科学家打造出成本仅500美元却能拍摄每秒6850亿帧的摄影机

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真不是,这真不是标题党。一个研究团队真的打造出了一套有效速度可达每秒6850亿帧的成像系统。而其成本不到500美元(约合人民币3400元)。听起来那是摄影机技术方面的一次革命。但问题在于,这不是一个普通的视频摄影机。它能捕捉到一个单一且转瞬即逝的事件,但持续时间极短。以下是具体研究内容。

每秒6850亿帧的低成本被动式单一镜头超快成像

研究员的初衷是想记录一些速度极快的东西,比如一束激光脉冲如何移动。普通摄影机无法拍到,因为它们的传感器过于迟缓。研究员没有制造更快的传感器,而是采用了一种不同的思路。他们改变了光线到达传感器的方式。他们使用了3种简单的组件:一个微透镜阵列、一些玻璃薄片和一个标准 CMOS 传感器。微透镜阵列将图像分为多个小副本。每个副本都会经过厚度稍有不同的玻璃。由于光线在玻璃中会减速,每个副本的抵达传感器的时间稍有不同。所有这些副本被一次性记录到一张照片上。可以这样想:你拍了一张照片。但在那张照片里,包含有10个小图像。每个都显示着同个场景稍微不同的瞬间。因此,你不是录制了一段视频,而是一次性地把各个时间瞬间采集下来,之后再将其拆分。研究团队就是这样达到极致“帧率”的。

每个图像之间的时间差大约为1.46皮秒。也就是0.00000000000146秒。因为每阶时间差极小,当你把它转换为每秒的帧数时,就得到了每秒6850亿帧。这个数值是正确的,但需要上下文语境。它不是一个连续的视频。它是非常短暂的帧。

每秒6850亿帧的低成本被动式单一镜头超快成像

大多数超快成像系统都极其昂贵,需要花费几万甚至几十万美元。它们通常需要特殊的传感器和复杂的处理工艺。而这一次,研究员使用的是:标准玻璃、商用微透镜阵列和常规传感器。所以成本才会那么低。这可谓真正的突破。不只是速度,还有系统的简单程度。

每秒6850亿帧的低成本被动式单一镜头超快成像

此系统有几个重要的局限性:第一,它只能采集约10帧。那是一个极短的画面。第二,它能记录的总时长只有约13皮秒。对于激光物理学而言是有用的,但对于现实世界的运动而言是不可用的。第三,每帧的分辨率较低。由于传感器分成了多个小图像,所以每个图像的分辨率较少。这意味着你会丢失细节。那么,这算得上一台真正的摄影机吗? 技术上算得上。但在实践中,算不上。你无法使用这套系统拍摄视频、影片,甚至连高速体育运动都拍不了。它能用于受控的实验室环境,主要用来进行光学实验。

每秒6850亿帧的低成本被动式单一镜头超快成像

即便存在这些局限性,但这一成果依旧重要。它展示了关于成像的不同思路。除了让传感器变更快,你还可以在光线抵达传感器之前改变其采集方式。这样的思路可能会影响未来的摄影机设计。它表明,摄影性能的提升不仅可以源自电子器件,还可以源自光学器件。对于电影和现实世界成像,这一成果不会改变任何当今的拍摄实践。但它展示了未来的发展可能性。摄影机的核心可以不再只是传感器。信息的编码、采集与处理方式也有重大影响。这项实验是那种转变的一个简单示例。一套成本500美元的系统能达到每秒6850亿帧,听起来不可思议。而现实更为特殊也更为有趣。这不是一个一般意义上的更快的摄影机。它是利用基本光学原理来捕捉时间的一种更机智的方式。这也是它值得注意之处。


出处:Y.M.CINAME MAGAZINE

翻译:LorianneW | 盖雅翻译小组

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