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爆破实验室高速摄像方法 高速摄影技术是用照相的方法拍摄高速运动过程或快速反应过程，它把空间信息和时间信息一次记录下来，具有形象逼真和动画效果。高速摄影技术具有实时目标捕获、图像快速记录、即时回放图像直观清晰等突出优点,是其他测量技术手段所难以替代的。在爆破工程领域的研究中,高速摄像已成为一个不可或缺的重要研究工具之一,利用高速摄像的方法观测爆炸的瞬变过程,有其突出的优点,它不受电场、磁场的干扰,高速摄像方法比较直观,能够即时重演被记录的过程,并将时间放大到数百万倍以上,这就有可能来仔细观察瞬息变化的微小过程。 1.数字式高速摄像原理 高速摄像机是爆破工程实况记录的关键设备,它的性能好坏将直接影响到整个爆破过程研究的成败,所以,掌握它的性能,对于高速摄像机选型和应用十分重要。 在爆破工程中,早期主要应用模拟式高速摄影机,但数字式高速摄像机发展,性能不断提高,价格却不断下降。在爆破工程中，数字式高速摄像机在国内外已得到广泛应用。数字式高速摄像机以某种金属氧化物半导体(如CCD、CMOS)作为感光芯片,采用大容量集成电路存储芯片作为记录介质,实现快速变化现象的捕获、记录和即时重放数字高速摄像机技术发展速度,目前数字高速摄像机的图像分辨率可以达到2048x2048像元,摄像频率已达到两千万幅每秒以上。 CMOS(Complement Metal Oxide Semiconductor)图像传感器是固态传感器中的一类成像芯片。相对于电荷藕合器件CCD(Charge Coupled Device)图像传感器,其主要优点是:把光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路统统集成于同一块芯片上,结构简单,功能多,成品率较高,价格相对低廉。但是CMOS光敏成像时,其暗电流的电子热噪声随时间的累积效应比CCD图像传感器要大。而对于高速摄像来讲,由于曝光时间很短,电子噪声累积效应可以忽略,加上它体积小、功能多、高速成像性能好、价格低等优势,目前在高速摄像机中得到广泛应用。CMOS图像传感芯片主要功能模块如图2-2所示,其基本原理如下。 图2-2CMOS芯片主要功能模块 (1)像元阵列在外界照射下发生光电效应,并在像元内产生相应的电荷； (2)行选择逻辑单元选通相应的行像元,通过各自所在列的信号总线将图像信号传输到对应的模拟信号处理单元和户口D转换器,并且转换成数字图像信号输出给存储器。其中的行选择逻辑单元既可对像元阵列逐行扫描也可以隔行扫描虽然隔行扫描可以提高图像的场频,但是它会降低图像的清晰度； (3)模拟信号处理器的主要功能是对信号进行放大处理,提高信噪比; (4)定时与控制电路单元主要功能是控制行选择和列选择逻辑单元,并为像元阵列单元提供置位信号和整个芯片的时钟信号,一般采用数字锁相环进行稳频和实现其他功能。 CMOS图像传感芯片是整个高速摄像机的关键器件,它在很大程度上决定了高速摄像机性能的优劣。它的主要的指标是像元素数和响应时间,因为这决定了图像的分辨率和拍摄频率。 2.数字式高速摄像机 2.1数字式高速摄像机的组成 数字式高速摄像机主要由光学成像物镜、光电成像器件、图像存储器件、控制系统和图像处理系统组成。 （1）成像物镜 成像物镜的作用是使运动目标的像落在光电成像器件的成像面上。成像物镜要有足够大的口径,以保证在很短的曝光时间内,光电成像器件都有足够的光照度。此外,成像物镜的分辨率、像差、焦距等参数必须与光电成像器件相匹配。 （2）光电成像器件 光电成像器件的作用是对高速运动目标像图象快速采样并将其转换成电量。光电成像器件现多采用高速成像CMOS(互补金属氧化物半导体)或CCD(电荷藕合器件)。 （3）图像存储器件 图像存储系统用来暂时或永久地存储摄像系统所获取的数字图像,完成图像的快速存储,在高速摄像系统中一般采用数字化的存储方式,由计算机直接控制进行记录、存储和重放,存储图像的数量和大小与存储器的容量大小成正比。 （5）控制系统 控制系统包括控制镜头光圈、焦距机构和相机内部的时钟控制电路。负责控制拍摄频率、画幅大小、电子快门频率、图像信息存储!触发方式以及与主控制计算机的数据传输。在实际操作中,这些参数的设置和具体控制都是通过安装在相机上的软件操作来实现的。 （6）图像处理系统 高速摄像系统记录的序列图像,需要通过专门的判读和处理软件来进行定性的观测和定量的分析,以求得拍摄对象的一系列运动参数。在多数情况下,定量分析比定性观测更为重要,需要在序列图像中测量出拍摄对象的实际变化量,这就要求我们通过专门的应用软件来完成对图像质量的改善、判读和提取时间、空间等有效信息,并由此计算出拍摄目标的运动参数,达到测量实验的目的。 2.2数字式高速摄像机基本性能参数 高速摄像机性能参数决定了所采集到的图像分辨率、图像质