+7 (495) 542-04-49
+7 (962) 940-65-25
В этой статье мы собрали ответы на самые популярные вопросы о системах скоростной видеосъёмки. Здесь вы найдёте понятные объяснения технических терминов, советы по выбору оборудования и решения распространённых проблем. Все ответы подготовлены экспертами в области высокоскоростной съёмки и изложены простым языком без сложного жаргона.
Высокоскоростная видеосъёмка — это технология записи видео с частотой кадров, значительно превышающей стандартные 24–60 кадров в секунду. В отличие от обычной съёмки, где кадры снимаются с интервалом в десятки миллисекунд, высокоскоростные камеры фиксируют кадры с интервалом в микросекунды.
Главное отличие от обычной съёмки заключается в том, что высокоскоростная съёмка позволяет «замедлить время» и детально изучить процессы, происходящие слишком быстро для восприятия человеческим глазом. Например, съёмка на 4000 кадров в секунду позволяет при воспроизведении в обычном темпе (30 к/с) замедлить процесс в 133 раза.
Важно не путать высокоскоростную съёмку с замедленной съёмкой в некоторых современных смартфонах. Последняя достигается за счёт программного замедления уже записанного видео, тогда как настоящая высокоскоростная съёмка фиксирует каждый кадр с высокой частотой, обеспечивая плавное и детальное замедление без потери качества. Подробнее о том, как устроены системы высокоскоростной съёмки и где они применяются.
Процесс работы высокоскоростной камеры можно разделить на два этапа: запись и воспроизведение.
На этапе записи камера фиксирует кадры с очень высокой частотой (например, 4000 кадров в секунду). Каждый кадр сохраняется в памяти камеры или передаётся на компьютер для записи на накопитель.
На этапе воспроизведения эти кадры выводятся с обычной скоростью (обычно 24–30 кадров в секунду). Поскольку за одну секунду реального времени было записано, например, 4000 кадров, для их просмотра потребуется 4000/30 ≈ 133 секунды. Это создаёт эффект замедления процесса в 133 раза.
Ключевым преимуществом этого метода является то, что замедление достигается без потери плавности движения. В отличие от программного замедления, где промежуточные кадры генерируются алгоритмами, в высокоскоростной съёмке все кадры являются реальными, что обеспечивает максимальную детализацию процесса. Как выбрать подходящую скорость съёмки, читайте в статье «400, 1000 или 4000 кадров/с: как выбрать скорость для вашей задачи».
Минимально необходимая частота кадров зависит от скорости изучаемого процесса. Чтобы определить её, воспользуйтесь следующей методикой:
Например, для анализа полёта пули (скорость 800 м/с, диаметр 8 мм):
время = 0.008 / 800 = 0.00001 с
минимальная частота кадров = 10 / 0.00001 = 1 000 000 к/с
Однако на практике для визуального анализа достаточно 4000 к/с, так как не требуется фиксировать каждый микроскопический этап, а лишь основные стадии процесса.
Для большинства промышленных задач (контроль конвейеров, упаковочных машин) достаточно 400 к/с, тогда как для баллистики и испытаний на разрушение материалов может потребоваться 4000 к/с и выше. Подробнее о выборе скорости — в статье «400, 1000 или 4000 кадров/с».
Глобальный затвор — это тип затвора, при котором все пиксели матрицы камеры экспонируются одномоментно. Это противоположно rolling shutter, при котором матрица экспонируется построчно.
Глобальный затвор критически важен для высокоскоростной съёмки по следующим причинам:
При использовании rolling shutter при съёмке быстро движущихся объектов (например, вращающихся лопастей или разлетающихся частиц) изображение будет искажено, что сделает невозможным точный анализ процесса. Поэтому для высокоскоростной съёмки предпочтительно использовать камеры с глобальным затвором. Узнать больше о ключевых терминах можно в глоссарии высокоскоростной съёмки.
Выдержка при высокоскоростной съёмке напрямую связана с частотой кадров. При скорости 4000 кадров в секунду максимальная выдержка составляет 1/4000 секунды (250 микросекунд), но на практике используется гораздо более короткая выдержка — обычно 5–7 микросекунд.
Почему выдержка короче, чем 1/частота кадров? Потому что камере требуется время для считывания данных с матрицы. Например, при скорости 4000 к/с время между кадрами составляет 250 мкс, из которых 243 мкс уходит на считывание, а 7 мкс — на экспозицию.
Короткая выдержка приводит к резкому снижению количества света, попадающего на матрицу, что требует использования мощного освещения. Переход с 400 к/с на 4000 к/с уменьшает выдержку примерно в 10 раз, что требует увеличения освещённости в 10 раз для сохранения одинаковой экспозиции.
Для съёмки на 4000 к/с с выдержкой 5–7 мкс требуется специализированное мощное освещение с anti-flicker технологией, так как обычное освещение будет создавать мерцание, заметное при таких коротких выдержках. Подробнее об этом — в статье «Освещение для высокоскоростной съёмки: как получить яркую картинку при короткой выдержке».
Область интереса (ROI, Region of Interest) — это функция, позволяющая выбрать часть матрицы камеры для съёмки, игнорируя остальные пиксели.
ROI увеличивает частоту кадров за счёт уменьшения объёма данных, которые необходимо обработать и передать. Например, если уменьшить ширину и высоту активной области матрицы в 2 раза, объём данных уменьшится в 4 раза, что позволит увеличить частоту кадров в 4 раза.
Пример: камера, способная снимать 400 к/с при полном разрешении 1936×1472, может достигать 1600 к/с при использовании ROI 968×736.
ROI особенно полезна, когда вам нужно сфокусироваться на конкретной части изображения с максимальной временной детализацией, но нет необходимости в полном разрешении по всему кадру. Например, при анализе движения маленького объекта в большом поле зрения.
Однако использование ROI имеет свои ограничения: уменьшение активной области матрицы приводит к снижению пространственной детализации, поэтому необходимо найти баланс между временной и пространственной разрешающей способностью в зависимости от конкретной задачи. Состав комплекта системы подробно описан в статье «Комплектация системы высокоскоростной съёмки».
Предзапись (pre-trigger recording) — это функция, позволяющая записывать видео в кольцевой буфер оперативной памяти до срабатывания триггера.
Принцип работы:
Предзапись критически важна для фиксации неожиданных или непредсказуемых событий, таких как:
Длительность предзаписи зависит от объёма оперативной памяти, выделенного под буфер, и скорости потока данных. Например, при скорости потока 1 ГБ/с и буфере 128 ГБ длительность предзаписи составит около 2 минут.
Без функции предзаписи вы рискуете упустить начало события, так как не сможете точно предсказать момент его возникновения и вручную запустить запись в нужный момент.
Освещение для высокоскоростной съёмки должно соответствовать следующим требованиям:
Типы источников, подходящих для высокоскоростной съёмки:
Для съёмки на 400 к/с может быть достаточно мощных светодиодных панелей (500–1000 Вт), тогда как для 4000 к/с часто требуется специализированное освещение мощностью 2000 Вт и более с обязательной anti-flicker технологией.
При выборе освещения важно также обеспечить равномерное освещение всей рабочей зоны, так как при коротких выдержках даже небольшая неравномерность становится заметной на изображении. Подробнее — в статье «Освещение для высокоскоростной съёмки».
Разница между 10 GigE и 20 GigE заключается в пропускной способности и способе реализации:
Для работы с 20 GigE требуется:
Преимущества 20 GigE:
Важно понимать, что 20 GigE не является отдельным стандартом, а представляет собой технологию агрегации двух 10 GigE каналов, поэтому для её использования необходимо соответствующее оборудование как на стороне камеры, так и на стороне компьютера. Сравнение интерфейсов — в статье «Интерфейсы высокоскоростных камер: GigE, USB3 Vision, PoE — что выбрать».
Внешний триггер — это сигнал от внешнего устройства, управляющий началом или окончанием записи видео.
Типы триггеров:
Сценарии использования внешнего триггера:
Пример настройки:
Внешний триггер особенно полезен при съёмке непредсказуемых или кратковременных событий, когда невозможно вручную запустить запись в нужный момент.
Нужна консультация инженера по вашей задаче?
Высокоскоростная видеосъёмка — это сложная технология, вызывающая множество вопросов у тех, кто только начинает с ней работать. В этом разделе мы подробно ответим на самые распространённые вопросы, чтобы помочь вам лучше понять принципы работы и особенности этой технологии.
Высокоскоростная видеосъёмка — это метод фиксации движущихся объектов с частотой кадров, значительно превышающей стандартные 24–60 кадров в секунду. Такая съёмка позволяет «замедлить время» и детально изучить процессы, происходящие слишком быстро для восприятия человеческим глазом.
В отличие от обычной замедленной съёмки, которую можно сделать на некоторых смартфонах, настоящая высокоскоростная съёмка фиксирует каждый кадр с высокой частотой, что обеспечивает плавное замедление без потери качества. Например, съёмка на 4000 кадров в секунду позволяет при воспроизведении в обычном темпе (30 к/с) замедлить процесс в 133 раза, при этом сохраняя плавность движения. Подробнее — в обзоре систем высокоскоростной съёмки.
Чёткой границы между обычной и высокоскоростной съёмкой не существует, но принято считать, что съёмка становится «высокоскоростной» при частоте кадров от 200–300 к/с и выше. Однако для разных задач этот порог различается:
Важно понимать, что высокая частота кадров сама по себе не делает съёмку «высокоскоростной» — необходимо, чтобы эта частота была достаточной для детального анализа конкретного процесса. Например, для контроля упаковочной линии со скоростью ленты 1 м/с достаточно 200 к/с, тогда как для анализа полёта пули потребуется 4000 к/с и выше. Помощь в выборе — в статье «400, 1000 или 4000 кадров/с».
При скорости съёмки 4000 кадров в секунду максимальная выдержка теоретически составляет 1/4000 секунды (250 микросекунд), но на практике используется гораздо более короткая выдержка — обычно 5–7 микросекунд.
Причина в том, что время между кадрами (250 мкс при 4000 к/с) делится на время экспозиции и время считывания данных с матрицы. Например, из 250 мкс 243 мкс уходит на считывание, а 7 мкс — на экспозицию.
Короткая выдержка приводит к резкому снижению количества света, попадающего на матрицу. Переход с 400 к/с на 4000 к/с уменьшает выдержку примерно в 10 раз, что требует увеличения освещённости в 10 раз для сохранения одинаковой экспозиции. Поэтому для съёмки на 4000 к/с требуется специализированное мощное освещение с anti-flicker технологией. Подробнее — в статье «Освещение и выдержка».
Область интереса (ROI, Region of Interest) — это функция, позволяющая выбрать часть матрицы камеры для съёмки, игнорируя остальные пиксели. ROI увеличивает частоту кадров за счёт уменьшения объёма данных, которые необходимо обработать и передать.
Например, если уменьшить ширину и высоту активной области матрицы в 2 раза, объём данных уменьшится в 4 раза, что позволит увеличить частоту кадров в 4 раза. Камера, способная снимать 400 к/с при полном разрешении 1936×1472, может достигать 1600 к/с при использовании ROI 968×736.
ROI особенно полезна, когда вам нужно сфокусироваться на конкретной части изображения с максимальной временной детализацией, но нет необходимости в полном разрешении по всему кадру. Однако использование ROI имеет свои ограничения: уменьшение активной области матрицы приводит к снижению пространственной детализации, поэтому необходимо найти баланс между временной и пространственной разрешающей способностью.
Предзапись (pre-trigger recording) — это функция, позволяющая записывать видео в кольцевой буфер оперативной памяти до срабатывания триггера. Принцип работы:
Предзапись критически важна для фиксации неожиданных или непредсказуемых событий, таких как разрушение материалов, взрывы, отказы оборудования или баллистические испытания. Без этой функции вы рискуете упустить начало события, так как не сможете точно предсказать момент его возникновения и вручную запустить запись в нужный момент.
Длительность предзаписи зависит от объёма оперативной памяти, выделенного под буфер, и скорости потока данных. Например, при скорости потока 1 ГБ/с и буфере 128 ГБ длительность предзаписи составит около 2 минут.
Глобальный затвор — это тип затвора, при котором все пиксели матрицы камеры экспонируются одномоментно. Это противоположно rolling shutter, при котором матрица экспонируется построчно.
Глобальный затвор критически важен для высокоскоростной съёмки по следующим причинам:
При использовании rolling shutter при съёмке быстро движущихся объектов (например, вращающихся лопастей или разлетающихся частиц) изображение будет искажено, что сделает невозможным точный анализ процесса. Поэтому для высокоскоростной съёмки предпочтительно использовать камеры с глобальным затвором.
Освещение для высокоскоростной съёмки должно соответствовать следующим требованиям:
Типы источников, подходящих для высокоскоростной съёмки:
Для съёмки на 400 к/с может быть достаточно мощных светодиодных панелей (500–1000 Вт), тогда как для 4000 к/с часто требуется специализированное освещение мощностью 2000 Вт и более с обязательной anti-flicker технологией.
GigE Vision и USB3 Vision — это промышленные стандарты передачи видеоданных, разработанные для камер машинного зрения и высокоскоростной съёмки.
GigE Vision основан на технологии Ethernet и позволяет:
USB3 Vision использует интерфейс USB 3.0 и обеспечивает:
Для систем с высокой скоростью съёмки (4000 к/с) чаще используется GigE Vision, особенно в варианте 20 GigE (агрегация двух 10 GigE каналов), так как он обеспечивает необходимую пропускную способность и гибкость в настройке. Подробнее — в статье «Интерфейсы высокоскоростных камер».
Чтобы определить минимально необходимую частоту кадров, воспользуйтесь следующей методикой:
Например, для анализа полёта пули (скорость 800 м/с, диаметр 8 мм):
время = 0.008 / 800 = 0.00001 с
минимальная частота кадров = 10 / 0.00001 = 1 000 000 к/с
Однако на практике для визуального анализа достаточно 4000 к/с, так как не требуется фиксировать каждый микроскопический этап, а лишь основные стадии процесса.
Разница между 10 GigE и 20 GigE заключается в пропускной способности и способе реализации:
Для работы с 20 GigE требуется сетевой адаптер с двумя портами 10 GigE и поддержкой агрегации каналов, а также два кабеля 10 GigE для подключения камеры к компьютеру. Преимущества 20 GigE включают возможность передачи всего потока данных без потери кадров и стабильную работу при максимальной скорости съёмки.