Скоростная съёмка процессов
Уже с появлением первой фиксации происходящего на пленку — у людей появилось желание запечатлеть не только нечто примечательное, но и что-то, очень быстропротекающее: молнию, падающую каплю воды и т.д. С совершенствованием техники возможности увеличивались, и появилась возможность детально снимать даже весьма быстрые процессы — вроде взрыва атомной бомбы. В этой статье мы постараемся обзорно изучить съёмку быстрых процессов, и как она осуществляется.
Ускоренная съёмка — кино- или видеосъёмка с частотой от 32 до 200 кадров в секунду. Используется для получения эффекта замедленного движения при проекции фильма со стандартной частотой кадров, а также в научных целях. Ещё одно распространённое название этой разновидности съёмки — рапи́д (от фр. rapide — быстрый).
Ускоренная съёмка осуществляется специализированными видеокамерами или киносъёмочными аппаратами традиционной конструкции с прерывистым движением киноплёнки при помощи скачкового механизма (часть лентопротяжного механизма киноаппарата, производящая прерывистое перемещение киноплёнки на шаг кадра. Используется в киносъёмочной, кинопроекционной и кинокопировальной аппаратуре. Благодаря действию скачкового механизма киноплёнка во время экспонирования или проекции одного кадра находится в покое, а затем быстро перемещается к следующему):
Принцип действия скачкового механизма. Автор картинки: Runner1616
Она служит, главным образом, для получения движущегося изображения с замедлением времени, в том числе при трюковых съёмках уменьшенных макетов.
Скоростная съёмка (Ультра-рапид) — кино- или видеосъёмка с частотой от 200 до 10 000 кадров в секунду. Осуществляется специальными видеокамерами или киноаппаратурой при непрерывном движении киноплёнки или на неподвижный фотоматериал с использованием различных оптических и электронных способов коммутации света. Иногда такая разновидность съёмки называется высокоскоростной фотографией, а устройства — скоростными фоторегистраторами. В 1948 году Общество инженеров кино и телевидения (SMPTE) узаконило определение скоростной съёмки, которой считается любой способ фиксации движущегося изображения с частотой, превышающей 128 кадров в секунду и предусматривающей создание как минимум трёх последовательных снимков.
Источник
Высокоскоростная съёмка (иногда Сверхскоростная съёмка) — кино- или видеосъёмка с частотой кадров от 10^4 до 10^9 кадров в секунду. Киноплёнка при таком методе съёмки остаётся неподвижной в процессе экспонирования, а движутся образующие изображение пучки света, сформированные оптической системой. В некоторых системах высокоскоростной киносъёмки используются линзовые растры или волоконная оптика. В последних случаях запись не содержит цельного изображения и для его воспроизведения на экране требуются дешифровка и печать на обычной киноплёнке с помощью специальных типов.
Ускоренная съёмка позволяет замедлить движение на экране и рассмотреть его во всех подробностях. Это актуально, например, при съёмках спортивных соревнований, когда необходимо определить победителя или оценить точность выполнения упражнений. В кино о спорте ускоренную киносъёмку одной из первых использовала Лени Рифеншталь при создании фильма «Олимпия». В постановочном кинематографе ускоренная съёмка используется как выразительное средство, например, чтобы показать действия героя «во сне» или в момент эмоционального потрясения. Иногда повышенная частота устанавливается в кинокамере для имитации слабой гравитации и невесомости. Ускоренная съёмка (обычно 80—100 кадров в секунду) обязательна при создании комбинированных кинокадров с уменьшенными макетами: замедление движения позволяет сохранить достоверность действия, несмотря на небольшие размеры декораций.
Замедление темпа движения на экране возможно не только за счёт увеличения частоты киносъёмки, но и за счёт замедления киноплёнки в кинопроекторе или магнитной ленты в видеомагнитофоне с динамическим трекингом. Этот способ в 1970-х годах нашёл широкое применение в показах замедленных повторов при телетрансляциях спортивных мероприятий.
Первые опыты замедленных повторов стали возможны уже в 1934 году на немецком телевидении после начала эксплуатации кинотелевизионной системы «Цвишенфильм» с промежуточной киноплёнкой, однако для вещания система оказалась слишком неудобной, уступив место электронным камерам. Первое устройство «HS-100», пригодное для электронных трансляций замедленных видеоповторов соревнований, было выпущено только в марте 1967 года американской компанией Ampex. Устройство воспроизводило одни и те же телевизионные поля по нескольку раз, замедляя движение на экранах телевизоров.
В кинематографе замедлить движение, снятое с нормальной частотой, можно таким же образом путём кратного размножения каждого кадрика на специальном кинокопировальном аппарате трюковой печати. Двухкратная печать каждого кадрика даёт на экране двухкратное замедление, соответствующее такому же увеличению частоты съёмки или уменьшению частоты проекции.
Однако при таком способе замедления движение на экране становится прерывистым, а некоторые фазы быстропротекающих процессов вообще невидимы, поскольку при съёмке попадают в интервал между снятыми кадрами. При сильном замедлении проекции до 1—2 кадров в секунду изображение становится похожим на слайд-шоу. Поэтому в большинстве случаев для замедления движения на экране предпочтительно использование ускоренной съёмки. В настоящее время для осуществления замедленных повторов на телевидении (Ultra Motion повторы в прямом эфире) выпускаются специальные вещательные системы, состоящие из высокоскоростной передающей камеры, видеосервера и контроллера, позволяющего замедленно воспроизвести с сервера любой момент отснятого действия. При этом движение на экране остаётся плавным за счёт высокой частоты съёмки камеры до 250 кадров в секунду.
В отличие от ускоренной съёмки, используемой, главным образом, в научно-популярном и художественном кинематографе, а также в спортивном телевещании, скоростная и высокоскоростная запись изображения применяются для исследования быстропротекающих процессов в науке и технике. Первые опыты с хронофотографией, ставшей прообразом кинематографа, проводились с теми же целями, позволяя изучать явления, недоступные человеческому восприятию. Наиболее известным примером таких исследований являются опыты Эдварда Мэйбриджа по фиксации фаз лошадиного галопа, позволившие определить момент отрыва от земли всех четырёх ног.
Источник картинки: www.wikipedia.org
Современная аппаратура позволяет снимать от нескольких тысяч до десятков миллионов кадров в секунду, делая возможным наблюдение очень быстрых процессов. Высокоскоростные цифровые устройства применяются в науке и промышленности для анализа краш-тестов, детонации, искровых разрядов и других явлений:
Полученные в лабораторных условиях кадры позволяют точно измерить параметры движения, и в конечном счёте улучшить конструкцию изделий или проверить научную теорию. Иногда эти съёмки используются в качестве иллюстрации в документальных и научно-популярных фильмах.
Технологии скоростной съёмки
Современные технологии скоростной съёмки позволяют снимать со скоростью до 25 млн кадров в секунду, что делает возможным съёмку даже летящего артиллерийского снаряда. При данной съёмке используется достаточно старый приём, который впервые был применён при съёмке ядерного взрыва, при испытании атомной бомбы в манхэттенском проекте. При этом использовалась камера Fastex, которая могла снимать со скоростью до 10 000 кадров в секунду или один кадр в 100 микросекунд.
Хотя на тот момент уже существовали камеры позволяющие снимать с гораздо большей скоростью. В качестве примера такой камеры, можно привести, например, камеру под названием Marley, разработанную британским физиком, которая позволяла вести съёмку со скоростью до 100 000 кадров в секунду. Это камера состояла из вращающегося зеркала и массива линз внутри изогнутого корпуса. Каждая линза была установлена таким образом, чтобы фокусироваться на отдельном участке плёнки, закреплённой на краю корпуса. Такое устройство позволяло записывать до 50 изображений на 100 000 кадров в секунду.
Говоря же о современной технологии съёмки быстрых процессов типа артиллерийского снаряда, то там используется сочетание камеры и быстро движущегося зеркала, которое вращается с той же скоростью, с которой летит и снаряд. С применением такого способа можно держать в поле зрения снаряд на протяжении сотен метров (т.е. в пределах поворота зеркала на 90°), причём, чем быстрее движется снаряд, — тем быстрее должно поворачиваться зеркало.
Современные съёмочные системы позволяют производить съёмку быстро движущихся объектов, с использованием зеркал, управляемых компьютером. Это позволяет отслеживать объекты, имеющие нелинейную скорость, другими словами, объекты могут в процессе движения как ускоряться, так и замедляться.
Источник картинок
Но существует ещё более интересная система, которая использует не просто одно зеркало, управляемое компьютером, а целых 2 зеркала! Например, Токийским университетом был разработан трекер, позволяющий за счёт быстрого перемещения двух зеркал, отслеживать даже теннисный шарик во время игры.
В ролике ниже показаны эти 2 рассмотренные системы — в действии:
В настоящее время, после появления цифровых фотографии и видеозаписи большинство технологий скоростной съёмки, основанных на кинематографических процессах, устарели, поскольку электронные устройства не содержат никаких движущихся частей, ограничивающих быстродействие. ПЗС-матрицы позволяют регистрировать быстропротекающие процессы с частотой до 1000 кадров в секунду. Появление КМОП-матриц стало примером подрывной инновации, позволив снимать миллионы кадров в секунду и полностью заменить киноплёнку.
КМОП-матрица. (Источник картинки: www.wikipedia.org)
Достигнутый в 2011 году уровень быстродействия в 0,58 триллиона кадров в секунду позволяет зафиксировать перемещение светового фронта импульсного лазера. Даже некоторые цифровые компактные фотоаппараты, например, серии «Casio Exilim», уже оснащаются функцией скоростной видеосъёмки с частотой до 1200 кадров в секунду при уменьшенных размерах кадра. В постановочном кинематографе для ускоренных съёмок используются специальные цифровые кинокамеры, среди которых наиболее известны устройства «Phantom», способные снимать до миллиона кадров в секунду.
Но и это не предел!
В 2014 году Учёные из Токийского университета и Университета Кейо в Японии разработали камеру, которая может снимать со скоростью до 4,4 триллиона кадров в секунду. Она была разработана для фиксирования явлений, которые раньше было невозможно заснять, — например, процесс теплопроводности.
В 2015 году Массачусетским технологическим институтом была создана камера, способная снимать 1 триллион кадров в секунду и которая смогла заснять процесс распространения светового фронта:
Но уже в 2018 году появилась камера T-CUP, которая обладает возможностями снимать совершенно потрясающе: 10 ТРИЛЛИОНОВ! кадров в секунду и может в буквальном смысле «замораживать время», так как позволяет захватывать кадр с интервалом в 100 фемтосекунд и позволяет изучать на новом уровне и с высоким разрешением по времени — процесс взаимодействия света и вещества: 
Принцип действия камеры T-CUP, на базе фемтосекундных лазеров (Источник картинки
Казалось бы — ну вот и предел! А вот и нет — в 2020 году прошла новость, что исследователями Калифорнийского технологического института была разработана камера на основе технологии «сжатой сверхбыстрой спектральной фотографии» (CUSP) — которая явилась своеобразным «апгрейдом» предыдущей технологии T-CUP. Принцип действия базируется на основе чрезвычайно коротких импульсов лазерного света, каждый из которых длится всего одну фемтосекунду (для справки, — это одна квадриллионная доля секунды).
Система оптики разбивает эти импульсы на ещё более короткие вспышки. Затем каждый из этих импульсов попадает на специальный датчик в камере, создавая изображение. И это происходит с частотой 70 триллионов кадров в секунду!
Схема системы CUSP. Источник картинки
Система CUSP разработана ведущим автором исследования Лихонг Ван. Эта новейшая система работает в семь раз быстрее, чем предыдущая. Ван и его команда считают, что технология CUSP может быть использована для исследования сверхбыстрого мира фундаментальной физики и поможет создать/послужить/помочь в миниатюризации электроники и увеличении её чувствительности.
«Мы предполагаем применение в широком спектре чрезвычайно быстрых явлений, таких как распространение света сверхкоротких длин волн, распространение волн, термоядерный синтез, перенос фотонов в облаках и биологических тканях, а также флуоресцентный распад биомолекул», — говорит Ван.
Процесс разработки новых устройств продолжается и кто знает, чем ещё удивит нас будущее?
