Дата публикации: 05.05.2017
Ученые из Лундского университета (Швеция) создали самую скорострельную в мире камеру, которая делает снимки с частотой пять триллионов кадров в секунду.
Камеру назвали FRAME. По-английски это слово звучит как «кадр», однако является аббревиатурой от «Frequency Recognition Algorithm for Multiple Exposures» (Алгоритм частотного распознавания для множественных экспозиций). Описывая камеру, создатели поясняют, что она может «практически остановить распространение света», запечатлевая события столь короткие, как 0,2 триллионных секунды. Ученые считают, что камера поможет документировать различные явления в химии, физике, биологии и медицине – на невозможном ранее уровне.
Насколько это много – пять триллионов раз в секунду? Это пятерка с двенадцатью нулями – 5000000000000. Для сравнения – если принять продолжительность человеческой жизни за 80 лет, то в ней уложится 2,5 миллиарда секунд. Всего-то два с половиной миллиарда! Шведская суперкамера за одну секунду может сделать в 2000 раз больше кадров, чем количество секунд, которое мы проживаем за всю жизнь.
«До сих пор, единственным способом визуализировать сверхбыстрые процессы была съемки отдельных последовательных кадров», поясняет ученый Элиас Кристенссон (Elias Kristensson). «Дальше вам нужно попробовать повторить идентичные эксперименты, чтобы получить несколько отдельных изображений, которые можно объединить в фильм. Проблема этого подхода в том, что в следующий раз, когда вы повторяете эксперимент, процесс уже не будет идти идентично».
Чтобы продемонстрировать возможности камеры, разработчики из Лунда сделали видео, на котором показаны фотоны света, проходящие дистанцию, равную толщине обычного листа бумаги. Для прохождения такого расстояния свету требуется ничтожно малое время – около пикосекунды, однако камера способна запечатлеть это движение в замедленном виде.
Наверное, вы уже догадываетесь, что новая суперкамера работает не совсем так, как традиционная камера. Разработчики дают следующее упрощенное объяснение:
«Обычные высокоскоростные камеры делают последовательно снимок за снимков. Новая же технология базируется на инновационном алгоритме, когда в одном кадре делается несколько кодированных снимков. В дальнейшем они разделяются на отдельные изображения, из которых можно получить видеоряд. Коротко говоря, метод подразумевает экспонирование снимаемого процесса (например, химической реакции) светом в виде лазерных вспышек, где каждой вспышке присвоен уникальный код. Объект отражает вспышки света, которые складываются в один кадр. Однако потом их можно разделить в последовательность, используя декодирующий ключ».
Наверное, каждый из нас когда-то смотрел документальные фильмы о живой природе, когда процессы, происходящие на Земле видны в самом близком приближении. Или, когда извержение вулкана показывается в мельчайших подробностях. Или взрывы пиротехники. Существует много такого, что даже самая лучшая камера не снимет так, как высокоскоростная.
Такие устройства снимают со скоростью сотни тысяч и миллионы кадров в секунду и именно поэтому нам удается рассмотреть то, что раньше было просто недоступно ни камерам, ни тем более, человеческому глазу.
Но приготовьтесь к тому, что подобные камеры имеют еще совершенно космическую стоимость, которая доступна только крупным телеканалам и съемочным студиям, научным институтам.
Рейтинг: лучшие высокоскоростные камеры
| Место | Высокоскоростные камеры 2017 года | Рейтинг |
|---|---|---|
| 1 | 5.0 | |
| 2 | 4.8 | |
| 3 | 4.6 | |
| 4 | 4.4 | |
| 5 | 4.0 | |
| 6 | 4.0 | |
| 7 | 4.0 |
Девайс позиционируется, как самая скоростная мегапиксельная камера, которая «умеет» снимать со скоростью 25600 кадров/сек. при максимальном разрешении 1280х800 точек. При этом, если условия съемки требуют более высокой скорости, то при снижении разрешения, можно добиться скорости съемки 1000000 кадров/сек.(!) Поистине, космическая скорость, но на Земле.
Затвор этой камеры способен открываться/закрываться со скоростью 265 наносекунды, что действительно делает гаджет уникальным в своем роде. Объем скоростного жесткого диска составляет 288 ГБ, а все отснятое напрямую передается в CineMag со скоростью 10 Гб/сек.
Высокоскоростная камера российской разработки, применяется в различных областях жизнедеятельности человека: медицина, наука, технологии, армия, транспортная инфраструктура и т. д. Камера снимает со скоростью 1000 кадров в секунду с разрешением 1280х860 точек, а при желании, камера «разгоняется» до скорости 22500 кадров/сек. при уменьшении пикселизация.
Сенсор камеры монохромный, объем памяти составляет 4 ГБ, который увеличивается до 128 ГБ (если настроить максимально качество и скорость съемки, то 4 ГБ памяти заполняются за 3,7 секунды). Производитель дает гарантию 5 лет, а тот фактор, что это отечественная разработка существенно упрощает процесс ремонта и сервисного обслуживания.
Достаточно стандартная камера, если такое слово вообще корректно в отношении высокоскоростных камер. Скорость съемки при разрешении в 1280х1024 точек составит 1000 кадров в секунду, при этом, скорость затвора равна 2 наносекунды.
Камера используется в различных отраслях науки и промышленности для съемки самых быстротекущих процессов – внутренней памяти хватит на 6,5 секунд записи при максимальном разрешении и скорости. Данная линейка модели насчитывает несколько разновидностей камеры, что позволят подобрать оптимальную для различных задач и условий применения.
Эта промышленная камера имеет два варианта технической комплектации с различными возможностями. Корпус камеры максимально обеспечивает сохранность и долговечность устройства благодаря промышленным же, технологиям. Скорость съемки может достигать 6300 кадров/сек., а управляться камера может при помощи приложения для устройств на ОС Android .
Объем встроенной памяти может быть 16 или 32 ГБ, в комплекте поставки находится высокоскоростной SSD диск . В основном, данная серия высокоскоростных камер используется для контроля качества сварного шва в промышленности и диагностики промышленных линий производства, где человеческий глаз не способен уловить неисправности, или отклонения в процессах.
Высокоскоростная камера с возможностью съемки со скоростью до 205 000 кадров в секунду (в зависимости от пикселизации). Основной отличительной чертой этого устройства является температурный диапазон применения камеры: от -40 до +50 градусов С. Корпус камеры обладает повышенными прочностными характеристиками, присутствуют различные современные интерфейсы для подключения дополнительного оборудования.
Данная серия скоростных устройств состоит из 12 различных комплектаций, что дает широкие возможности по выбору, исходя из последующих условий эксплуатации. Однако, ремонт и обслуживание камеры может вызвать затруднения, т. к. производство находится в США (время поставки запчастей может достигать 1-3 месяца).
Данная камера от отечественного разработчика позволяет снимать с максимальной скоростью 4000 кадров в секунду и максимальным разрешением 1280х800 точек. Нужна скорость выше, пожалуйста – 85000 кадров и минимальное разрешение в пикселях. Сенсор камеры данной модели цветной, объем жесткого диска может достигать 128 ГБ.
Как и черно-белый «собрат» этого производителя, о котором мы говорили выше, устройство собирается в России, что является существенным плюсом при ремонте и обслуживании.
Phantom VEO 710
Данная камера снимает в максимальном разрешении 1280х800 точек при скорости 7400 кадров в секунду. Это ее максимальное качество, но при необходимости, девайс можно «разогнать» до 1 000 000 кадров, при понижении пикселизации. Устройство выпускается в двух версиях комплектации, которые различаются в наличии дополнительных возможностях у «старшей» модели.
Хранилище файлов может составлять 72 ГБ, все компоненты надежно защищены от ударов, вибраций и высоких перегрузок, которые могут варьироваться от 30 до 100 Джи. При покупке следует быть внимательным, т. к. некоторые функции камеры могут потребовать дополнительных международных лицензий.
Сверхскоростная камера T-CUP
Учёные из Национального научно-исследовательского института (Канада) и Калифорнийского технологического института разработали самую скоростную в мире видеокамеру T-CUP , которая снимает со скоростью 10¹³, то есть 10 триллионов кадров в секунду. Этот прибор позволяет буквально заморозить время, то есть визуализировать явления (и даже свет) в очень медленном темпе.
Высокоскоростные камеры открывают двери для новых и высокоэффективных методов микроскопического анализа динамических явлений в биологии и физике. Например, можно подробно изучать процессы в живой клетке или движение молекул.
Принцип работы T-CUP
В камере используются лазеры, которые производят ультракороткие импульсы в фемтосекундном диапазоне (10 -15 с). Фемтолазеры - лишь половина дела. Чтобы использовать их в видеокамере, должен быть способ записи изображений в реальном времени с очень коротким временны́м разрешением. Создание T-CUP стало возможным благодаря инновациям в нелинейной оптике и технологиях визуализации.
Используя современные методы визуализации, измерения с помощью сверхкоротких лазерных импульсов, должны повторяться многократно, что подходит для некоторых типов инертных образцов, но невозможно для других более хрупких. Например, лазерная гравировка стекла может выдержать только один лазерный импульс, так что у исследователей есть менее пикосекунды, чтобы захватить результаты. Другими словами, метод визуализации должен быть способен охватить весь процесс в режиме реального времени.
Сжатая сверхбыстрая фотография (compressed ultrafast photography, CUP) стала хорошей отправной точкой. Этот метод позволил достичь 100 миллиардов кадров в секунду, о нём в 2014 году. Однако технология имела принципиальные ограничения, для преодоления которых разработан улучшенная система T-CUP, поднявшая скорость на несколько порядков. Здесь уже применяется высокоскоростной фемтосекундный фотохронограф, как в томографии, в сочетании с камерой, которая записывает статичное изображение. В таком сочетании исследователи получили возможность использовать так называемое преобразование Радона для получения высококачественных изображений со скоростью до десяти триллионов кадров в секунду (преобразование Радона - интегральное преобразование функции многих переменных, родственное преобразованию Фурье).
Процесс временно́й фокусировки одиночного фемтосекундного лазерного импульса
Зачем это нужно?
Установив мировой рекорд по скорости визуализации, Т-CUP может привести к появлению нового поколение микроскопов для биомедицины, материаловедения и других приложений. Эта камера представляет собой фундаментальный сдвиг. Она даёт возможность анализировать взаимодействия между светом и веществом с беспрецедентным временны́м разрешением.Впервые видеокамера сняла процесс временно́й фокусировки одиночного фемтосекундного лазерного импульса в режиме реального времени (на фото выше). Этот процесс записан на 25 кадрах с интервалом 400 фемтосекунд: на нём в деталях видны форма, интенсивность и угол наклона светового импульса.
Кадры видеосъёмки T-CUP
На фотографиях выше показаны: лазерный импульс, который проходит под наклоном через решётку (b); пространственная фокусировка одного лазерного импульса (с), лазерный импульс продолжительностью 7 пикосекунд, который пролетает через сплиттер 50:50 в небольшом облачке водяного пара (e); лазерный импульс, который отражается от двух зеркал (g). В первом случае видеосъёмка велась с максимальной скоростью 10 Tfps, во второй и третьей серии кадров - на 2,5 Tfps, а в последней серии кадров - «всего» на 1 триллионе кадров в секунду.
Описание своей разработки учёные опубликовали в журнале Nature. Вместе с научной работой в открытом доступе лежит несколько видеороликов , вот один из них .
«Это само по себе достижение, - говорит ведущий автор научной работы Цзиньян Лян, - но мы уже видим возможности для увеличения скорости до одного квадриллиона (10 15) кадров в секунду». Исследователи считают, что на такой скорости можно узнать ещё не обнаруженные секреты взаимодействия света и материи. Например, можно детально регистрировать разлёт молекул во время взрыва, распространение световых лучей и другие интересные вещи.
Кстати, специалисты по безопасности рассчитывают, что камера на такой скорости позволит снимать объекты, которые не находятся в прямой видимости , то есть буквально снимать противника из-за угла (видеодемонстрация). Так что подобные устройства могут найти применение не только в теоретической физике, но и во вполне реальных, полезных приборах.
Мы живем «здесь» и «сейчас». Привычное человеку пространство лежит в масштабах от километров до миллиметров, время — от лет до секунд. Наше воображение плохо вмещает вещи по‑настоящему большие, мы почти неспособны отметить события короче десятых долей секунды. А ведь именно там часто происходит самое интересное. Заглянуть за эти пределы позволяют технологии, и самые быстрые вещи фиксируются сверхскоростными видеокамерами. Бросок языка хамелеона, полет пули, ядерный взрыв, движение световой волны. Тысячные, миллионные доли секунды… и почти что триллионные.
Высокоскоростная съемка развивалась почти так же стремительно, как фотография и кино. И если в середине XIX века на получение одного кадра требовалась неподвижная экспозиция в четверть часа и дольше, то уже в 1878-м Эдвард Мейбридж смог со снимками в руках доказать, что при беге лошадь не всегда касается земли хотя бы одной ногой. Шотландский фотограф использовал хитроумную систему из 12 камер, затворы которых срабатывали от рывка нитей, привязанных поперек беговой дорожки.
Уже в 1930-х компания Eastman Kodak предлагала серийно производившуюся камеру, способную делать до 1000 кадров в секунду на ленту 16-миллиметровой пленки. Инженеры из Bell Telephone Laboratories разработали собственную систему для изучения физики дребезга релейных контактов, добравшись до планки в 5000 кадров. Их систему усовершенствовали в компании Wollensak — 10 000 кадров. Впрочем, настоящую скорость фотосъемка набрала благодаря изобретателю Цирси Миллеру, который в 1940 году запатентовал устройство с вращающимся зеркалом, обещавшее скорость миллион кадров в секунду.
Его патент лег в основу камеры, использованной участником проекта «Манхэттен» Берлином Брикснером для съемок первого в истории ядерного взрыва. Испытания «Тринити» фиксировали с 10-километрового расстояния, наставив на эпицентр сразу полсотни сложных съемочных аппаратов. В их числе была и еще одна примечательная камера, созданная профессором Массачусетского технологического института с подходящим прозвищем «Папа Флэш». Гарольд Эджертон считается отцом скоростной съемки, а его камера Rapatronic — первым образцом современных аппаратов.
Rapatronic | 1940-е годы
Эджертон уже больше десяти лет занимался высокоскоростной съемкой, когда ему предложили разработать камеру для фиксации невиданно быстрого (и невиданно секретного) события — ядерного взрыва. Для испытаний обычно использовали от четырех до двенадцати таких аппаратов, каждый из которых мог сделать лишь по одному кадру с выдержкой 10 наносекунд. Ни один протяжный механизм неспособен сработать на такой скорости, так что после каждого снимка камеры приходилось перезаряжать. Не справился бы и механический затвор, управляющий диафрагмой. Но именно тут и скрывался главный секрет Эджертона.
Свет, попадающий на объектив Rapatronic, блокировался парой поляризационных фильтров, повернутых относительно оптической оси перпендикулярно друг другу: один «отсекал» волны с вертикальной поляризацией, другой — с горизонтальной. Однако зазор между ними был заполнен прозрачной жидкостью нитробензола, способной вращать плоскость поляризации, если к ней приложить внешнее электромагнитное поле. Поле создавалось электромагнитной катушкой, запитанной от мощного конденсатора. При срабатывании такого затвора излучение с вертикальной поляризацией, пропущенное первым фильтром, слегка «подкручивалось», и второй фильтр, блокирующий все вертикальные волны, свободно его пропускал на чувствительную пленку.
Beckman & Whitley 192 | 1981 год
Еще один «пережиток» холодной войны — 726-килограммовая камера Beckman & Whitley 192 — тоже создавалась для съемки ядерных взрывов и снова отправляет нас к первым испытаниям в Неваде. Вращающиеся зеркала Цирси Миллера здесь обернулись вращением регистрирующей аппаратуры вокруг трехстороннего зеркала в центре мощной конструкции. Струя сжатого газа приводила ее в движение, разгоняя до 6000 оборотов в секунду, и неподвижные зеркала поочередно отражали свет на каждую из 82 закрепленных по краю фотокамер. Каждый кадр получал выдержку меньше миллионной доли секунды. И хотя с Rapatronic это не сравнится, 192-я позволяла снимать события более протяженные, а не отключалась после первого снимка. Похожим образом действовала и разработанная в 1950-х годах в СССР камера ФП-22. Только в ней вращалась система зеркал, так что луч стремительно обегал круг по длинной ленте специальной фотопленки, делая до 100 000 кадров в секунду. Ну а сама легендарная Beckman & Whitley 192, уже списанная, в 2000-х почти за бесценок досталась «охотнику за грозами», инженеру Тиму Самарасу. Он переделал ее на современный лад, заменив пленочные камеры на 82 10-мегапиксельные CCD-матрицы. Путешествуя с камерой в трейлере, Самарас сделал немало эффектных кадров с молниями и торнадо, пока не погиб в урагане, который пронесся над Оклахомой в конце мая 2013 года.
«Пикокамера» | 2011 год
Скорость этой системы позволяет записать даже короткий световой импульс, пока он распространяется от донышка бутылки, отражается колпачком и возвращается обратно. «Во всей Вселенной для этой камеры нет ничего слишком быстрого», — хвастались разработчики устройства. Это, конечно, некоторое преувеличение. Строго говоря, даже «триллиона кадров в секунду», как о том поспешили написать новостные издания, их система не делает: эффективное время экспозиции здесь составляет целых 1,71 пикосекунды. Но гордость разработчиков можно понять. Аппаратура, созданная в Массачусетском технологическом институте (MIT), способна уследить, как расширяется сферическая волна света, испущенного импульсным лазером. Как и у многих специальных лабораторных инструментов для измерения быстропротекающих процессов, в основе системы лежит электронно-оптическая камера. Устройство напоминает приборы ночного видения: световая вспышка, поступающая в камеру через щель, выбивает электроны с фотокатода. Они ускоряются и фокусируются в электромагнитном поле. Наконец, пучок отклоняется, двигаясь по экрану люминофора: каждому моменту времени соответствует определенный участок экрана. Такие камеры (и даже пикосекундные) производят достаточно давно, в том числе и в России. Однако они, как правило, не позволяют рассмотреть никаких деталей. Поэтому инженеры MIT дополнили устройство поворотным зеркалом, которое направляет щель камеры, «сканируя» всю сцену, и сложнейшими математическими алгоритмами, которые собирают всё в последовательную смену кадров.
Запечатлеть свадьбу лучших друзей, снять выпускной сына, разоблачить коррупционера, разместить в соцсети ролик с котиком - для всего этого нужны хорошие надежные видеокамеры. Наш рейтинг включает лучшие видеокамеры, популярные в 2018 году. Сверьтесь с возможностями своего кошелька - и выбирайте. Котики ждать не будут!
Какие бывают видеокамеры?
По назначению и уровню исполнения:
Классические любительские модели . Не требуют от владельца высокой операторской квалификации, обладают множеством автоматических настроек, относительно просты в управлении, легки и компактны. Разброс цен довольно широк, но в целом можно говорить о доступности. Выбирать есть смысл из продуктов известных и проверенных брендов. А вот совсем бюджетные варианты (за 5-6 тыс. руб.) наверняка разочаруют, поскольку качество снимаемого ими видео на уровне возможностей средненького смартфона.
Профессиональные камкордеры . В техническом плане и по комплектации оснащены гораздо лучше. Качество видео, характеристики, сетевые функции, точность регулировок - всё на самом высоком уровне. Понятное дело, что подобное оборудование не для дилетантов, требуются определённые навыки и даже талант. Да и ценник скорее соответствует бюджету корпоративных закупок либо личному (спонсорскому) кошельку хорошо зарабатывающих независимых репортёров, блогеров.
Иногда для видеокамер применяется неофициальное определение «полупро» . Чётких рамок для ввода в данную категорию не существует. Ведь некие монстры кино или телевизионной индустрии могут называть так даже крутые модели за 150-500 тыс., а старшими по иерархии считать «комбайны» дороже миллиона. Только вот наш рейтинг не для них. Здесь правит бал свобода выбора. Хотите считать свою любительскую камеру полупрофессиональной, основываясь на картинке отменного качества и присутствии ручных настроек? Хозяин - барин! Пусть будет так!
По разрешению видео:
На сегодняшний день актуальны два формата: Full HD и 4K. Возможны варианты съёмки с более низкими показателями (HD 720p) и с разной частотой кадров/с и битрейтом. Весьма неплохо, если в камере есть поддержка расширенного динамического диапазона (HDR, WDR и т.п.).
Лучшие фирмы - производители видеокамер
Несомненными лидерами и законодателями мод на рынке цифровых видеокамер традиционно признаются компании Sony и Panasonic (именно в таком порядке). Несколько уступают им в любительском сегменте другие «японцы» Canon и JVC . К чести двух последних брендов, в классе профессиональных моделей о каком-то отставании речи уже не идёт. И аппетиты не зашкаливают, как, например, у того же Sony.
