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世界上最快的攝像機(jī)有多快

時(shí)間: 曾揚(yáng)1167 分享

  世界上最快的攝像機(jī)可以讓你看到光的運(yùn)行。

  試驗(yàn)場(chǎng)景是這樣的:一小段激光脈沖從左邊進(jìn)入水瓶,高速攝像機(jī)記錄下激光在水瓶中運(yùn)動(dòng)的過程。

  圖片來自https://youtu.be/Y_9vd4HWlVA

  如果你看不到Y(jié)outube上的視頻,可以試試https://www.bilibili.com/video/av1705086/

  這種攝像技術(shù)叫做飛秒照相,出自麻省理工學(xué)院的研究人員之手。成像速度達(dá)到駭人聽聞的每秒1萬億幀。仔細(xì)算算你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題:光在真空中的速度是每秒3 x 10^8米,那么在攝像機(jī)產(chǎn)生一幅圖片的時(shí)間內(nèi),光在真空中也只能走0.3毫米。為了生成一幅圖像,攝像機(jī)需要進(jìn)行大量的電子或機(jī)械操作。這樣看來,莫非這個(gè)攝像機(jī)可以超光速運(yùn)行?

  還有一個(gè)問題:高速攝影中,每一幅圖片曝光時(shí)間都非常短。在1萬億分之一秒內(nèi),攝像機(jī)接收到的光微乎其微,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以生成一幅圖片。

  飛秒照相技術(shù)確實(shí)玩了一個(gè)小花招來避免上述問題。你看到的視頻好像是一小段激光穿過水瓶的過程,但實(shí)際上,他們向水瓶發(fā)射了上百萬次激光脈沖,錄制了上百萬段視頻。當(dāng)然,每一段視頻包含的信息量極少,無法觀看。然后電腦把所有視頻合成為一個(gè),集合了所有視頻中的信息。所以,攝像機(jī)不需要超光速運(yùn)行(雖然攝像機(jī)的速度確實(shí)很高),錯(cuò)過了幾幀也沒有關(guān)系,下一次總會(huì)抓住的;每一幀光線太暗也沒有關(guān)系,把一百萬個(gè)視頻合起來亮度就夠了。

  這項(xiàng)技術(shù)還有一些匪夷所思的應(yīng)用,比如可以看見躲在墻角的人。

  圖片來自

  https://www.slideshare.net/cameraculture/raskar-ted-global-2012-femto-photography

  在上圖的場(chǎng)景中,攝像機(jī)不能看見屋里的人。于是,攝像機(jī)向門的不同位置發(fā)射多次激光脈沖。光子從門上發(fā)射,走向不同方向。有少量激光會(huì)落到人身上,再次反射。部分激光會(huì)再次落到門上。其中少數(shù)比較走運(yùn)的光子會(huì)進(jìn)入攝像機(jī)的鏡頭,被攝像機(jī)看到。攝像機(jī)通過分析接收到光子的時(shí)間,大致判斷目標(biāo)在屋里的什么位置。

  經(jīng)過上百萬次激光脈沖和成像,攝像機(jī)就能建立起一個(gè)大致的三維模型。

  圖片來自https://youtu.be/Y_9vd4HWlVA

  飛秒照相技術(shù)發(fā)表于2012年。從此以后,其他研究機(jī)構(gòu)紛紛跟進(jìn),成像速度也得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。現(xiàn)在的最高紀(jì)錄為瑞典隆德大學(xué)保持:每秒5萬億幀。

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