Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Изучение оптической регистрации быстропротекающих процессов видеокамерой PHANTOM v1610

Методические указания к выполнению лабораторной работы
Покупка
Новинка
Артикул: 837388.01.99
Доступ онлайн
480 ₽
В корзину
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».
Андреев, С. Г. Изучение оптической регистрации быстропротекающих процессов видеокамерой PHANTOM v1610 : методические указания к выполнению лабораторной работы / С. Г. Андреев, А. А. Макаров, И. С. Крутов. - Москва : Издательство МГТУ им. Баумана, 2017. - 20 с. - ISBN 978-5-7038-4612-4. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.ru/catalog/product/2160931 (дата обращения: 20.07.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
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
Доступ онлайн
480 ₽
В корзину