Cámara de alta velocidad

Una cámara de alta velocidad es un dispositivo capaz de capturar imágenes en movimiento con exposiciones inferiores a 1/1.000 segundos o velocidades de cuadro superiores a 250 fps. Se utiliza para grabar objetos que se mueven rápidamente como imágenes fotográficas en un medio de almacenamiento. Después de la grabación, las imágenes almacenadas en el soporte se pueden reproducir a cámara lenta. Las primeras cámaras de alta velocidad utilizaban películas fotográficas para registrar los eventos de alta velocidad, pero han sido reemplazadas por dispositivos completamente electrónicos que usaban un sensor de imagen (por ejemplo, un dispositivo de carga acoplada (CCD) o un sensor de píxeles activo (ASP) MOS), grabando, normalmente, a más de 1000 fps en DRAM, para reproducirse lentamente para estudiar el movimiento para el estudio científico de fenómenos transitorios.

Descripción general

Una cámara de alta velocidad se puede clasificar como:

1. Una cámara de película de alta velocidad que graba para filmar,
2. Una cámara de vídeo de alta velocidad que registra memoria electrónica,
3. Una cámara de framing de alta velocidad que registra imágenes en múltiples planos de imagen o múltiples ubicaciones en el mismo plano de imagen (generalmente película o una red de cámaras CCD),
4. Una cámara de alta velocidad que registra una serie de imágenes de tamaño de línea para filmar o memoria electrónica.

Una película cinematográfica normal se reproduce a 24 fotogramas por segundo, mientras que la televisión utiliza 25 fotogramas/s (PAL) o 29,97 fotogramas/s (NTSC). Las cámaras de película de alta velocidad pueden filmar hasta un cuarto de millón de fps pasando la película sobre un prisma o espejo giratorio en lugar de usar un obturador, reduciendo así la necesidad de detener y comenzar la película detrás de un obturador que rompería el material de la película. a tales velocidades. Con esta técnica, un segundo de acción se puede ampliar a más de diez minutos de tiempo de reproducción (cámara súper lenta). Las cámaras de vídeo de alta velocidad se utilizan ampliamente para la investigación científica, las pruebas y evaluaciones militares y la industria. Ejemplos de aplicaciones industriales son la filmación de una línea de fabricación para ajustar mejor la máquina, o en la industria automovilística la filmación de una prueba de choque para investigar el efecto sobre los pasajeros simulados y el automóvil. Hoy en día, la cámara digital de alta velocidad ha reemplazado a la cámara de película utilizada para las pruebas de impacto de vehículos.

Series de televisión como MythBusters y Time Warp suelen utilizar cámaras de alta velocidad para mostrar sus pruebas a cámara lenta. Guardar las imágenes grabadas a alta velocidad puede llevar mucho tiempo porque, a partir de 2017, las cámaras de consumo tienen resoluciones de hasta cuatro megapíxeles con velocidades de cuadros de más de 1000 por segundo, que grabarán a una velocidad de 11 gigabytes por segundo. Tecnológicamente, estas cámaras son muy avanzadas, pero guardar imágenes requiere el uso de interfaces de video-computadora estándar más lentas. Si bien grabar es muy rápido, guardar imágenes es considerablemente más lento. Para reducir el espacio de almacenamiento requerido y el tiempo necesario para que las personas examinen una grabación, solo se pueden seleccionar para filmar las partes de una acción que sean de interés o relevancia. Cuando se registra un proceso cíclico para el análisis de averías industriales, solo se filma la parte relevante de cada ciclo.

Un problema para las cámaras de alta velocidad es la exposición necesaria para la película; Se necesita una luz muy brillante para poder filmar a 40.000 fps, lo que a veces provoca que el sujeto de examen se destruya debido al calor de la iluminación. A veces se utiliza la filmación monocromática (blanco y negro) para reducir la intensidad de luz requerida. Es posible obtener imágenes a una velocidad aún mayor utilizando sistemas de imágenes de dispositivos electrónicos de carga acoplada (CCD) especializados, que pueden alcanzar velocidades de más de 25 millones de fps. Estas cámaras, sin embargo, todavía utilizan espejos giratorios, al igual que sus homólogas de película más antiguas. Las cámaras de estado sólido pueden alcanzar velocidades de hasta 10 millones de fps. Todo el desarrollo de las cámaras de alta velocidad se centra ahora en las cámaras de vídeo digitales, que presentan muchas ventajas operativas y económicas en comparación con las cámaras de película.

En 2010, los investigadores construyeron una cámara que exponía cada fotograma durante dos billonésimas de segundo (picosegundos), para una velocidad de fotogramas efectiva de medio billón de fps (femtofotografía). Las cámaras modernas de alta velocidad funcionan convirtiendo la luz incidente (fotones) en una corriente de electrones que luego se desvían hacia un fotoánodo, de nuevo en fotones, que luego se pueden grabar en una película o en un CCD.

Usos en televisión

• El espectáculo MythBusters prominentemente utiliza cámaras de alta velocidad para medir velocidad o altura.
• Tiempo Warp se centró alrededor del uso de cámaras de alta velocidad para frenar las cosas que son generalmente demasiado rápido para ver con el ojo desnudo.
• Las cámaras de alta velocidad se utilizan con frecuencia en las producciones de televisión de muchos eventos deportivos importantes para repeticiones instantáneas de movimiento lento cuando el movimiento lento normal no es lo suficientemente lento, como los partidos internacionales de Cricket.

Usos en ciencia

Las cámaras de alta velocidad se utilizan con frecuencia en ciencia para caracterizar eventos que suceden demasiado rápido para las velocidades de película tradicionales. La biomecánica emplea este tipo de cámaras para capturar movimientos animales a alta velocidad, como saltos de ranas e insectos, alimentación por succión de peces, golpes de camarones mantis y el estudio aerodinámico de las palomas. movimientos similares a los de un helicóptero que utilizan el análisis de movimiento de las secuencias resultantes de una o más cámaras para caracterizar el movimiento en 2-D o 3-D.

El paso de la película a la tecnología digital ha reducido en gran medida la dificultad en el uso de estas tecnologías con comportamientos impredecibles, específicamente mediante el uso de grabación continua y post-disparo. Con cámaras de película de alta velocidad, un investigador debe iniciar la película y luego intentar atraer al animal para que realice el comportamiento en el corto tiempo antes de que se acabe la película, lo que resulta en muchas secuencias inútiles en las que el animal se comporta demasiado tarde o no se comporta en absoluto. En las cámaras digitales modernas de alta velocidad, la cámara puede simplemente grabar continuamente mientras el investigador intenta provocar el comportamiento, después de lo cual un botón de disparo detendrá la grabación y permitirá al investigador guardar un intervalo de tiempo determinado antes y después del disparo (determinado por velocidad de fotogramas, tamaño de imagen y capacidad de memoria durante la grabación continua). La mayoría del software permite guardar un subconjunto de fotogramas grabados, minimizando los problemas de tamaño del archivo al eliminar fotogramas inútiles antes o después de la secuencia de interés. Este tipo de activación también se puede utilizar para sincronizar la grabación entre varias cámaras.

La explosión de metales alcalinos en contacto con el agua se ha estudiado mediante una cámara de alta velocidad. El análisis cuadro por cuadro de una aleación de sodio y potasio que explota en agua, combinado con simulaciones de dinámica molecular, sugirió que la expansión inicial puede ser el resultado de una explosión de Coulomb y no de la combustión de gas hidrógeno como se pensaba anteriormente.

Las imágenes de cámaras digitales de alta velocidad han contribuido en gran medida a la comprensión de los rayos cuando se combinan con instrumentos y sensores de medición de campos eléctricos que pueden mapear la propagación de los rayos mediante la detección de ondas de radio generadas por este proceso.

Usos en la industria

Al pasar del mantenimiento reactivo al mantenimiento predictivo, es crucial que se comprendan realmente las averías. Una de las técnicas de análisis básicas es utilizar cámaras de alta velocidad para caracterizar eventos que suceden demasiado rápido para verlos, por ejemplo. durante la producción. De manera similar al uso en ciencia, con una capacidad de disparo previo o posterior, la cámara puede simplemente grabar continuamente mientras el mecánico espera que se produzca la falla, después de lo cual una señal de disparo (interna o externa) detendrá la grabación y permitirá al investigador guarde un intervalo de tiempo determinado antes del disparo (determinado por la velocidad de fotogramas, el tamaño de la imagen y la capacidad de la memoria durante la grabación continua). Algunos programas permiten ver los problemas en tiempo real, mostrando solo un subconjunto de fotogramas grabados, minimizando el tamaño del archivo y los problemas de tiempo de visualización al eliminar fotogramas inútiles antes o después de la secuencia de interés.

Las cámaras de vídeo de alta velocidad se utilizan para complementar otras tecnologías industriales, como la radiografía de rayos X. Cuando se usan con la pantalla de fósforo adecuada que convierte los rayos X en luz visible, las cámaras de alta velocidad se pueden usar para capturar videos de rayos X de alta velocidad de eventos dentro de dispositivos mecánicos y muestras biológicas. La velocidad de imagen está limitada principalmente por la tasa de decadencia de la pantalla de fósforo y la ganancia de intensidad, que tiene una relación directa con la exposición de la cámara. Las fuentes de rayos X pulsados limitan la velocidad de fotogramas y deben sincronizarse correctamente con las capturas de fotogramas de la cámara.

Usos en la guerra

En 1950, Morton Sultanoff, un físico del ejército de EE. UU. en el campo de pruebas de Aberdeen, inventó una cámara de súper alta velocidad que tomaba fotogramas a una millonésima de segundo y era lo suficientemente rápida como para registrar la onda de choque de una pequeña explosión.. Se han utilizado cámaras digitales de alta velocidad para estudiar cómo se desplegarán las minas lanzadas desde el aire en regiones cercanas a la costa, incluido el desarrollo de diversos sistemas de armas. En 2005, las cámaras digitales de alta velocidad con resolución de 4 megapíxeles, que grababan a 1500 fps, reemplazaban a las cámaras de película de alta velocidad de 35 mm y 70 mm utilizadas en monturas de seguimiento en campos de prueba que capturan interceptaciones balísticas.