabarse en una película o en un CCD.

  • El programa MythBusters utiliza de manera prominente cámaras de alta velocidad para medir la velocidad o la altura.
  • Time Warp se centró en el uso de cámaras de alta velocidad para ralentizar las cosas que suelen ser demasiado rápidas para verlas a simple vista.
  • Cámaras de alta velocidad se utilizan con frecuencia en producciones de televisión de muchos de los principales eventos deportivos de cámara lenta repeticiones instantáneas cuando el movimiento lento normal no es lo suficientemente lenta, como internacionales Cricket partidos. [14]

Las cámaras de alta velocidad se utilizan con frecuencia en la ciencia para caracterizar eventos que ocurren demasiado rápido para las velocidades de película tradicionales. La biomecánica emplea este tipo de cámaras para capturar movimientos de animales a alta velocidad, como saltos de ranas e insectos, [15] alimentación por succión en peces, los golpes de camarón mantis y el estudio aerodinámico de los movimientos de las palomas en helicóptero [16] utilizando el movimiento. análisis de las secuencias resultantes de una o más cámaras para caracterizar el movimiento en 2-D o 3-D.

El paso de la película a la tecnología digital ha reducido en gran medida la dificultad en el uso de estas tecnologías con comportamientos impredecibles, específicamente mediante el uso de grabación continua y activación posterior. Con las cámaras de película de alta velocidad, un investigador debe comenzar la película y luego intentar atraer al animal para que realice el comportamiento en el corto tiempo antes de que se acabe la película, lo que resulta en muchas secuencias inútiles en las que el animal se comporta demasiado tarde o no se comporta en absoluto. En las cámaras digitales modernas de alta velocidad, [17] la cámara puede simplemente grabar continuamente mientras el investigador intenta obtener el comportamiento, después de lo cual un botón de disparo detendrá la grabación y permitirá al investigador guardar un intervalo de tiempo determinado antes y después del disparo. (determinado por la velocidad de fotogramas, el tamaño de la imagen y la capacidad de memoria durante la grabación continua). La mayoría del software permite guardar un subconjunto de fotogramas grabados, minimizando los problemas de tamaño de archivo al eliminar fotogramas inútiles antes o después de la secuencia de interés. Esta activación también se puede utilizar para sincronizar la grabación en varias cámaras.

La explosión de metales alcalinos en contacto con el agua se ha estudiado utilizando una cámara de alta velocidad. El análisis fotograma a fotograma de una aleación de sodio / potasio que explota en agua, combinado con simulaciones de dinámica molecular, sugirió que la expansión inicial puede ser el resultado de una explosión de Coulomb y no la combustión de gas hidrógeno como se pensaba anteriormente. [18]

Las imágenes de las cámaras digitales de alta velocidad han contribuido en gran medida a la comprensión de los rayos cuando se combinan con instrumentos y sensores de medición de campo eléctrico que pueden mapear la propagación de los rayos mediante la detección de ondas de radio generadas por este proceso. [19]

Al pasar del mantenimiento reactivo al mantenimiento predictivo , es fundamental que se comprendan realmente las averías. Una de las técnicas de análisis básicas es utilizar cámaras de alta velocidad para caracterizar eventos que ocurren demasiado rápido para verlos, por ejemplo, durante la producción. Similar al uso en ciencia, con una capacidad de activación previa o posterior, la cámara puede simplemente grabar de forma continua mientras el mecánico espera a que ocurra la avería, después de lo cual una señal de activación (interna o externa) detendrá la grabación y permitirá al investigador guardar un intervalo de tiempo determinado antes del disparo (determinado por la velocidad de fotogramas, el tamaño de la imagen y la capacidad de memoria durante la grabación continua). Algunos programas permiten ver los problemas en tiempo real, mostrando solo un subconjunto de cuadros grabados, minimizando el tamaño del archivo y los problemas de tiempo de visualización al eliminar los cuadros inútiles antes o después de la secuencia de interés.

Las cámaras de video de alta velocidad se utilizan para mejorar otras tecnologías industriales, como la radiografía de rayos X. Cuando se usa con la pantalla de fósforo adecuada que convierte los rayos X en luz visible, las cámaras de alta velocidad se pueden usar para capturar videos de rayos X de alta velocidad de eventos dentro de dispositivos mecánicos y muestras biológicas. La velocidad de la imagen está limitada principalmente por la tasa de disminución de la pantalla de fósforo y la ganancia de intensidad, que tiene una relación directa con la exposición de la cámara. Las fuentes de rayos X pulsadas limitan la velocidad de fotogramas y deben sincronizarse correctamente con las capturas de fotogramas de la cámara. [20]

En 1950, Morton Sultanoff , un ingeniero del ejército de los EE. UU. En el campo de pruebas de Aberdeen, inventó una cámara de súper alta velocidad que tomaba fotogramas a una millonésima de segundo y era lo suficientemente rápida como para registrar la onda de choque de una pequeña explosión. [21] Se han utilizado cámaras digitales de alta velocidad para estudiar cómo las minas lanzadas desde el aire se desplegarán en regiones cercanas a la costa, [22] incluido el desarrollo de varios sistemas de armas. En 2005, las cámaras digitales de alta velocidad con una resolución de 4 megapíxeles, que grababan a 1500 fps, estaban reemplazando las cámaras de película de alta velocidad de 35 mm y 70 mm que se usaban para rastrear monturas en rangos de prueba que capturan intercepciones balísticas. [23]

  • Vídeo de alta velocidad de fotogramas
  • Camara lenta
  • Photron (cámaras de alta velocidad FASTCAM de Photron)
  • Vision Research Phantom (cámaras fantasmas de alta velocidad de Vision Research)
  • Mikrotron (cámaras de alta velocidad)
  • Fotografía de alta velocidad
  • Cámara rapatrónica
  • Modo ráfaga (fotografía)
  • Hubert Schardin

  1. ^ Revista de la sociedad de ingenieros cinematográficos: fotografía de alta velocidad, prefacio p.5, marzo de 1949
  2. ^ "Imágenes electrónicas de alta velocidad de fotogramas" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 4 de marzo de 2016 . Consultado el 7 de marzo de 2010 .
  3. ^ "Tutoriales de cámaras de alta velocidad" .
  4. ^ investigación científica Chen, Xianfeng (2012). "Efecto de las relaciones CH4-aire sobre la microestructura de llama de explosión de gas y los comportamientos de propagación" . Energías . 5 (10): 4132–4146. doi : 10.3390 / en5104132 .
  5. ^ investigación científica Anderson, Christopher V. (2010). "La proyección balística de la lengua en los camaleones mantiene un alto rendimiento a baja temperatura" (PDF) . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 107 (12): 5495–5499. doi : 10.1073 / pnas.0910778107 . PMC  2851764 . PMID  20212130 . Consultado el 2 de febrero de 2010 .
  6. ^ Chu, Dr. Peter C. (4 de mayo de 2006). "Experimento de caída de mina no cilíndrica" (PDF) . Séptimo Simposio Internacional sobre Tecnología y Problema de Minas, NPS, Monterey, California, EE. UU.
  7. ^ "Cámara de fotrones honrada por la sociedad japonesa de ingenieros mecánicos" . Revista de calidad . Consultado el 23 de enero de 2008 .
  8. ^ Reemplazo de cámaras de película de 16 mm por cámaras digitales de alta definición
  9. ^ REVISIÓN: Cámaras de alta velocidad, 4 de enero de 2011
  10. ^ https://www.shimadzu.com/an/test/hpv/hpv-x2/index.html
  11. ^ Brandaris 128: una cámara digital de 25 millones de fotogramas por segundo con 128 fotogramas de alta sensibilidad
  12. ^ Velten, Andreas; Lawson, Everett; Bardagjy, Andrew; Bawendi, Moungi; Raskar, Ramesh (13 de diciembre de 2011). "Arte lento con un billón de fotogramas por segundo de cámara" . Visualización de la luz en trillones de FPS, Camera Culture, MIT Media Lab . Web.media.mit.edu. pag. 1. doi : 10.1145 / 2037715.2037730 . ISBN 9781450309714. S2CID  9641010 . Consultado el 4 de octubre de 2012 . Trabajo apoyado por becas de investigación en 2009 y 2010.
  13. ^ Velten, Andreas; Di Wu; Adrian Jarabo; Belen Masia; Christopher Barsi; Chinmaya Joshi; Everett Lawson; Moungi Bawendi; Diego Gutiérrez; Ramesh Raskar (julio de 2013). "Femto-fotografía: captura y visualización de la propagación de la luz" (PDF) . Transacciones ACM en gráficos . 32 (4). doi : 10.1145 / 2461912.2461928 . hdl : 1721,1 / 82039 . S2CID  14478222 . Consultado el 21 de noviembre de 2013 .
  14. ^ "Las cámaras de alta velocidad NAC son opciones populares para la radiodifusión europea" . Consultado el 8 de octubre de 2010 .
  15. ^ Kesel, Antonia B. "Cuantificación de la reacción de aterrizaje de las cucarachas" (PDF) . Universidad de Ciencias Aplicadas de Bremen . Consultado el 15 de diciembre de 2009 .
  16. ^ Ros, Ivo G .; Bassman, Lori C .; Badger, Marc A .; Pierson, Alyssa N .; Biewener, Andrew A. (13 de diciembre de 2011). "Las palomas se dirigen como helicópteros y generan elevación hacia abajo y hacia arriba durante los giros a baja velocidad" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 108 (50): 19990–19995. Código bibliográfico : 2011PNAS..10819990R . doi : 10.1073 / pnas.1107519108 . ISSN  0027-8424 . PMC  3250151 . PMID  22123982 .
  17. ^ Balch, Kris S. (16 de septiembre de 1990). "Analizador de movimiento de cuarta generación". XIX Congreso Internacional de Fotografía y Fotónica de Alta Velocidad . Proc. SPIE 1358, XIX Congreso Internacional de Fotografía y Fotónica de Alta Velocidad . 1358 . págs. 373–398. doi : 10.1117 / 12.23937 . ISBN 9780819404190.
  18. ^ Mason, Philip E .; Uhlig, Frank; Vaněk, Václav; Buttersack, Tillmann; Bauerecker, Sigurd; Jungwirth, Pavel (1 de marzo de 2015). "Explosión de coulombios durante las primeras etapas de la reacción de metales alcalinos con agua". Química de la naturaleza . 7 (3): 250-254. Código Bibliográfico : 2015NatCh ... 7..250M . doi : 10.1038 / nchem.2161 . ISSN  1755-4330 . PMID  25698335 .
  19. ^ "Educación" . Investigación ZT . 2017-05-06 . Consultado el 8 de septiembre de 2018 .
  20. ^ "Servicios de imágenes de alta velocidad - Investigación dirigida" .
  21. ^ Mecánica popular "Super Speed ​​Camera Films Shock Wave" , octubre de 1950, p. 158.
  22. ^ desarrollo de armas Chu, Dr. Peter C. "Experimento de caída de mina no cilíndrica" (PDF) . Séptimo Simposio Internacional sobre Tecnología y Problema de Minas, NPS, Monterey, California, EE . UU . Consultado el 4 de mayo de 2006 .. Mediante el uso de cámaras digitales de alta velocidad para grabar y reproducir las imágenes en cámara lenta, la trayectoria de una mina que ingresa al agua se puede optimizar para lograr precisión ajustando la forma de la mina y el ángulo de entrada al agua. Hay muchos casos de cámaras digitales de alta velocidad que se utilizan para estudiar balística de armas de fuego. "Efectos de heridas de arma de fuego debido a la velocidad de rotación de la bala" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 22 de diciembre de 2013 . Consultado el 18 de febrero de 2013 .
  23. ^ Bridges, Andrew (1 de agosto de 2005). "VISTA DE LA INDUSTRIA: Los campos de pruebas militares hacen el cambio de la película a la imagen digital" . Revista de Electrónica Militar y Aeroespacial . Consultado el 1 de agosto de 2005 .