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  麻省理工学院媒体实验室(Media Lab)与化学系的Bawendi实验室近期发明了一种高速拍摄技术,可以获得帧率等效于每秒5000亿帧(500,000,000,000fps)的影片。这相当于两帧之间只间隔2皮秒(皮秒为10 -12 秒)。在如此短的时间内,光在真空中只能传播0.6毫米,所以这项技术使我们能够观察光脉冲在物体中运动的细节。

  这就是一束激光脉冲通过可乐瓶的视频,可以看到光脉冲从可乐瓶的一端缓缓到达另一端。而实际上,整个过程只持续了1纳秒(10 -9 秒)左右。

  这种技术被称为飞秒成像(Femto Photography,飞秒为10 -15 秒)。发明者之一的安德里亚斯·弗坦(Andreas Velten)曾说,“世界上没有任何相机比它更快”。但事实上,它在原理上与普通的家用数字摄像机(DV)有很大的不同。

  普通家用DV每次拍摄一帧静态影像,这与数码相机没什么不同——被摄物体散射出的光被镜头收集到感光芯片上,形成二维图像,再被转化成数字信息存储起来,相当于记录了某一时刻 x-y 空间上的一幅二维图像。普通DV每秒通常只能记录24帧或30帧,相当于给 x-y 空间上的静态图像增加了一个时间轴 t 。按照这个帧速依次播放这些画面,我们就有了一段动态视频。因此,一段视频又可以看成是 x-y-t 这样一个三维时空中的一套数据。

  与普通DV采用相同拍摄原理的商业化高速摄像机,目前速度最快的当数CMOS高速摄像机Phantom v12.1,最快可以拍摄每秒100万帧的视频。要实现高速摄像,需要大大提升感光芯片的灵敏度,降低电路中噪声的强度,提高数据转化和存储过程的速度。达到每秒100万帧的高速摄影已经接近现在工程的极限,想要实现每秒5000亿帧的视频拍摄,只能另辟蹊径,颠覆原来的拍摄方式。

  通常我们拍摄一段录像,都会稍微提前一些启动摄像机,以便完整记录整个事件。但对于高速摄像,任何一秒钟的提前都会带来巨大的数据量。假如用Phantom v12.1的最高帧率记录一段1秒钟的事件,再用30fps(30帧每秒)的帧率回放,我们需要看上9个多小时。在这段冗长的影片中找到自己感兴趣的内容,或许还算可以接受。但是,如果使用飞秒成像技术记录1秒钟的事件,你需要回放上千年!即使不考虑存储技术的可能性,在如此海量的数据中,我们可能一辈子也看不到“故事”的开头。

  飞秒成像技术用一台掺钛蓝宝石飞秒激光器作为照明光源,同时也用它来触发拍摄“快门”,从而实现了极高的同步性,能够在事件发生时实时启动拍摄。

  与常见的激光器不同,飞秒激光器产生的是一系列激光脉冲,可以把它看成是一系列非常短促的闪光。每个脉冲的宽度,即闪光持续的时间,一般为几十飞秒,脉冲的间隔一般为十几纳秒。

  如图所示,一个脉冲发射出来后,会经过一个分光器,把光分成两路:其中一路(包含绝大多数的能量)用于照明被摄物体;另一路则经过探测器产生一个电信号,用于开启高速扫描相机,同步飞秒激光照射物体的时间和拍摄录像的时间。

  刚才提到的“高速扫描相机”,就是飞秒成像技术中用到的拍摄设备了。这是一种特殊的一维相机,只能记录比方说 x 轴方向上通过一条狭缝看到的影像。它的原理类似于阴极射线管电视机,进入的光子被转换成电子后,会打在一个荧光屏上发出荧光,这样可以大大提高整个成像的响应时间。

  最关键的一点在于,高速扫描相机内还加上了一个随时间变化的电场,使得电子在荧光屏上的位置不仅与 x 轴向上的位置有关,还与光子进入高速扫描相机的时间 t 有关。换句话说,高速扫描相机把时间轴 t 转化成了另一个空间轴——高速扫描相机所获得的每一帧二维图像,都对应着视频 x-y-t 三维时空中 x 和 t 的信息。

  拍摄那段视频所使用的高速扫描相机,对时间 t 的分辨能力可以达到2皮秒以内(确切地说,是1.71皮秒)。通过调整扫描电路的最大电压,可以限定整个相机记录的最大时间范围。在拍摄这段视频时,高速扫描相机记录的时间范围大约是820皮秒,略大于光脉冲从可乐瓶的底部传至顶部所需的时间。

  由于高速扫描相机以荧光屏作为记录载体,为了把信息记录下来用于后期图像处理,必须在后方加入低噪声CCD来拍摄荧光屏,将画面转换为数字信号。可是,一个光脉冲经过物体时,在短短2皮秒的时间内散射出的光子数太少,一次照射无法产生足够用于分析的信息。

  因此,实际操作中每张照片都要使用100毫秒的积分时间,将数百万个光脉冲反复穿过可乐瓶而产生的信号累积起来。而最终得到的一帧图像,又要用100张这样照片来叠加生成。这就要求每个脉冲经过物体时,产生的作用必须一模一样,具有极高的可重复性。这个特性也限制了这项技术的使用领域。

  通过高速扫描相机得到的一帧图像,与普通家用DV拍摄得到的一帧图像完全不同。后者记录了某一时刻二维空间( x 轴和 y 轴)上的信息,前者记录的则是一维空间( x 方向)和时间轴 t 上的信息。

  正如前面所说,一段视频就是 x-y-t 三维时空中的一套数据。为了得到这段视频,普通DV必须按时间顺序( t 轴)拍摄多帧图像(图3a)。同理,为了合成完整的二维空间照片,高速扫描相机也必须对样品做另一个空间维,即 y 方向上的扫描(图3b)。简单说,就是转动一面平面镜,沿着被摄物体的 y 方向进行逐行扫描。在拍摄这段视频时,研究人员扫描了100行。

  接下来,研究人员再利用图像重建技术,把采集到的 x-y-t 三维空间的原始数据重新处理成正常的视频数据,即按时间轴 t 的顺序排列的、包含二维空间( x-y )图像信息的一帧帧画面。最后,以每秒24帧的速度播放出来,就成了令人赞叹不已的光束慢动作。

  为了拍摄持续时间不到1纳秒的事件,飞秒成像技术至少要花1000秒的时间曝光,这还没有算上图像重建所用的时间。所以,从某种意义上来说,这种世界上最快的相机,也是世界上最慢的高速相机。这种方法在实际应用中最大的局限性,就在于光脉冲对物体的作用必须是可重复的,不过在物理、材料科学、生物学及显微术方面,都还是可能找到潜在的应用的。

  参考文献:

  http://web.media.mit.edu/~raskar//trillionfps/

  A. Velten, R. Raskar, and M. Bawendi, "Picosecond Camera for Time-of-Flight Imaging," in Imaging Systems Applications, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2011) [Link]"Slow art with a trillion frames per second camera", A Velten, E Lawson, A Bardagiy, M Bawendi, R Raskar, Siggraph 2011 Talk [Link]

 

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channelId 1 1 给光束拍个慢动作 1 麻省理工学院媒体实验室与化学系的Bawendi实验室近期发明了一种高速拍摄技术,可以获得帧率等效于每秒5000亿帧的影片。这种超高速的拍摄技术,连光脉冲的传递细节也能拍下来。