高速攝像機(jī)分辨率-幀率選型白皮書(shū) ——分辨率與幀率如何匹配真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景

高速攝像機(jī)選型核心，不是單純追求更高分辨率或更高幀率，而是圍繞被測(cè)對(duì)象的時(shí)間尺度、空間尺度與測(cè)量任務(wù)，對(duì)瞬態(tài)信息采樣能力進(jìn)行匹配。

不同場(chǎng)景對(duì)高速攝像的需求不同：時(shí)間主導(dǎo)型場(chǎng)景優(yōu)先考慮更高幀率與更短曝光，以抑制高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的拖影現(xiàn)象并提高關(guān)鍵階段的時(shí)間分辨率；時(shí)空均衡型場(chǎng)景同時(shí)要求時(shí)間連續(xù)性與空間解析能力，以支撐DIC、模態(tài)、軌跡重建等分析；空間主導(dǎo)型場(chǎng)景要求更高分辨率與更大視場(chǎng)，以保證目標(biāo)細(xì)節(jié)、邊界特征和測(cè)量紋理的保留。

本文將圍繞科研、工業(yè)、國(guó)防科技工業(yè)與民用四大方向，針對(duì)燃燒與爆炸、材料力學(xué)、流體力學(xué)、航空航天、汽車(chē)碰撞、半導(dǎo)體封測(cè)等典型場(chǎng)景分析，并結(jié)合中科君達(dá)視界（Agile Device）自研的千眼狼（Revealer）高速攝像機(jī)產(chǎn)品圖譜，為高速攝像機(jī)用戶(hù)提供一套客觀的選型實(shí)戰(zhàn)建議。

一、高速攝像機(jī)分辨率與幀率的底層邏輯

高速攝像機(jī)的本質(zhì)，是把極短時(shí)間內(nèi)完成的物理過(guò)程轉(zhuǎn)化為可觀測(cè)、可分析的圖像序列。幀率決定時(shí)間采樣密度，即瞬態(tài)過(guò)程在時(shí)間軸上被劃分為多少個(gè)連續(xù)片段；分辨率則決定空間采樣密度，即單幀圖像中目標(biāo)特征、結(jié)構(gòu)邊界、散斑紋理、粒子分布是否具備足夠像素支撐后續(xù)分析。幀率不足，則瞬態(tài)過(guò)程在相鄰幀之間跨越過(guò)大，若曝光時(shí)間不夠短，則目標(biāo)在單幀內(nèi)部會(huì)形成拖影；若分辨率不足，則難以支撐識(shí)別、跟蹤與測(cè)量。

不同場(chǎng)景中的高速攝像機(jī)的“最優(yōu)規(guī)格”并不是由單一參數(shù)決定，而是由目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度、特征尺寸、視場(chǎng)大小、光照強(qiáng)度以及分析任務(wù)共同決定。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片觀測(cè)為例，若任務(wù)需求是觀察葉片整體振動(dòng)模態(tài)或全場(chǎng)位移分布，則需保證整個(gè)葉片進(jìn)入視場(chǎng)，則應(yīng)匹配高空間分辨率高速攝像機(jī)；若任務(wù)需求是觀察高速?zèng)_擊下的局部裂紋萌生，則應(yīng)匹配高時(shí)間分辨率高速攝像機(jī)切分關(guān)鍵階段。

基于這一底層邏輯，高速攝像機(jī)應(yīng)用可歸納為三類(lèi)：第一類(lèi)是時(shí)間主導(dǎo)型，過(guò)程極快微秒級(jí)瞬態(tài)現(xiàn)象，單幀曝光必須極短，幀率優(yōu)先級(jí)最高，；第二類(lèi)是時(shí)空均衡型，如DIC、PIV、運(yùn)動(dòng)軌跡重建應(yīng)用，既需較高時(shí)間分辨率又需足夠分辨率支撐測(cè)量算法的識(shí)別精度；第三類(lèi)是空間主導(dǎo)型，被測(cè)對(duì)象尺寸大、視場(chǎng)大，高分辨率優(yōu)先級(jí)更高。

二、科研領(lǐng)域典型應(yīng)用場(chǎng)景高速攝像機(jī)推薦

科研類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景的共同特點(diǎn)是高速攝像機(jī)捕捉物理機(jī)理演化的瞬態(tài)圖像通常是后續(xù)機(jī)理分析、參數(shù)反演和模型驗(yàn)證的依據(jù)，因此，高速攝像機(jī)選型須精密?chē)@物理過(guò)程本身。

1. 燃燒與爆炸：推薦130萬(wàn)像素@20000fps以上超高速攝像機(jī)

燃燒、爆炸甚至爆燃過(guò)程通常伴隨火焰鋒面快速推進(jìn)、反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)劇烈變化以及沖擊波耦合現(xiàn)象。此類(lèi)現(xiàn)象時(shí)間尺度通常為微秒量級(jí)，時(shí)間分辨率不足，相鄰幀之間火焰前緣推進(jìn)距離過(guò)大，爆轟波面、火焰褶皺等特征無(wú)法被連續(xù)分解，且曝光時(shí)間不夠短時(shí)，單幀圖像中的高亮區(qū)域邊界會(huì)因運(yùn)動(dòng)拖影而模糊。

因此，燃燒與爆炸類(lèi)研究通常優(yōu)先推薦130萬(wàn)像素@20000fps以上的高速攝像機(jī)，千眼狼（Revealer）家族圖譜中NEO系列在1280×1024分辨率下可實(shí)現(xiàn)20000fps、25000fps，并具備150 ns最小曝光時(shí)間和85 %高量子效率，更適合燃燒與爆燃類(lèi)過(guò)程。

圖1 爆炸溫度場(chǎng)可見(jiàn)光測(cè)溫-使用1280×1024@25,000fpsNEO 25拍攝

2. 氣泡動(dòng)力學(xué)：氣泡高速演化與氣泡群統(tǒng)計(jì)應(yīng)區(qū)隔選型

研究目標(biāo)若是氣泡生長(zhǎng)、塌陷、界面振蕩、潰滅等微尺度，時(shí)間尺度微秒級(jí)，應(yīng)優(yōu)先選擇130萬(wàn)像素25000fps高速攝像機(jī)，以保證單泡演化的時(shí)間分辨率，千眼狼（Revealer）高速攝像機(jī)NEO25將是合適配置。

若研究任務(wù)為二維/三維空間內(nèi)多個(gè)氣泡群的形態(tài)學(xué)統(tǒng)計(jì)、軌跡追蹤、互作分析，則對(duì)高速攝像機(jī)的需求轉(zhuǎn)向視場(chǎng)覆蓋與空間分辨率。更適合采用千眼狼（Revealer）高速攝像機(jī)產(chǎn)品圖譜中的G Pro/G Mini系列，其擁有的500萬(wàn)像素@3600fps 或 4K@2000fps能力，支持在較大視場(chǎng)內(nèi)保留更多有效像素，適合多氣泡、多顆粒、多目標(biāo)的同時(shí)觀測(cè)。

圖2 激光誘導(dǎo)空化氣泡-使用ROI下200,000fpsNEO 25拍攝

3. 材料力學(xué)、霍普金森壓桿、巖石力學(xué)：推薦130萬(wàn)像素@5000~15000fps高速攝像機(jī)

材料動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)第一優(yōu)先關(guān)注破壞瞬間，這需要高幀率以支持瞬態(tài)過(guò)程的切分，同時(shí)試驗(yàn)也關(guān)注加載、變形、斷裂和回彈全過(guò)程，需要適中的分辨率與較長(zhǎng)記錄時(shí)長(zhǎng)。千眼狼（Revealer）高速攝像機(jī)S系列，130萬(wàn)像素@5000~15000fps，并配備大容量存儲(chǔ)，滿(mǎn)足大多數(shù)材料動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的時(shí)間分辨率要求并能覆蓋完整的試驗(yàn)過(guò)程。若進(jìn)一步需要開(kāi)展數(shù)字圖像相關(guān)DIC分析，130萬(wàn)像素級(jí)別也能在中等視場(chǎng)內(nèi)提供足夠的散斑分辨率。若被測(cè)對(duì)象更快，130萬(wàn)像素 @20000fps以上的NEO可作為補(bǔ)充。

圖3 霍普金森壓桿應(yīng)變分析-使用ROI下 100,000fpsNEO 25拍攝

4. 流體力學(xué)、噴淋流場(chǎng)、火焰場(chǎng)：粒子圖像測(cè)速PIV與大視場(chǎng)優(yōu)先推薦500萬(wàn)像素@3600fps，快速局部流動(dòng)優(yōu)先推薦NEO、S系

PIV與大視場(chǎng)流動(dòng)觀測(cè)并不單純依賴(lài)更高幀率，而更依賴(lài)足夠大視場(chǎng)內(nèi)保留足夠高的粒子密度和空間細(xì)節(jié)。4K @2000fps500萬(wàn)像素 @3600fps，通常比130萬(wàn)像素 @20000fps更能支撐流場(chǎng)矢量計(jì)算，后者單位視場(chǎng)中可用于相關(guān)計(jì)算的粒子窗口數(shù)反而下降，不利于速度場(chǎng)重建。只有當(dāng)研究對(duì)象是高速局部噴流、剪切層、火焰前鋒等小尺度變化過(guò)程，則優(yōu)先推薦時(shí)間分辨率更高的NEO系列。

圖4 燃燒火焰場(chǎng)-使用1280×1024 @10,000fpsS1315拍攝

三、國(guó)防科技工業(yè)領(lǐng)域典型應(yīng)用場(chǎng)景高速攝像機(jī)推薦

1. 航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)葉片：推薦130萬(wàn)像素 @25000fps

航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)葉片測(cè)試兼具高轉(zhuǎn)速、高靈敏度和測(cè)量特征。葉片高速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致時(shí)間采樣要求提高，復(fù)雜反光與受限補(bǔ)光要求高速攝像機(jī)具備高靈敏度，同時(shí)應(yīng)變、位移、模態(tài)分析又要求圖像具備一定空間解析能力。擁有130萬(wàn)像素 @25000fps、85%量子效率的NEO 25是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等高速旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測(cè)量的最適配的試驗(yàn)觀測(cè)平臺(tái)。

圖5 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片振動(dòng)模態(tài)-使用1280×1024@25,000fpsNEO 25拍攝

2. 大視場(chǎng)目標(biāo)追蹤：推薦500萬(wàn)像素 @3600fps或4K @2000fps

大視場(chǎng)內(nèi)剛體目標(biāo)追蹤的核心矛盾是被測(cè)目標(biāo)通常距離遠(yuǎn)、視場(chǎng)大、像素占比低。若分辨率不足，則后續(xù)目標(biāo)識(shí)別、邊界提取、角度測(cè)量與軌跡擬合都會(huì)受到限制。因此，這類(lèi)任務(wù)優(yōu)先推薦500萬(wàn)像素 @3600fps 或4K @2000fps的G Pro/G Mini，其高分辨率有助于在較大視場(chǎng)內(nèi)維持足夠高的目標(biāo)像素占比，而2000fps左右時(shí)間分辨率對(duì)多數(shù)遠(yuǎn)距離剛體目標(biāo)跟蹤已具備使用價(jià)值。若單純通過(guò)提高幀率替代高分辨率，反而會(huì)因目標(biāo)像素面積過(guò)小而削弱測(cè)量與識(shí)別精度。

圖6 6Dof測(cè)量-使用2560×2016 @3,600fpsG536_Pro拍攝

四、工業(yè)領(lǐng)域典型應(yīng)用場(chǎng)景選型指南

1. 汽車(chē)碰撞（非車(chē)載），優(yōu)先推薦4K @2000fps G Pro/G Mini

汽車(chē)碰撞時(shí)間尺度通常發(fā)生在毫秒級(jí)，2000fps可提供約0.5 ms級(jí)時(shí)間分辨率，能夠滿(mǎn)足絕大多數(shù)碰撞過(guò)程分解需求。非車(chē)載高速攝像機(jī)并非單純記錄“是否發(fā)生變形”，而是記錄車(chē)身結(jié)構(gòu)整體變形路徑，還原假人空間運(yùn)動(dòng)軌跡，觀測(cè)安全氣囊展開(kāi)形態(tài)等空間結(jié)構(gòu)解析信息，擁有4K @2000fpsG Pro/G Mini高速攝像機(jī)可顯著提升分析精度，通過(guò)序列圖像計(jì)算座椅角度變化、氣囊展開(kāi)形態(tài)等參數(shù)，若分辨率不足，位移、角度與形變測(cè)量誤差將顯著增加。

圖7 假人碰撞-使用2560×2016 @3,600fpsG536_Pro拍攝

2. 半導(dǎo)體封測(cè)，推薦200萬(wàn)像素 @3000fps小體積高速攝像機(jī)M Pro

半導(dǎo)體封測(cè)場(chǎng)景特點(diǎn)空間狹小、生產(chǎn)節(jié)拍明確、工位復(fù)雜，用戶(hù)需要觀測(cè)搬運(yùn)、封裝、拾取、鍵合等動(dòng)作過(guò)程，時(shí)間尺度多在毫秒級(jí)，時(shí)間分辨率并不是主要矛盾。同時(shí)，封測(cè)場(chǎng)景之所以不優(yōu)先選擇更高分辨率平臺(tái)，是因?yàn)榘雽?dǎo)體封測(cè)更強(qiáng)調(diào)高速攝像機(jī)能進(jìn)入工位、能與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器協(xié)同運(yùn)行。故擁有均衡分辨率與幀率的小體積高速攝像機(jī)M Pro是優(yōu)先推薦，其擁有200萬(wàn)像素 @3000fps采集幀率，并具備75×75×90 mm緊湊尺寸、800 g重量和較高環(huán)境適應(yīng)性，適合嵌入式部署。

圖8 錫膏焊接-使用1920×1080 @3,000fps的M Pro拍攝

3. 焊接：工藝監(jiān)測(cè)與熔池機(jī)理研究應(yīng)分開(kāi)推薦

焊接工藝監(jiān)測(cè)任務(wù)關(guān)注工藝過(guò)程監(jiān)測(cè)、焊縫成形觀察、機(jī)械動(dòng)作同步分析或故障回溯，需求更關(guān)注工藝節(jié)拍與整體行為，130萬(wàn)像素 @5000fps的S系列、200萬(wàn)像素 @3000fps的M Pro系列可滿(mǎn)足需求（空間受限下）。若研究目標(biāo)是熔池邊界細(xì)節(jié)、微小飛濺、羽流演化、液滴轉(zhuǎn)移模式或局部形成機(jī)理，則需進(jìn)一步區(qū)分，若過(guò)程變化更快，優(yōu)先推薦130萬(wàn)像素 @20000fps以上NEO，若關(guān)注空間細(xì)節(jié)和局部幾何特征，則優(yōu)先推薦4K @2000fps500萬(wàn)像素 @3600fps的G Pro/G Mini。

圖9 鋁合金脈沖焊接熔滴過(guò)渡-使用1280×1024@15,000fpsS1315拍攝

4. 3C電子產(chǎn)品跌落，優(yōu)先推薦1080P @3000fps M Pro，復(fù)雜形變研究可選型130萬(wàn)像素 @10000fps 左右的S系列

電子產(chǎn)品跌落測(cè)試關(guān)注觸地瞬間結(jié)構(gòu)響應(yīng)、殼體變形、零部件脫落以及重復(fù)跌落過(guò)程中的失效機(jī)理。跌落速度通常處于中高速而非微秒級(jí)瞬態(tài)，因此2000~3000fps速率可將測(cè)試產(chǎn)品觸地、回彈、開(kāi)裂等過(guò)程切分清楚，且1920×1080分辨率支持保留足夠的結(jié)構(gòu)邊界信息。若需求進(jìn)一步躍升為局部應(yīng)變分析或高速?zèng)_擊下的微結(jié)構(gòu)破壞，則可優(yōu)先考慮130萬(wàn)像素 @10000fps+的S系列。

圖10 電腦屏幕跌落變形機(jī)理分析-使用 2臺(tái)1280×1024@15,000fpsS1315拍攝

五、民用領(lǐng)域典型應(yīng)用場(chǎng)景高速攝像機(jī)推薦

影視文娛、廣告創(chuàng)意、高速動(dòng)作演繹和高質(zhì)量慢動(dòng)作內(nèi)容生產(chǎn)通常不以物理量測(cè)量為首要目標(biāo)，而以畫(huà)面質(zhì)量、細(xì)節(jié)保留、色彩表現(xiàn)和后期制作空間為首要目標(biāo)。G Mini/G_Pro系列具備廣電級(jí)優(yōu)彩畫(huà)質(zhì)、4K/5K高速錄制能力，典型規(guī)格包括4096×2048 @2000fps5120×4096 @1000fps。對(duì)于影視文娛類(lèi)應(yīng)用而言，千幀以上時(shí)間采樣已能夠滿(mǎn)足大多數(shù)慢動(dòng)作呈現(xiàn)，其差異化的高分辨率特征則有助于提升畫(huà)面細(xì)節(jié)、后期制作和高品質(zhì)內(nèi)容輸出能力。

圖11 彩色牛奶皇冠-使用5120×4096 @1,000fpsG2110_Pro拍攝

六、千眼狼（Revealer）高速攝像機(jī)典型場(chǎng)景選型一覽表

七、結(jié)語(yǔ)：高速攝像機(jī)專(zhuān)業(yè)選型的原則

高速攝像機(jī)選型的目標(biāo)，不應(yīng)是尋找“性能參數(shù)最高”的設(shè)備，而是找到與當(dāng)前瞬態(tài)現(xiàn)象最匹配的設(shè)備。匹配原則主要有以下三點(diǎn)：

1. 時(shí)間采樣須覆蓋關(guān)鍵物理過(guò)程，使圖像序列在時(shí)間軸上可解析。

2. 空間采樣須保留目標(biāo)細(xì)節(jié)和測(cè)量特征，使單幀圖像在空間軸上可分析。

3. 產(chǎn)品設(shè)計(jì)須適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景約束，使高速攝像機(jī)在真實(shí)環(huán)境中完成觀測(cè)任務(wù)。

千眼狼（Revealer）高速攝像機(jī)產(chǎn)品家族圖譜中的NEO/NEO Mini、S、G Pro/G Mini、M Pro等系列產(chǎn)品分別對(duì)應(yīng)不同瞬態(tài)信息結(jié)構(gòu)與不同實(shí)驗(yàn)約束條件。圍繞任務(wù)目標(biāo)、物理過(guò)程和場(chǎng)景約束條件建立選型邏輯，匹配出最合理的時(shí)空采樣方式，完整記錄實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景需要的物理信息，是高速攝像機(jī)應(yīng)用走向?qū)I(yè)化的基礎(chǔ)。