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凌云高速成像解决方案

来源:http://www.lustervision.com    日期:2015-06-26    点击次数:

众所周知,人眼的时间分辨能力最低为1/24s,而电影的摄影和放映的频率为24幅/s,正是利用这一特点,以不连续的画面串联使人获得连续的感受。但对于许多高速运动的物体或者瞬发现象,受到人眼自身的局限,我们是无法看清其过程的。而高速相机的研究就是为了能够把高速运动的物体的发生、运动规律等记录下来,并以人眼能够分辨的速度展现在人们面前,是一种有效的运动分析记录方式。

现阶段高速相机的发展主要收到一下三方面的制约:

1. 高帧频图像传感器

2. 高数据率接口技术

3. 高速存储技术

高帧频图像传感器

由于单通道输出最大数据率有限,图像传感器要实现高数据率输出,唯一可行的方法是采用多通道输出,一般的面阵CCD相机,为了提高其帧频,最多会采用4通道输出的方法,由于面阵CCD相机最多只能4通道输出,每通道输出数据率一般不超过40MHz,所以在分辨率比较高时,其帧频是无法提高的。CMOS图像传感器在多通道输出方面有CCD无法比拟的优势,其输出通道可以达到数十个,因此高速相机基本上成了CMOS图像传感器的“专利”。

高数据率接口技术

高速成像另一个关键技术是高数据率接口技术,在高速中应用比较多接口的是cameralink和CXP接口。cameralink接口相机技术成熟,配套方案齐全,几乎被所有视觉领域的生产厂商所采用,所以现在的主流高速相机还是以cameralink相机为主,但是cameralink因为带宽影响,越来越不能满足更高分辨率和实时传输数据的要求,在这样的背景下,CXP接口在09年斯图加特视觉展上被Adimec公司推出,CXP是一种新的非对称高速点对点序列通讯标准,可以通过增加线缆数量进行带宽升级。采用CXP的好处是BNC接口方便,易用,传输距离远,线缆柔性高+

接口技术比较
CXP
CameraLink
单根速度
6.25Gbps
2Gbps(Base)
最高速

Nx6.25Gbps

N根线缆

6Gbps(Full)

2根线缆

最长传输距离
130米/40米
10米/7米
实时触发


供电能力
13W
4W
整体成本


高速存储技术

在高速相机领域,一般认为2000帧/秒以下的相机拍摄速度,就可以分辨大多数宏观机械运动。 2000fps以上的认为为高速系统,以亿为单位帧速的,认为是超高速系统。 由于存储受到机器本身及贷款传输速率的限制,针对不同的速度,就需要采用不同的存储方式。

中高速(100~2000fps)

2000fps以下设备,典型系统是高速长时间纪录系统。该系统由一台高速相机、一个采集存储盒、计算机和记录软件4部分组成。 高速相机可以选取目前市面上几乎所有的实时传输接口的高速相机,采集存储设备为加拿大IO 公司的core,他是一个独立于计算机的外设,内置4块固态硬盘,也可以根据需求扩展到16块,单块容量最大1TB,所以他的最大存储容量是16TB。整套系统最大的特点是:(1)体积小、重量轻、集成度高(2)扩展性好。硬盘容量和数量决定存储时间。(4)方便实现多相机同步采集记录。

基于PC端的高速采集系统

高速(2000~亿帧/秒)

针对一些材料变形,微观放电等转瞬即逝的过程观测,2000fps以下的高速相机的帧频已经无法满足需求,针对这类应用,我们提供2000fps以上性能指标的高速相机,由于无法突破传统传输带宽的瓶颈,这一类的相机基本都为一体机。

一体式高速相机自身携带内存,可以将采集的数据直接记录在相机的内存中,这种方法可以有效地绕过传输带宽带来的瓶颈问题,从而进行高速摄像。

德国PCO公司主要生产高分辨率、高灵敏、高速的科学级相机,该公司的相机主要以灵敏度高、读出噪声低、成像质量好为特点,其中的高速相机Dimax系列很好的诠释了这种特性,当相机工作在极高的帧频时,也可以保证相机的噪声很小,成像质量非常好。


型号
Dimax
颜色
黑白/彩色
分辨率
2016×2016
1000×1000(ROI)
帧频
2270fps
7000fps
像元大小
11μm
量子效率
50%
接口
USB2.0/以太网/CameraLink
动态范围
12bit
内存
36GB


超高速(亿帧/秒)

超高速相机具有良好的空间分辨率,同时具有ns级超高时间分辨率,两帧之间的拍摄间隔可达1ns,即拍摄速度高达10亿fps。超高速相机的实现方式是分幅,所以又叫做超高速分幅相机。

光电分幅相机内部由光分件器、像增强器及CCD器件三部分组成。一束光通过光分件器被分成4束光分别进入4路像增强器中,光在进入像增强器后首先进入光电阴极,由光子在光电阴极激发出电子,被激发的电子进入微通道后被级级放大,最后经过放大后的电子入射到萤光屏上激发出光子,有CCD器件进行成像。

德国PCO公司的HSFC相机就是一款光电分幅相机,其参数如下:


型号
PCO HSFC
分辨率
1280×1024
像元大小
6.7μm
制冷方式
半导体制冷风冷
量子效率
50%
动态范围
12bit
曝光时间
3ns~1000s
光谱响应范围
160nm~1300nm
制冷温度
-12℃


应用案例:

主要应用于高速粒子成像测速; 瞬间物理现象; 高速碰撞研究; 显微高速成像;汽车碰撞测试;材料测试;张力测试;显微镜学;气囊膨胀实验;快速流体观测;喷雾成像分析;流体力学;燃料注入;电闸放电;燃烧过程分析;半导体质量控制;自然界和医学上的快速成像研究;弹道学;超慢动作电影剪切;高速生物学现象观测(肌肉收缩);交通控制等等