Caméra haute vitesse - High-speed camera

Voir aussi : Photographie haute vitesse § Appareils photo argentiques haute vitesse

Une caméra haute vitesse est un appareil capable de capturer des images en mouvement avec des expositions inférieures à 1/1 000 seconde ou des fréquences d' images supérieures à 250 ips . Il est utilisé pour enregistrer des objets se déplaçant rapidement sous forme d'images photographiques sur un support de stockage. Après l'enregistrement, les images stockées sur le support peuvent être lues au ralenti . Les premières caméras à grande vitesse utilisaient un film pour enregistrer les événements à grande vitesse, mais ont été remplacées par des dispositifs entièrement électroniques utilisant soit un dispositif à couplage de charge (CCD) soit un capteur de pixels actifs CMOS , enregistrant généralement plus de 1 000 ips sur DRAM , pour être joué lentement pour étudier le mouvement pour l'étude scientifique des phénomènes transitoires.

Aperçu

Une caméra à grande vitesse peut être classée comme :

  1. Une caméra argentique à grande vitesse qui enregistre pour filmer,
  2. Une caméra vidéo haute vitesse qui enregistre dans une mémoire électronique,
  3. Une caméra de cadrage à grande vitesse qui enregistre des images sur plusieurs plans images ou plusieurs emplacements sur le même plan image (généralement un film ou un réseau de caméras CCD),
  4. Une caméra à balayage rapide qui enregistre une série d'images de la taille d'une ligne sur un film ou une mémoire électronique.

Une normale film film est lu à 24 images par seconde , alors que la télévision utilise 25 images / s ( PAL ) ou 29,97 images / s ( NTSC ). Les appareils photo argentiques à grande vitesse peuvent filmer jusqu'à un quart de million de fps en faisant passer le film sur un prisme ou un miroir rotatif au lieu d'utiliser un obturateur , réduisant ainsi le besoin d'arrêter et de démarrer le film derrière un obturateur qui déchirerait la pellicule. à de telles vitesses. En utilisant cette technique, une seconde d'action peut être étendue à plus de dix minutes de temps de lecture (super ralenti). Les caméras vidéo haute vitesse sont largement utilisées pour la recherche scientifique, les tests et évaluations militaires et l'industrie. Des exemples d'applications industrielles sont le tournage d'une chaîne de fabrication pour mieux régler la machine, ou dans l'industrie automobile, le tournage d'un crash test pour étudier l'effet sur les passagers factices et l' automobile . Aujourd'hui, la caméra numérique à grande vitesse a remplacé la caméra argentique utilisée pour les essais d'impact sur les véhicules.

Vidéo Schlieren d'un événement balistique intermédiaire d'une cartouche d'obus. Nathan Boor, Recherche ciblée.

Les séries télévisées telles que MythBusters et Time Warp utilisent souvent des caméras à grande vitesse pour montrer leurs tests au ralenti. L'enregistrement des images haute vitesse enregistrées peut prendre beaucoup de temps car à partir de 2017, les caméras grand public ont des résolutions allant jusqu'à quatre mégapixels avec des fréquences d'images de plus de 1 000 par seconde qui enregistreront à une vitesse de 11 gigaoctets par seconde. Technologiquement, ces caméras sont très avancées, mais la sauvegarde des images nécessite l'utilisation d'interfaces vidéo-ordinateur standard plus lentes. Alors que l'enregistrement est très rapide, la sauvegarde des images est considérablement plus lente. Pour réduire l'espace de stockage requis et le temps requis pour que les gens examinent un enregistrement, seules les parties d'une action qui présentent un intérêt ou une pertinence peuvent être sélectionnées pour filmer. Lors de l'enregistrement d'un processus cyclique pour l'analyse des pannes industrielles, seule la partie pertinente de chaque cycle est filmée.

Un problème pour les caméras à grande vitesse est l' exposition nécessaire pour le film ; une lumière très vive est nécessaire pour pouvoir filmer à 40 000  fps , conduisant parfois à la destruction du sujet d'examen à cause de la chaleur de l'éclairage. Le tournage monochromatique (noir et blanc) est parfois utilisé pour réduire l'intensité lumineuse requise. Une imagerie à vitesse encore plus élevée est possible à l'aide de systèmes d'imagerie à dispositif électronique à couplage de charge (CCD) spécialisés , qui peuvent atteindre des vitesses de plus de 25 millions de fps . Ces caméras, cependant, utilisent toujours des miroirs rotatifs, comme leurs homologues plus anciens. Les caméras à semi-conducteurs peuvent atteindre des vitesses allant jusqu'à 10 millions de fps . Tout le développement des caméras à grande vitesse se concentre désormais sur les caméras vidéo numériques qui présentent de nombreux avantages opérationnels et économiques par rapport aux caméras argentiques.

En 2010, des chercheurs ont construit une caméra exposant chaque image pendant deux billions de seconde ( picosecondes ), pour une fréquence d'images effective d'un demi-billion de fps ( femto-photographie ). Les caméras à grande vitesse modernes fonctionnent en convertissant la lumière incidente ( photons ) en un flux d' électrons qui sont ensuite déviés sur une photoanode , de nouveau en photons, qui peuvent ensuite être enregistrés sur un film ou un CCD.

Utilisations à la télévision

  • L'émission MythBusters utilise en bonne place des caméras à grande vitesse pour mesurer la vitesse ou la hauteur.
  • Time Warp était centré sur l'utilisation de caméras à grande vitesse pour ralentir les choses qui sont généralement trop rapides pour être vues à l'œil nu.
  • Les caméras à grande vitesse sont fréquemment utilisées dans les productions télévisées de nombreux événements sportifs majeurs pour les rediffusions instantanées au ralenti lorsque le ralenti normal n'est pas assez lent, comme les matchs de cricket internationaux .

Utilisations en science

Les caméras à grande vitesse sont fréquemment utilisées en science afin de caractériser des événements qui se produisent trop rapidement pour les vitesses de film traditionnelles. La biomécanique utilise de telles caméras pour capturer les mouvements d'animaux à grande vitesse, tels que les sauts de grenouilles et d'insectes, l' alimentation par aspiration des poissons, les frappes de crevettes-mantes et l'étude aérodynamique des mouvements de type hélicoptère des pigeons en utilisant l'analyse de mouvement des séquences résultantes de une ou plusieurs caméras pour caractériser le mouvement en 2D ou en 3D.

Le passage du film au numérique a fortement réduit la difficulté d'utilisation de ces technologies aux comportements imprévisibles, notamment via l'utilisation de l'enregistrement en continu et du post-déclenchement. Avec les caméras à film ultra-rapide, un enquêteur doit démarrer le film puis tenter d'inciter l'animal à adopter le comportement dans le court laps de temps avant la fin du film, ce qui entraîne de nombreuses séquences inutiles où l'animal se comporte trop tard ou pas du tout. Dans les caméras numériques à grande vitesse modernes, la caméra peut simplement enregistrer en continu pendant que l'enquêteur tente de provoquer le comportement, après quoi un bouton de déclenchement arrêtera l'enregistrement et permettra à l'enquêteur de sauvegarder un intervalle de temps donné avant et après le déclenchement (déterminé par la fréquence d'images, la taille de l'image et la capacité de la mémoire pendant l'enregistrement continu). La plupart des logiciels permettent de sauvegarder un sous-ensemble d'images enregistrées, minimisant les problèmes de taille de fichier en éliminant les images inutiles avant ou après la séquence d'intérêt. Un tel déclenchement peut également être utilisé pour synchroniser l'enregistrement sur plusieurs caméras.

L'explosion des métaux alcalins au contact de l'eau a été étudiée à l'aide d'une caméra ultra-rapide. L'analyse image par image d'un alliage sodium/potassium explosant dans l'eau, combinée à des simulations de dynamique moléculaire, a suggéré que l'expansion initiale pourrait être le résultat d'une explosion de Coulomb et non de la combustion d'hydrogène gazeux comme on le pensait auparavant.

Les images des caméras numériques à grande vitesse ont fortement contribué à la compréhension de la foudre lorsqu'elles sont combinées à des instruments de mesure du champ électrique et à des capteurs capables de cartographier la propagation des éclaireurs grâce à la détection des ondes radio générées par ce processus.

Utilisations dans l'industrie

Lors du passage de la maintenance réactive à la maintenance prédictive , il est crucial que les pannes soient réellement comprises. L'une des techniques d'analyse de base consiste à utiliser des caméras à grande vitesse afin de caractériser des événements qui se produisent trop rapidement pour être vus, par exemple pendant la production. Semblable à une utilisation en science, avec une capacité de pré-déclenchement ou de post-déclenchement, la caméra peut simplement enregistrer en continu pendant que le mécanicien attend que la panne se produise, après quoi un signal de déclenchement (interne ou externe) arrêtera l'enregistrement et permettra à l'enquêteur de enregistrer un intervalle de temps donné avant le déclenchement (déterminé par la fréquence d'images, la taille de l'image et la capacité de mémoire pendant l'enregistrement continu). Certains logiciels permettent de visualiser les problèmes en temps réel, en affichant uniquement un sous-ensemble d'images enregistrées, en minimisant la taille du fichier et les problèmes de temps de visionnage en éliminant les images inutiles avant ou après la séquence d'intérêt.

Les caméras vidéo à haute vitesse sont utilisées pour compléter d'autres technologies industrielles telles que la radiographie à rayons X. Lorsqu'elles sont utilisées avec l'écran phosphorescent approprié qui convertit les rayons X en lumière visible, les caméras à grande vitesse peuvent être utilisées pour capturer des vidéos à rayons X à grande vitesse d'événements à l'intérieur d'appareils mécaniques et d'échantillons biologiques. La vitesse d'imagerie est principalement limitée par le taux de décroissance de l'écran phosphorescent et le gain d'intensité qui a une relation directe avec l'exposition de l'appareil photo. Les sources de rayons X pulsés limitent la fréquence d'images et doivent être correctement synchronisées avec les captures d'images de la caméra.

Utilisations dans la guerre

En 1950, Morton Sultanoff , ingénieur de l'armée américaine à Aberdeen Proving Ground , a inventé une caméra à très grande vitesse qui prenait des images au millionième de seconde et était suffisamment rapide pour enregistrer l'onde de choc d'une petite explosion. Des caméras numériques à grande vitesse ont été utilisées pour étudier comment les mines larguées depuis les airs se déploieront dans les régions côtières, y compris le développement de divers systèmes d'armes. En 2005, les caméras numériques haute vitesse avec une résolution de 4 mégapixels, enregistrant à 1500 ips , remplaçaient les caméras film haute vitesse 35 mm et 70 mm utilisées sur les montures de suivi sur les plages de test qui capturent les interceptions balistiques.

Voir également

Les références