Введение

       Скоростная видеосъемка берет свое начало от скоростной киносъемки и унаследовала от нее часть задач. Все эти задачи можно объединить одним термином - регистрация и визуализация быстропротекающих процессов. Одновременно эти процессы тоже можно условно разбить по используемым частотам съемки на три группы:

• съемка с частотой до 500 кадр/сек (исследования объектов животного мира, большинства машин и механизмов, баллистические исследования)
• съемка с частотой до 40.000 кадр/сек (физика, химия горения и взрыва, космическая и авиационная техника, бионика и т.д.)
• съемка с частотой до нескольких миллионов кадр/сек (исследования излучения лазеров, быстрого горения и взрыва, диагностика плазмы и пр.)

       Очевидно, что подавляющее большинство задач относится к научным исследованиям, хотя и нельзя сбрасывать со счетов набирающие силу съемки для рекламных целей.

       Если говорить о киносъемке, то для решения задач первой группы применяются кинокамеры с прерывистым движением кинопленки, второй - киноаппараты с призменной и зеркальной компенсацией движения пленки, третьей - камеры с зеркальной разверткой изображения и неподвижной кинопленкой. Первые скоростные видеокамеры по принципу действия были похожи на скоростные кинокамеры - пленку видеомагнитофона заставляли двигаться с повышенной скоростью. При этом достигались частоты в несколько сотен кадр/сек. Однако повышенная скорость движения магнитной ленты влечет за собой большие динамические и, следовательно, прочностные проблемы, с которыми столкнулись еще при проектировании и производстве высокоскоростных кинокамер (эти проблемы лимитируют названные выше пределы частот киносъемки).

       К счастью, существуют и другие приемники информации, кроме кинопленки и магнитной ленты. Носителями информации в общем случае выступают фотоны, и современные высокоскоростные системы регистрации быстропротекающих процессов строятся на базе соответствующей науки - фотоники (официальное название - высокоскоростная фотография и фотоника - ВФиФ). В частности, фотонике с 60-х годов известны позиционные запоминающие системы. В настоящее время наиболее широко используются в качестве приемников информации ПЗС-матрицы. В результате современная высокоскоростная видеокамера совсем не содержит подвижных частей. А максимальная частота видеосъемки и разрешение определяются информационной емкостью ПЗС-матрицы (о технических характеристиках речь пойдет позже). Современные высокоскоростные видеокамеры по своим характеристикам пригодны для решения второй группы задач. По качеству изображения они пока несколько проигрывают кинокамерам, но технология производства приемников излучения бурно прогрессирует, соответственно возрастает и качество видеосъемки. Здесь уместно сказать об одном важном преимуществе видеокамер перед кинокамерами.

       Очень часто характеристики быстропротекающего процесса недостаточно известны перед началом съемки (например, неизвестна необходимая частота съемки). При съемке кинокамерой отснятую пленку нужно подвергнуть фотохимической обработке в лаборатории (которая находится где-то далеко от места съемки) и только после этого можно определить, правильно ли были выбраны параметры съемки (правильно ли была выбрана частота). Если неправильно - съемку нужно повторить со всеми вытекающими последствиями.. Видеосъемка может быть повторена сколько угодно раз, результаты оцениваются на месте и при необходимости вносятся коррективы.

       Интересна комбинация видео- и киносъемки. Видеосъемка используется в качестве пилотной для изучения параметров снимаемого процесса, киносъемка - для получения качественного результата. Известно, что многие фирмы, производящие профессиональное телевизионное оборудование, ведут весьма активную работу по созданию телевизионных камер для высокоскоростной съемки. Однако известно и то, что увеличение скорости видеозаписи неизбежно ведет к потере качества изображения. Это объясняется тем, что в существующих на сей день светочувствительных матрицах ПЗС (CCD) и КМОП (CMOS) скорость считывания, обработки и передачи данных в запоминающее устройство не столь высока, как хотелось бы. Поэтому, с увеличением скорости съемки (частоты кадров) приходится уменьшать количество рабочих пикселей матрицы, участвующих в формировании изображения. Тем самым уменьшается сканируемая площадь изображения. Естественно, это снижает качество картинки. Но пока, к сожалению, это делается именно так. По этой причине (а она наиболее существенна) возможности ускоренной съемки в цифровом кинематографе пока весьма ограничены, то есть качество изображения, на сей момент, не полностью удовлетворяет современным требованиям кино и телевидения.

       Для рапидной рекламной съемки, в большинстве случаев, используются скорости записи от 100 до 500 кадров в секунду. Для съемки же событий, занимающих десятые доли секунды, требуются скорости от 500 до 1000 кадров в секунду. Что касается быстропротекающих процессов, с которыми приходится сталкиваться во время научных исследований, то они происходят за сотые или тысячные доли секунды и, даже более короткие промежутки времени. Очевидно, что здесь требуются гораздо более высокие скорости съемки и обычные телевизионные камеры для этих целей не подходят. Вместе с тем, для экспериментаторов принципиально важно увидеть и понять, что реально происходит во время этого, скрытого временем быстропротекающего процесса. В противном случае, о том что происходило в реальности, можно только предполагать, но не более.

       В истории физических экспериментов сохранились сведения о том, как и зачем были сделаны первые съемки механической высокоскоростной камерой. Однажды в пылу философской полемики австрийский физик-философ Эрнст Мах (1838-1916) спросил своего приятеля: " А ты действительно веришь, что артиллерийский снаряд существует в полете? Ты его видел? Может быть он вообще исчезает после выстрела из орудия и затем появляется лишь у цели, где предписывают ему оказаться законы механики? " Ошарашенный приятель ответил ему вращением пальца у виска, что не показалось Маху убедительным контраргументом. Поэтому Эрнст Мах сконструировал специальную механическую высокоскоростную камеру и первым в мире сумел получить снимки артиллерийского снаряда в полете. Да, наряд существовал - он появился на этих снимках. Более того, на этих снимках были запечатлены загадочные темные "усы", расходящиеся в стороны и назад от носа снаряда.

        Эта первая высокоскоростная съемка дала возможность понять, что темные "усы" - это конус ударной волны (ныне называемый конусом Маха), вызываемый движением снаряда в воздухе быстрее скорости звука, а также связать угол этого конуса (угол Маха) с отношением скорости снаряда к скорости звука (числом Маха). Опыт австрийского физика явился началом потока научных исследований, связанных с применением высокоскоростных камер различных типов. Шло время, и механические скоростные кинокамеры все больше сдавали позиции камерам телевизионным.