Vysokorychlostní kamera v akci
11.11.2010, Tomáš Mejzlík, návod
Téma vysokorychlostního záznamu je populární a my vám ho dnes přinášíme ve velmi pohodovém duchu se spoustou videí a komentářů z první ruky. Hlubší vědecké úvahy a teorie si tentokrát necháme od cesty a nebudeme jimi nikoho zatěžovat.
Kapitoly článku:
- Vysokorychlostní kamera v akci
- Praktické využití, průběh natáčení
- Ukázky vysokorychlostních klipů, závěr
Videoklipy rychlých dějů natočené vysokorychlostní kamerou jsou vizuálně přitažlivé, daleko větší význam však mají v technické praxi, kde se používají k analýze i optimalizaci výroby a zpracování produktů. Stručně se podíváme na teorii záznamu, důležité parametry kamery a využití vysokorychlostních klipů. Následně si rozebereme kompletní postup samotného natáčení a podělíme se s vámi o praktické poznatky získané při tvorbě maturitní práce na téma Záznam dějů vysokorychlostní kamerou.
Společnost filmových a televizních techniků (SMPTE) v roce 1948 definovala tzv. vysokorychlostní fotografii jako skupinu po sobě jdoucích snímků zachycených s rychlostí alespoň 128 snímků/s. Lidské oko je schopné zachytit přibližně 20–25 obrázků/s. Pokud tato čísla porovnáme, zjistíme, že základní rychlost snímkování nám umožní děj pozorovat s asi šestinásobným zpomalením. Současné nejmodernější kamery pro vysokorychlostní záznam dokážou toto číslo znásobit řádově i 10 000 ×.
Připomeňme si důležité milníky v historii vysokorychlostních kamer:
V následujícím klipu na YouTube je záznam s frekvencí jeden milion snímků za sekundu. Jedná se o jeden z „nejzpomalenějších“ videoklipů současnosti – je zpomalen 40 000 ×. Celý desetiminutový klip tedy ve skutečnosti trvá asi 0,015 s.
Cesta skrze kameru se dá rozdělit do pěti částí. V první dochází k transformaci obrazu pomocí čoček a zrcadel, pak následuje separace barev pomocí filtrů. Dále dochází ke generaci elektrických signálů pro jednotlivé body, a nakonec se ze signálů vytvoří digitální data. Data se většinou nezapisují přímo na paměťovou kartu nebo pevný disk, ale na rychlou interní paměť, ze které jsou v případě spokojenosti archivována až následně.
O první čtyři kroky se stará obrazový senzor využívající čip CCD nebo CMOS. Oba senzory využívají fotocitlivé buňky umístěné na ploše čipu, které zaznamenají proud fotonů, a podle jeho velikosti určí jas obrazu. A oba čipy také využívají barevné filtry sloužící k rozdělení obrazu na 3 základní barevné složky: červenou, zelenou a modrou. Pokud známe v každém dostatečně malém bodě jas zelené, červené a modré barvy, jsme schopni zobrazit všechny barvy vnímatelné lidským zrakem.
Specializovaná kamera pro vysokorychlostní záznam obrazu Olympus i-speed 2.
První rozdíl v ovou technologiích snímání obrazu se objevuje při zpracování dat z čipu. CCD nemá v okolí buňky žádnou elektroniku a signály odchází postupně z jednotlivých buněk do řídící elektroniky. CMOS disponuje u každé buňky jednoduchým obvodem, který se stará o zesílení a přenos signálu do procesoru pro každou buňku zvlášť. I proto je světlocitlivá plocha jednotlivých buněk na CMOS menší než u CCD, ale na druhou stranu to umožňuje zmenšení počtu obvodů, které musejí signál zpracovávat po odchodu ze snímače. CMOS technologie je tedy celkově méně náročná na prostor, ale i na odběr elektrické energie.
Důležitým parametrem, který markantně ovlivňuje nároky na výsledný datový tok, je rozlišení obrazu. Sděluje nám, kolik bodů dokáže kamera zaznamenat a tím pak určuje kvalitu a velikost obrazu, také však velikost záznamu. Momentální vysokorychlostní kamery dokážou maximálně full HD rozlišení 1920 × 1080 px. Vynásobením zjistíme, že jeden snímek má v nekomprimované podobě velikost 6 MB (3 barevné složky, každá s hloubkou 8 bitů), takže 1 s záznamu s rychlostí 2000 snímků/s zabírá téměř 12 GB paměti.
Z hlediska světelných nároků patří mezi hlavní parametry rychlost závěrky, nebo přesněji expoziční čas, který vyjadřuje dobu, po kterou musí být vystaven snímač dopadu světla, aby byla dosažena správná expozice. U vysokorychlostních kamer tato hodnota markantně ovlivňuje maximální počet snímků/s. Aby byl záznam vysokorychlostní, musí být rychlost závěrky menší než 7,8 ms. Průměrné závěrky vysokorychlostních kamer jsou nuceny „mrkat“ v intervalech 100µs a méně, za tak krátkou dobu nestihnou pochytat dostatek světla, a proto je nezbytné dodatečné osvětlení snímaného předmětu, vyjma předmětů nebo dějů, které jsou samy zdrojem světla (zapalovač, elektrický výboj, výbušniny,...).
Vysokorychlostní záznam
Společnost filmových a televizních techniků (SMPTE) v roce 1948 definovala tzv. vysokorychlostní fotografii jako skupinu po sobě jdoucích snímků zachycených s rychlostí alespoň 128 snímků/s. Lidské oko je schopné zachytit přibližně 20–25 obrázků/s. Pokud tato čísla porovnáme, zjistíme, že základní rychlost snímkování nám umožní děj pozorovat s asi šestinásobným zpomalením. Současné nejmodernější kamery pro vysokorychlostní záznam dokážou toto číslo znásobit řádově i 10 000 ×.
Připomeňme si důležité milníky v historii vysokorychlostních kamer:
- 1980 – První vysokorychlostní kamera využívající VHS záznam (HSV-200).
- 1983 – První vysokorychlostní kamera specializována pro vojenské účely (FHS-200).
- 1985 – První vysokorychlostní kamera specializována pro využití ve vzduchu (HVRB 200).
- 1990 – První vysokorychlostní kamera využívající S-VHS záznam (HSV-1000).
- 1990 – První vysokorychlostní kamera využívající technologii CMOS (HSV-1000).
- 1994 – První barevná vysokorychlostní digitální kamera (Memrecam Ci).
- 1994 – První vysokorychlostní digitální kamera vyuţívající CMOS technologii (Memrecam Ci).
- 1995 – První tříčipová vysokorychlostní digitální kamera (Memrecam C2S).
- 1997 – První vysokorychlostní kamerový systém schopný ukládat digitální i analogový záznam na pásku S-VHS (Memrecam C3 a HSV-500 C3).
- 2003 – První jednočipová vysokorychlostní digitální kamera s HD rozlišením 720p využitá v živém sportovním vysílání (Memrecam fx K3).
- 2005 – První tříčipová vysokorychlostní digitální kamera s full HD rozlišením 1080i využitá současně jak pro vytváření zpomalených záznamů tak pro živé vysílání během sportovních utkání (Memrecam Hi- Motion).
V následujícím klipu na YouTube je záznam s frekvencí jeden milion snímků za sekundu. Jedná se o jeden z „nejzpomalenějších“ videoklipů současnosti – je zpomalen 40 000 ×. Celý desetiminutový klip tedy ve skutečnosti trvá asi 0,015 s.
Princip záznamu a důležité parametry
Cesta skrze kameru se dá rozdělit do pěti částí. V první dochází k transformaci obrazu pomocí čoček a zrcadel, pak následuje separace barev pomocí filtrů. Dále dochází ke generaci elektrických signálů pro jednotlivé body, a nakonec se ze signálů vytvoří digitální data. Data se většinou nezapisují přímo na paměťovou kartu nebo pevný disk, ale na rychlou interní paměť, ze které jsou v případě spokojenosti archivována až následně.
O první čtyři kroky se stará obrazový senzor využívající čip CCD nebo CMOS. Oba senzory využívají fotocitlivé buňky umístěné na ploše čipu, které zaznamenají proud fotonů, a podle jeho velikosti určí jas obrazu. A oba čipy také využívají barevné filtry sloužící k rozdělení obrazu na 3 základní barevné složky: červenou, zelenou a modrou. Pokud známe v každém dostatečně malém bodě jas zelené, červené a modré barvy, jsme schopni zobrazit všechny barvy vnímatelné lidským zrakem.
Specializovaná kamera pro vysokorychlostní záznam obrazu Olympus i-speed 2.
První rozdíl v ovou technologiích snímání obrazu se objevuje při zpracování dat z čipu. CCD nemá v okolí buňky žádnou elektroniku a signály odchází postupně z jednotlivých buněk do řídící elektroniky. CMOS disponuje u každé buňky jednoduchým obvodem, který se stará o zesílení a přenos signálu do procesoru pro každou buňku zvlášť. I proto je světlocitlivá plocha jednotlivých buněk na CMOS menší než u CCD, ale na druhou stranu to umožňuje zmenšení počtu obvodů, které musejí signál zpracovávat po odchodu ze snímače. CMOS technologie je tedy celkově méně náročná na prostor, ale i na odběr elektrické energie.
Důležitým parametrem, který markantně ovlivňuje nároky na výsledný datový tok, je rozlišení obrazu. Sděluje nám, kolik bodů dokáže kamera zaznamenat a tím pak určuje kvalitu a velikost obrazu, také však velikost záznamu. Momentální vysokorychlostní kamery dokážou maximálně full HD rozlišení 1920 × 1080 px. Vynásobením zjistíme, že jeden snímek má v nekomprimované podobě velikost 6 MB (3 barevné složky, každá s hloubkou 8 bitů), takže 1 s záznamu s rychlostí 2000 snímků/s zabírá téměř 12 GB paměti.
Z hlediska světelných nároků patří mezi hlavní parametry rychlost závěrky, nebo přesněji expoziční čas, který vyjadřuje dobu, po kterou musí být vystaven snímač dopadu světla, aby byla dosažena správná expozice. U vysokorychlostních kamer tato hodnota markantně ovlivňuje maximální počet snímků/s. Aby byl záznam vysokorychlostní, musí být rychlost závěrky menší než 7,8 ms. Průměrné závěrky vysokorychlostních kamer jsou nuceny „mrkat“ v intervalech 100µs a méně, za tak krátkou dobu nestihnou pochytat dostatek světla, a proto je nezbytné dodatečné osvětlení snímaného předmětu, vyjma předmětů nebo dějů, které jsou samy zdrojem světla (zapalovač, elektrický výboj, výbušniny,...).
