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。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。