CN1031635A - 用视频法拍摄快速运动物体图象的方法 - Google Patents

Abstract

一种用视频设备(2)(4)拍摄快速运动物体(1)的 图象的方法，利用快速运动物体，例如卷纸筒(1)，被 短光脉冲曝光，然后物体反射的光脉冲(8)在图象敏 感器上产生图象；图象敏感器为半导体型，装在摄象 机(2)里。光脉冲(8)使图象敏感器的点阵探测器产 生对应于每点光强的探测态，在光脉冲终止以后，这 些态继续保持着，因此，图象存储在图象敏感器里，就 能以普通的方式被读出然后记录在视频磁带记录器 (4)的视频磁带上。

Description

本发明涉及拍摄快速运动物体图象的方法，它用视频法获得物体基本保持不动的静物画面。在这种方法中，在预定曝光时间内来自被摄物体的光，经摄象机镜头，传输到光敏图象显示器上，使其屏上产生与被摄物体相应的图象;产生在屏上的图象被读出、转换成电信号;电信号以可变磁场形式记录在视频磁带上，从而使曝光时间短于图象读出和记录所需的时间。

对于快速运动物体，如外观不同的机器部件，飞行物体，或者例如造纸机中的卷筒纸，用肉眼追踪它们的运动是不可能的。要看清快速运动物体的真实运动和物体上的其它现象时，必须把现象和运动放慢，才可能用肉眼观察。人们已经用视频摄象设备进行这方面的工作，以高帧速拍摄物体的图象，再以低帧速重放来观察，据此，物体不同细节之间的各个部分，以及它们彼此间的相对运动都可用肉眼清楚地看到。

在已有设备中，为了分析图象，在电视摄象机图象显示器上的图象，被转换成数字形式并记录在专用的多磁道测量磁带记录器上。其后，在重放时，用专用图象处理器近似地将数字形式的图象转换成与原图象近似对应的图象。首先，这种设备的缺点是，图象是在全部拍摄时间内转换成数据形式，也就是说，例如每分钟运动1000米的卷筒纸上某一点，在画面上移运仅18毫米，实际上，这意味着该设备所用的方法不能提供快速运动物体的精确图象，而不得不由微处理器计算、逼近来得到图象，这不适应研究所需的精度。其次，按照这种方法工作的设备，在帧速为每秒1000画面时，其磁带记录的时间仅半分钟，因此，用这种设备几乎不可能弄清并研究偶然出现的某一毛病。例如，要求弄清卷筒纸中某种撕裂或者类似的偶然事件，就几乎不可能，因为类似的两次毛病之间的时间间隔甚至可能是几天。由于磁带的工作时间不到一分钟，所以，实际上不可能得到上述毛病的图象。第三，按照这种方法工作的设备，体积大，难以搬运，也相当贵。

在另一已有设备中，采用基于显象管的常用视频技术，帧速为每秒200帧。在这种设备中，采用的方法是，先用频闪仪的光照射物体一会儿，光再从物体反射到显象管上，时间约0.1毫秒，其后，由一个单独的机械快门阻止光继续进入显象管。与标准的视频系统相应，显象管上的图象被记录在视频磁带上。使用这种设备时，每秒运动100米的卷筒纸有运动1.8毫米的时间，因此具有典型直径4毫米左右的水滴在画面上是看得见的，但它沿卷筒纸运动方向拉长到1.5倍，这就不符合所需的精度。因为显象管的后期延迟，所以这种设备除了需要曝光外，还需要单独的机械快门，才能获得质量过得去的图象，并记录在视频磁带上。此外，这种设备体积大，难以搬运，也很贵。

本发明的目的是提供用视频法拍摄快速运动物体图象的方法，用本方法可以得到物体的精确图象，而且本方法所用的设备便宜，即使在困难的厂地也容易搬运。根据本发明的方法，上述优点可以实现，其特征在于：

1.图象显示器是一种已有的半导体型图象敏感器，由象矩阵那样排列的许多点探测器构成;

2.利用短曝光时间传输被摄物体的反射光，以形成光脉冲;

3.足够强的光脉冲的强度在曝光时间内基本上是个恒量;

4.所述图象敏感器由所述光脉冲启动，在光脉冲的作用下，点阵探测器进入探测态，该状态在图象敏感器屏上相应产生图象的各个相应点，在光脉冲终止后，这些点探测器仍都保持在它们的探测态;

5.在图象敏感器启动以后，其点阵探测器所示的探测态被真实地读出和记录。

本发明的方法基于使用半导体型图象敏感器的构思，以新的方式应用这种器件的特性。与通常的拍摄措施不同，图象敏感器的点阵探测器作为存储器使用。靠来自物体的极短光脉冲产生强度足够大的以探测态表示的图象，该探测态是以所述的点阵探测器对应于图象敏感器屏上图象的光强;拍摄彩色图象时，对应于特定的每一颜色成分。在短光脉冲终止以后，记录在图象敏感器的点阵探测器里的图象，能以常用的方式和通常的传输速度进入视频磁带记录器，再传送到视频磁带上。首先，本发明的优点是，使用极短光脉冲，例如其脉冲宽度为5微秒;速度为1000米/分的卷筒纸在这5微秒内仅移动0.1毫米，就任何视频系统来说，0.1毫米小于相邻两点之间的分辨率。再者，使用本方法时，即使采用普通的家用视频设备，也能拍摄图象，该设备容易买到，又便宜。

结合下列附图更详细地描述本发明。

图1是本发明的方法所用的设备示意图。

图2概略示出产生顺序画面时，半导体型图象敏感器的某一点阵探测器动作过程。

在图1中，被拍摄物体是快速运动的卷筒纸1，视频摄象机2用来拍摄其图象。电缆3把摄象机2和视频磁带记录器4连接起来，摄象机2拍摄的图象记录在视频磁带上。摄象机2经电缆5接于频闪仪6，频闪仪6的闪光由摄象机2同步。

视频技术及其附属的技术细节是公知的，所以此文不再详述。本发明的实质在于，产生图象再把它记录下来是靠诸设备彼此间同步实现的，而同步是由独立的同步脉冲实施的。拍摄快速运动物体时，同步脉冲也在要求的时刻启动频闪仪，以产生合适的图象。

按照本方法，拍摄以下述方式进行。同步脉冲经电缆5启动频闪仪6，频闪仪发出短光脉冲7，其脉冲宽度最好取1～10微秒，光脉冲7照在被摄物体即卷筒纸1上。卷筒纸1反射脉宽相同的光脉冲8，光脉冲8经视频摄象机2的镜头9，到达装在摄象机2里的半导体型图象敏感器的屏，按照已有的普通照相原理，在图象敏感器屏上产生与被拍摄物体相对应的图象。

最好选用称之为电荷耦合器敏感器作为图象敏感器，众所周知，它是由许多点探测器彼此间象矩阵那样并排配置构成的，因此，入射在恰当位置的光的强度，在每一探测器中形成与该光强对应的探测态，或者采用彩色敏感器时，探测态对应于已知的每一部分颜色，然后，探测态被视频磁带记录器电读出再记录在视频磁带上。探测态可以是，例如该点探测器的电荷或电导率，或者表示某探测器所得到光强的其它某种已知状态。

在光脉冲8持续期间，探测器取与该光脉冲相对应的探测态，其后，每一点探测器仍然保持在光脉冲终止以后的这一探测态，而且，在该光脉冲持续期间，反射在图象敏感器屏上的物体图象仍存在图象敏感器的存储器里。这样，即使该持续时间很长，物体图象也能由视频磁带记录器读出然后记录。

图2概略示出，照在某一点探测器上的光脉冲强度在变化时的工作过程。光脉8的持续期间，其时间长短，也就是其曝光时间T为1微秒，点探测器处于某一定电平的探测态，这以虚线10表示;光脉冲8终止以后，其光强降低至图象敏感器的点阵探测器电噪声电平11以下，该探测态还保持着。采用普通的家用视频设备时，有20毫秒的时间用来读出和录下产生在图象敏感器上的图象，这一时间是光脉冲8曝光时间的20000倍。这段读出和记录时间以后，新的光脉冲8′出现，其持续时间与先前光脉冲的相同，但其强度则不同，例如，如图2所示，后者较前者强。在光脉冲8′持续期间，上述点探测器的探测态变化，变得高了，这里与光脉冲8′的强度相对应的;光脉冲8′降到低于敏感器的电噪声电平以下时，该点探测器仍保留在原有的探测态，在产生的图象被读出、记录以后，又一新的光脉冲使上述点探测器的探测态变化。

用已有的一般方法，可以观看所录的图象，参见图1，这可以把视频磁带记录器4接于电视机，也可以用电缆13把它接于独立的监视器12。本发明最适用于普通家用视频设备，该设备便宜，使用简单，搬运容易。每隔20毫秒可以得到清晰的图象，在多数场合，这样的帧频是足够的。本方法也完全适用于高帧频的帧频拍摄，当然，这就要用更复杂、更贵的设备。

普通家用视频设备采用一般电视技术，其中，显示器画面分成每隔一行同时显示，以便区分较小图象之间的运动。然而，如果需要非常清晰的画面，一种解决办法是采用本发明的方法，利用全象场同时显示，而不必把行分成不同的图象。在视频监视器和电视机中，与显示画面有关的行技术是已有技术，在此不再细述。

因此，在本发明的最佳实施例中，采用频闪仪6，它接于普通家用视频设备，由同步脉冲控制，发射脉宽为1～10微秒的曝光光脉冲到物体上;通过该物体对频闪仪光脉冲的反射，物体图象被记录于图象敏感器。在本发明方法的另一实施例中，物体被强光连续曝光，其反射光由机械快门分割成1～10微秒的光脉冲，然后以上述方式，该光脉冲在置于摄象机里的半导体型图象敏感器上产生图象。这样用法的摄象机必须特别制造，这种摄象机装有机械快门，现有的几种普通办法可以制造这种摄象机。但是，像这样的摄象机比简单摄象机贵得多，所以只用于特殊的场合，这时，由于某种原因，象这样的结构才实用。

附图和对它们的说明欲使本发明的构思具体化，并不妨碍本发明的方法在其权利要求范围内改变细节。

Claims (6)

1、一种拍摄快速运动物体(1)的方法，它靠视频法得到使物体基本处于不动的静物画面，在这种方法中：

a.在预定的曝光时间(T)内，来自被拍摄物体(1)的光(8)经光敏图象显示器的摄象镜头(9)传输，在所述显示器荧光屏上产生与被拍摄物体相应的图象；

b.产生在图象显示器上的图象被读出、转换成电信号；

c.电信号以可变磁场的形式记录在视频磁带上，从而使曝上时间短于图象读出和记录所需的时间；

其特征在于：

a.图象显示器是已有的半导体型图象敏感器，它由像矩阵那样排列的许多点探测器构成；

b.用短的曝光时间(T)传输来自被拍摄物体(1)的光，以形成光脉冲；

c.足够强的光脉冲的强度在曝光时间(T)内基本为恒量；

d.所述图象敏感器由所述光脉冲启动，在所述光脉冲作用下，图象敏感器的各个点探测器产生探测态，这些态对应于产生在图象敏感器屏上图象的相应点，在光脉冲终止后，各个点探测器都仍然保持在其探测态；

e.在图象敏感器启动以后，其所有的点探测器所表明的探测态被真实地读出和记录。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，曝光时间为1～10微秒。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，靠频闪仪（6）和视频摄象机（2）同步，以及在预定的曝光时间内照射被拍摄物体，来形成光脉冲。

4、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在预定的曝光时间内，来自被拍摄物体（1）的光传输到由机械快门控制的图象敏感器。

5、根据权利要求1至4的任一权利要求所述的方法，其特征在于，拍摄帧频最高为50赫。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，拍摄帧频为50赫，而且全象场记录在一幅画面上。