Изучение оптической регистрации быстропротекающих процессов видеокамерой PHANTOM v1610

С.Г. Андреев, А.А. Макаров, И.С. Крутов

Изучение оптической регистрации 

быстропротекающих процессов

видеокамерой phantom v1610

Методические указания 

к выполнению лабораторной работы

Московский государственный технический университет 

имени Н.Э. Баумана

УДК 532.5.53.08
ББК 22.25
         А65

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/169/book1602.html

Факультет «Специальное машиностроение»
Кафедра «Высокоточные летательные аппараты»

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия

Андреев, С. Г.
Изучение оптической регистрации быстропротекающих про
цессов видеокамерой PHANTOM v1610 : методические указания 
к выполнению лабораторной работы / С. Г. Андреев, А. А. Макаров, И. С. Крутов. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. — 15, [5] с.: ил.

ISBN 978-5-7038-4612-4 

Дано описание лабораторной работы, посвященной изучению особенностей кадрированной регистрации быстропротекающих процессов в технике взрыва и удара с использованием современных цифровых видеокамер на примере видеокамеры PHANTOM v1610.

Для студентов 4-го курса МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся 

по специальности «Боеприпасы и взрыватели» и изучающих дисциплину «Экспериментальная газодинамика».

УДК 532.5.53.08
ББК 22.25

 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017
© Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-4612-4 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017

А65

Предисловие

В настоящей работе на примере прибора высокоскоростной 

регистрации — видеокамеры PHANTOM v1610, характеризу- 
емой временной разрешающей способностью до 10–6 с, студенты 
знакомятся с основами функционирования цифровых видеокамер с полупроводниковыми датчиками преобразования свет–сигнал и приобретают навыки обращения с ними при исследовании 
быстропротекающих процессов техники взрыва и удара с использованием кадрированной регистрации. При исследованиях, 
связанных с разработкой современной техники, эти приборы используются наряду с оптико-механическими и оптико-электронными приборами, временная разрешающая способность которых 
достигает 10–8…10 –14 с.

Цель работы — изучение основ устройства и функционирования цифровых видеокамер, реализующих регистрацию изображений в течение нескольких секунд со скоростью до 500 000… 
... 1 000 000 кадр/с, приобретение навыков в осуществлении регистрации быстропротекающего процессов и анализа полученных 
оптических регистраций.

Краткая характеристика объектов изучения

Одними из важнейших характеристик приборов высокоско
ростной и сверхскоростной оптической регистрации процессов 
являются временнàя разрешающая способность, оптическое 
разрешение, измеряемое в линиях на миллиметр (или в пикселях у цифровых видеокамер), и удобство работы с этими приборами. 
Временная разрешающая способность определяет минимальный промежуток времени между двумя событиями или фазами 
изображений, еще различаемых на получаемой оптической регистрации. В настоящее время самой высокой временной разрешающей способностью обладают приборы, функционирующие 
в режиме хронографирования, у которых носитель изображения 
(пучок света или сфокусированный пучок электронов, эмитируемых с фотокатода «время анализирующего» электронно- 
оптического преобразователя (ЭОП) с большой скоростью 
(10…60 км/c и более — до 100 000 км/c), смещается относительно 
светочувствительного материала (фотоэмульсии на кинопленке 
или фотолюминофора на экране ЭОП). Это позволяет получать 
оптические регистрации движения характерных точек объектов, движущихся со скоростью порядка 10 км/c и более, вплоть 
до световых значений. Однако качество изображений и удобство их получения при использовании подобных приборов в режиме кадрированной регистрации со скоростью до 500 000… 
1 000 000 кадр/с не вполне удовлетворяет исследователей.

Развитие технологий второй половины ХХ в. привело, в част
ности, к появлению светочувствительных матриц, компактных 
ЭОП (например, диодного типа), компактной и мощной цифровой вычислительной техники, что при высоком уровне электронной технологии позволило создать универсальные приборы, 
объединяющие в себе элементы оптических, электронно-оптических, электронных цифровых устройств. 
Приборы оптических методов измерения позволяют сочетать 

удобства их использования с достаточно высокими временной 

4

разрешающей способностью и качеством изображения. Функцио- 
нальные возможности этих приборов в значительной мере определяются свойствами светочувствительных матриц — полупровод- 
никововых датчиков, на плоскости которых падает пучок света, несущий регистрируемое изображение. Светочувствительные 
матрицы осуществляют преобразование свет — сигнал. В настоящее время распространены ПЗС-матрицы (прибор с зарядовой 
связью) и КМОП-матрицы (комплементарный металлооксидный 
полупроводник). В обоих типах матриц для преобразования света 
в электрический отклик используются фотодиоды, но структуры 
и принцип работы этих матриц различны (рис. 1).

 
а 
б

Рис. 1. Структуры ПЗС-матриц (а) и КМОП-матриц (б): 
1 — фотодиод; 2 — затвор; 3 — канал вертикального переноса зарядов; 4 — 
пиксель; 5 — заряд; 6 — усилитель; 7 — канал горизонтального переноса зарядов; 8 — вертикальная сигнальная шина; 9 — переключатель выбора пикселей; 10 — горизонтальная сигнальная шина; 11 — цепь столбца матрицы; 

12 — переключатель выбора столбца матрицы

На выходе ПЗС-матриц от каждого пикселя появляется аналого
вый сигнал в виде напряжения, связанного с количеством света, попавшего на пиксель. Этот сигнал посылается на отдельный аналого- 
цифровой преобразователь, не отображенный на рисунке. Получившаяся цифровая информация далее преобразуется в байты, «образующие» строчку изображения, воспринятого матрицей.
В КМОП-матрицах каждый пиксель имеет преобразователь за
ряда в напряжение и, кроме того, часто в них помещают схемы для 
оцифровки, что позволяет получать цифровой сигнал на выходе матрицы. С одной стороны, эти дополнительные устройства и схемы 
сокращают долю площади матрицы, приходящуюся на фотодиоды, 
которые воспринимают свет от элементов регистрируемого изобра
5

жения. С другой стороны, эти дополнительные элементы позволяют 
существенно снизить потребляемую мощность при ускоренном считывании информации с большого числа пикселей.

При необходимости достижения максимально возможной 
скорости регистрации обычно выбирают КМОП-матрицы. Для 
получения регистрации с не максимально высоким временным 
разрешением, но наиболее качественными изображениями используют ПЗС-матрицы.

Светочувствительные матрицы являются лишь одними из эле
ментов видеокамер, которые входят в состав электронно-оптической системы регистрации быстропротекающих процессов. 
Структуры и состав этих систем различаются в зависимости 
от разработчика и изготовителя видеокамеры, от модели устройства одного и того же изготовителя. Ограничимся изображением 
схемы наиболее полной системы (рис. 2). В случае конкретных 
видеокамер с высокой скоростью регистрации отдельные элементы этой системы могут отсутствовать. Так, при реализации видеокамеры со скоростью до 1 000 000 кадр/с можно вместо ряда светочувствительных матриц применять одну КМОП-матрицу. При 
этом отпадает необходимость в делителе изображений.

Рис. 2. Пример функциональной схемы электронно-оптической системы регистрации быстропротекающих процессов: 
1 — исследуемый (регистрируемый) объект; 2 — направление освещения 
объекта; 3 — входная оптическая система; 4 — световой пучок; 5 — делитель 
входного изображения; 6 — усилитель яркости изображения; 7 — ряд светочувствительных матриц; 8 — электронный блок управления камерой; 9 — отгибаемый и вращаемый видеомонитор; 10 — персональный компьютер; 11 — принтер; 12 — монитор высокого разрешения; ВК — видеокамера

Ряд идентичных светочувствительных матриц (в количестве 

до восьми у камеры IMACON-468) устанавливают для увеличения 
скорости регистрации (до 100 000 000 кадр/с). За время переписывания (или считывания) информации в память камеры с одной 
матрицы (например, первой) успевает завершиться сравнительно 
медленная (относительно процесса переписывания) стадия перевода одной из оставшихся («дожидающихся» в очереди момента 
начала считывания сразу после окончания «считывания с предыдущей матрицы) матриц в исходное состояние и экспонирования 
на ней новой информации.

При реализации видеокамер с меньшей скоростью реги
страции (до 1 000 000 кадр/с) можно вместо ряда светочувствительных матриц применять одну КМОП-матрицу. Видеокамеры подобных конструкций, например, такие как видеокамера 
PHANTOM v1610, с которой работают студенты, не содержат делителей изображений.

Высокоскоростная видеокамера PHANTOM v1610 имеет 

КМОП-матрицу, физический размер которой равен 35,8×22,4 мм. 
Она содержит 1280×800 пикселей размером 28 мкм. При экспонировании и считывании всех этих пикселей скорость съемки 
равна 16 000 кадр/с, при пониженном разрешении, когда обрабатывается информация с 128×16 пикселей, скорость съемки может 
достигать номинального значения 660 000 кадр/с. У камеры есть 
глобальный электронный затвор, обеспечивающий минимальное 
стандартное время экспозиции 1 мкс.

При запуске камеры или переводе ее в режим готовности 

к регистрации быстропротекающего процесса, стадия которого, подлежащая последующему анализу и изучению, имеет 
длительность tпр, камера работает в режиме циклической записи изображения объекта с периодом обновления изображения 
в памяти камеры tцикл. При этом она ожидает команды на сохранение в своей памяти того участка записи (длительностью tцикл), 
который содержит нужную стадию регистрируемого процесса 
длительностью tпр < tцикл.  Эта команда на выполнение операции 
сохранения нужного участка записи, реагирование на которую 
возможно при соответствующей настройке программы управления камерой с персонального компьютера (ПК) после ее запуска, можно подать на камеру разными способами. Она подается 
оператором вручную через ПК или специальными внешними 
устройствами, подключаемыми к камере и приводимыми в действие, например, с помощью датчика, реагирующего на какое- 

либо проявление изучаемого процесса или на «стабильный 
предвестник» этого процесса. В качестве примера такого «предвестника» можно использовать движение курка пистолета, удар 
пули которого о преграду мы хотим зарегистрировать. Если 
используется так называемый внешний блок синхронизации, 
то амплитуда электрического импульса, подаваемого с него 
на камеру, не должна превышать 5 В. Этот нужный участок записи (после удаления лишней информации) сохраняется в виде 
файла и по команде должен быть передан (обязательно до отключения электрического питания камеры) из оперативной 
памяти камеры в память ПК в виде файла для последующего 
с ним обращения.

Камера с объемом памяти 96 Гб, снимающая со скоростью  

10 000 кадр/с, при разрешении 1280×800 пикселей может записать один отрезок непрерывной съемки (файл Cine) длительностью 6,2 с.

Для соединения камеры с остальными компонентами систе
мы, необходимыми для регистрации процессов и их обработки, 
например, источником питания, ПК, блоком синхронизации, используются разъемы на задней панели камеры (рис. 3).

Рис. 3. Разъемы задней панели: 

1 – BATTERY BACKUP (питание от аккумулятора); 2 — PRIMARY DC IMPUT 
(разъем питания); 3 — REMOTE (удаленное управление); 4 — переключатель 
питания; 5 — USB; 6 — F-SYNG (разъем); 7 — TRIGGER; 8 — TIME CODE IN 
(временной код — вход), TIMT CODE OUT (временной код — выход); 9 — 
разъемы HD — SDI; 10 — RANGE DATA; 11 — GPS; 12 — 10 GPS ETHERNET 
(кабель для управления и передачи); 13 — GIGFBIT ETHERNET (кабель для 
управления и передачи данных); 14 — CAPTURE (разъем кабеля синхронизации)

Осуществлять настройку камеры и управление ее работой 

можно с помощью накамерных кнопок (рис. 4), но в условиях 
лабораторной работы это удобнее делать с помощью программы 
PCC, установленной в ПК с CD-диском, прилагаемым к камере.

Рис. 4. Кнопки управления на видеокамере PHANTOM v1610: 

1 — TRIGGER (триггер); 2 — MENU (выбор файла Cine для воспроизведения); 3 — PLAYBACK (в режиме воспроизведения эта кнопка используется для 
перемотки назад — REWIND); 4 — TOOLS (в режимах Live и Waiting for Trigger 
является переключателем между функциями прямого изображения Live, увеличения изображения Zoom и пороговой величины Threshold); 5 — BREF 
(в режиме прямого изображения Live и ожидания триггера Waiting for Trigger 

служит для выполнения баланса черного)

Описание лабораторной установки

Для изучения функционирования цифровой камеры и приоб
ретения навыков работы с ней при регистрации быстропротекающего процесса используется лабораторный комплекс приборов 
и устройств, показанный на рис. 5.

Этот комплекс включает в себя элементы, обозначенные 

числами и предназначенные для реализации процесса, который должен быть зарегистрирован оптическим методом (полет 
ударника вблизи преграды, проникание через преграду и вылет за преграду), и элементы, предназначенные для реализации 
собственно процесса регистрации и для определения с использованием полученной регистрации скорости, с которой ударник подходит к преграде, средней скорости движения ударника 
в преграде и запреградной скорости ударника. Ударник в виде 
свинцовой пули выстреливается из пневматического пистолета 
со скоростью около 100 м/c. Преграда может представлять собой слой пенопласта или пенофлекса. Съемка процесса проводится в отраженном свете, падающий поток которого создается 
непрерывно действующим во время всей лабораторной работы 
прожектором. 
Необходимая последовательность стадий функционирования 

элементов комплекса и его составных частей обеспечивается тремя способами. 

Первый способ — ручной. При этом голосовые команды 

на исполнение студенту, управляющему видеокамерой через ПК, 
и студенту, осуществляющему выстрел, подаются студентом, назначенным руководителем эксперимента. 

При втором способе команда на запоминание требуемой части непрерывно циклически повторяющейся видеорегистрации 
подается на видеокамеру с блока синхронизации, который генерирует ее в ответ на электрический импульс, формируемый элементами электрической схемы (см. рис. 5) при разрыве тонкой 
проволоки пулей, вылетевшей из ствола пистолета. При этом для 
проведения регистрации процесса достаточно проверить готов