Изучение оптической регистрации быстропротекающих процессов видеокамерой PHANTOM v1610
Методические указания к выполнению лабораторной работы
Покупка
Новинка
Тематика:
Оптика
Год издания: 2017
Кол-во страниц: 20
Дополнительно
Вид издания:
Учебно-методическая литература
Уровень образования:
ВО - Специалитет
ISBN: 978-5-7038-4612-4
Артикул: 837388.01.99
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».
Скопировать запись
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