超高速相機(jī)在科研界的地位有多高

通常，高速相機(jī)在人們眼中都是主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，畢竟大家把高速相機(jī)習(xí)慣性地與工業(yè)相機(jī)畫“＝”，但實(shí)際上，高速相機(jī)的應(yīng)用不僅僅是工業(yè)領(lǐng)域，在科研領(lǐng)域，也有著舉足輕重的地位。

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近期，北京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系教授、北京智源人工智能研究院院長黃鐵軍團(tuán)隊(duì)的“超高速脈沖相機(jī)”項(xiàng)目，刷爆科研圈。

其作為“學(xué)科交叉促進(jìn)重大原始創(chuàng)新”成果，不論是在學(xué)術(shù)界還是在科研界，都有著里程碑式的重要意義。

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為什么“超”高速相機(jī)這么備受關(guān)注？

由于傳統(tǒng)的照相機(jī)在拍照時(shí)，存在曝光時(shí)間兩難問題。要想增加圖像的細(xì)節(jié)層次、動(dòng)態(tài)范圍，則相機(jī)必須增加曝光時(shí)間，而要抓拍高速運(yùn)動(dòng)的物體、場景，又要減小曝光時(shí)間。顯然，普通數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)不能滿足“瞬間視覺”的需要。

比如想研究一些快速物體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，比如想驗(yàn)證無人駕駛時(shí)汽車突發(fā)狀況的載人效果、粒子運(yùn)動(dòng)效果、電場對(duì)氣泡沸騰影像、飛行器的研究等，傳統(tǒng)相機(jī)、最先進(jìn)的數(shù)碼相機(jī)，目前都無法滿足這一要求。

它們或許可以錄制視頻、拍攝瞬間照片，但是如果想要放慢速度觀看科研要求的細(xì)微細(xì)節(jié)，它們都無法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@些相機(jī)只能把人眼能看到的記錄下，但人眼無法實(shí)現(xiàn)瞬間動(dòng)作的細(xì)微觀察記憶。

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但高速相機(jī)、超高速相機(jī)就不同了。尤其超高速相機(jī)，它是從視覺表示模型層面顛覆了圖像和視頻概念。

在《中國科學(xué)報(bào)》的報(bào)道中，根據(jù)黃鐵軍先生的介紹，在超高速脈沖相機(jī)中，圖像的每個(gè)像素獨(dú)立工作，將物體反射的高速光子流轉(zhuǎn)換成高速比特流，完整記錄了光的變化過程，從而徹底打破了化學(xué)時(shí)代形成的視頻概念藩籬，從而實(shí)現(xiàn)追光逐電，重構(gòu)出高速連續(xù)影像，是真正的“數(shù)字相機(jī)”。

也就是說，通過超高速脈沖視覺芯片，我們可以實(shí)現(xiàn)超高速連續(xù)成像和目標(biāo)跟蹤識(shí)別，進(jìn)而推動(dòng)生命醫(yī)學(xué)尤其是腦科學(xué)方面的研究進(jìn)展。相信在不久的將來，超高速視覺會(huì)應(yīng)用到更多醫(yī)學(xué)即科研領(lǐng)域。

既然高速相機(jī)在科研界這么受關(guān)注，那它都可以那些科研工作中使用到呢？

高速相機(jī)小課堂

科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

高速相機(jī)在科研方面的應(yīng)用主要表現(xiàn)在：材料測試、燃燒、生物力學(xué)、裂紋擴(kuò)展、流體動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)、噴霧和噴霧等分析。為了滿足高校實(shí)驗(yàn)室、研究所及科研的實(shí)驗(yàn)分析，需要用到超高分辨率高速攝像機(jī)的記錄，能將高速運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展和運(yùn)動(dòng)規(guī)律等清晰成像。

01

液化石油氣試驗(yàn)是高速相機(jī)應(yīng)用的一個(gè)小領(lǐng)域，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)置特定的爆炸試驗(yàn)裝置，采用高速相機(jī)記錄爆炸的動(dòng)態(tài)過程，分析其中關(guān)系。為研究液化石油氣體積分?jǐn)?shù)與點(diǎn)火能的關(guān)系以及爆炸火焰的傳播過程，在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用特質(zhì)的爆炸試驗(yàn)裝置，采用調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)火能和液化石油氣體積分?jǐn)?shù)的方法，進(jìn)行一系列爆炸試驗(yàn)，并使用高速攝像機(jī)記錄爆炸的動(dòng)態(tài)全過程。

02

超控泡形態(tài)特征研究便屬于其中一個(gè)方面，為研究超控泡形態(tài)特性，借助高速攝像機(jī)記錄子彈射入水中的運(yùn)動(dòng)過程。采用高速射彈方法實(shí)驗(yàn)研究了子彈入射水中及表面活性劑減阻劑水溶液中產(chǎn)生的超空泡形態(tài)特性，同時(shí)用高速攝像機(jī)記錄子彈的運(yùn)動(dòng)過程及產(chǎn)生的超空泡形態(tài)。

03

流體力學(xué)中的湍流、流體的流速、流場、氣泡、沸騰、兩相流等運(yùn)動(dòng)規(guī)律的觀察和分析更是少不了高速攝像機(jī)的參與。如用高速攝像拍攝的石頭進(jìn)入水中一剎那的細(xì)節(jié)。通過高速攝像機(jī)影像，研究人員能夠了解石頭水下的受力情況，并通過流體動(dòng)力學(xué)，分析出為何石頭能在水面上連續(xù)多次漂浮。