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高速摄影和Marmalade工作室

(2013-07-10 19:25:53)

关于高速摄影

 

高速摄影机是一种用来记录高速运动物体,在储存器中形成单幅或连续图像的设备。记录完毕后,这些在储存器中的图像可以以慢动作形式进行回放。早期的高速摄影机使用胶卷来记录高速运动事件,但今天的高速摄影机完全电子化了,使用CCD或者是CMOS主动式像素传感器。通常情况下,它可以以高于每秒1000帧的速度记录在动态随机存储器(DRAM)里并且慢速回放图像,用这样的方法来研究科学上的瞬变现象。

 

高速摄影机可以分为几类:

(1)记录到胶片上的高速胶片摄影机;

(2)记录短期快速一连串图像到胶片或数码静物摄影机的高速分幅摄影机,记录到胶片或数码存储器的高速条纹摄影机;

(3)记录到数码存储器的高速视频摄影机。

一般的影片拍摄以及播放都是每秒24帧,而电视上却使用每秒25帧(PAL)或者每秒29.97帧(NTSC),高速摄影机可以代替使用快门,通过旋转棱镜或者旋转平面镜拍摄高达每秒25万帧的画面,因此减少了摄影师在快门后面开开停停的功夫,而那样会影响画面的储存速度。我们通过使用这种技术就可以把一秒钟延长到十多分钟的播放时间(超慢动作镜头)。那些最快的摄影机通常用于科学研究、军事测试和评估还有工业。工业上的应用例子有:用于拍摄生产线以便更好地调试机器,在汽车工业上用于拍摄碰撞测试以便更好的记录碰撞过程以及在碰撞过程中对车及乘客的影响。时至今日,数码高速摄影机已经代替了胶片摄影机用于汽车碰撞试验。例如《流言终结者》(MythBusters)和《时间分解》(Time Warp)这类的电视节目经常用高速摄影机的慢镜头来展示他们的实验。

 

(时间分解)

 

保存这些记录好的高速图像非常耗费时间,因为现在最新的消费类摄影机分辨率已经高达400万像素,写速率达到了高于每秒1000帧,这意味着用户一秒钟就要储存11GB的图像数据。这些摄影机技术上非常先进,但保存图像则要求速度较慢的标准视频电脑接口。当记录非常快的同时,保存图像就要相应地变慢。最快的高速摄影机可以每秒记录2亿帧图像。其中一个解决方法是压缩记录下来数据,或者把查看图像的需求时间最小化,两种方法都要预先选定拍摄图像的有用部分。在工业故障分析中,周期性拍摄的目的就只是关注在循环中的有用部分。

高速摄影机的一个难题是胶片的曝光度不足,所以我们需要非常强的光源以便进行每秒4万帧的拍摄,这有时会导致试验品由于光源的热量而遭到破坏。单色拍摄(黑白两种颜色)有时候会被用于减少光源的需求。实现更高速度的成像也需要专门的电子电荷耦合装置(CCD)成像系统,它可达到每秒不小于2500万帧的成像速度。高速摄影机的开发都专注于数码录像摄影机上,它在胶片摄影机的基础上将会拥有更多操作性优势和成本效益。

最近的图像转换设备的形式优化能够把时间分辨率缩短到少于50皮秒,相当于每秒200亿帧以上。这些设备的运作是通过把入射光线(包括光子)转变成电子流,它接着偏向于光电阳极转化变回光子,然后记录在胶片或者CCD上。

 

 

 

 

高速摄影应用领域

 

电视用途

《留言终结者》经常使用高速摄影机用于测量速度或高度。

《时间分解》围绕着使用高速摄影机来减慢肉眼看不到的高速物体。

高速摄影机频繁使用在主要的体育项目电视节目里,用于普通的慢动作不能满足需求时的慢镜重播,例如国际板球比赛中。

 

     

 

 

科学用途

高速摄影机经常用于科学用途,用于描述传统胶片不能记录的发生过快的事件。生物力学雇佣这样的高速摄影机用来捕捉高速动物的动作,例如青蛙和昆虫的跳跃、鱼类的吸附式进食和虾蛄的反击,这要从一个或多个摄影机获得结果片段的动作分析,描绘出2D或者3D的动作。

从胶片到电子技术的转变大大减少了拍摄不可预知行为上的技术难题,特别是通过使用连续记录还有后触发器。拥有胶片高速摄影机的时候,研究员必须先开始录像然后尝试诱使动物在胶片用完之前短时间内做出某种行为,而造成了动物较迟做出行为或者没有做出行为的片段浪费。但有了现代的数码高速摄影机,摄影机可以持续记录,在这期间研究员只需要诱使这种行为的出现,接着按下触发按钮会停止录像,这允许研究员在按下按钮时节省了足够的缓冲时间(由连续录制的帧速率,图像大小和存储容量来决定)。大部分软件允许保存部分记录下来的帧,并且允许通过在有用片段前后抛弃无用帧来最小化文件大小。这样的触发按钮可以用作同步多个摄影机。

 

工业用途

当从反应性维护向预见性维护发展的时候,理解故障的发生变得极其关键。其中一个基本的分析方法是使用高速摄影机来描述速度过快而不能看见的事件,例如在生产过程中。于科学用途类似,拥有前后触发器功能,摄影机就可以持续记录,在这期间修理工便要等待故障的产生,接着使用一个触发信号(内部或者是外部的)停止录像,这允许研究员在按下按钮时节省了足够的缓冲时间(由连续录制的帧速率,图像大小和存储容量来决定)。有些软件允许实时查看事件,通过展示部分记录下来的帧,并且允许通过在有用片段前后抛弃无用帧来最小化文件大小和实时查看事件。

 

国防用途

1950年,在阿伯丁试验场的一名美国军方工程师Morton Sultanoff发明了一台每百万分之一秒拍下一帧的超高速摄影机,已经足以记录小型爆炸的冲击波了。

在这一系列文章的开头,来自海盗公司(Pirate)的高速技术专家,迈克尔·甘斯(MICHAEL GANSS)将会帮助你选择正确适用的高速摄像机,为你的下一份慢镜拍摄工作做准备。

 

 

高速摄像机

Phantom已经成为高速摄像机的代名词。(由美国Vision Research公司制造的幻影Phantom系列高速数码摄像机,以其精巧的设计、可靠的性能,成为高速摄像领域的领军产品。其广泛应用于武器测试、航空航天、汽车碰撞、工业检测及其他科学研究领域。)在大约三年前这款摄像机首次亮相之时,它并不受生产商欢迎,生产商宁愿去选择一台“超音速摄影机”,也就是高速数码摄影机。但现在,他们已经毫不犹豫地选择了“幻影”。最近,“幻影”的制造商Vision Research 成功拿下了艾美奖(美国电视最高荣誉奖)。他们发布的这款Phantom HD Gold成功把高速电影拍摄技术运用于电影制作中,并揽下了大多数电影制作项目。 Phantom HD GOLD是Vision Research公司推出的一款2K清晰度高清高速摄影机。作为Phantom HD的升级版,它可以实现1000fps的1920×1080全高清记录,在1280×720可达1500fps,并允许1到1000fps自由变速,可配置8、16、32GB内部存储器,该机适合于电视广告、音乐电视、纪录片、电影、甚至火箭发射监测的拍摄。) 这很大程度上归功于成本的大幅度下降及其操作的简便性。同时,这项技术消除了“胶片拍摄视角更宽阔、细节更突出”的争议。现今高速摄像机的九个停止范围(动态范围)确实比胶片拍摄效果差,而且胶片确实能记录更多更清晰的细节,但影像的宽度还不知道担心。也可以试想一下在胶片上进行3D高速拍摄!

(Phantom HD Gold)

虽然Phantom HD Gold 优势明显,但在英国仍有两款产品能在不同方面不同项目上有更出色的发挥,两款产品都提供出租服务。它们分别是由美国Photron公司推出的Fastcam BC2高速摄像机和Vision Research推出的新款摄像机,Phantom Flex. 在海盗公司(Pirate)我们将两台Phantom HD Golds(在英国我们是第一个获得这款产品的人)以及我们的Photron BC2(也是第一次)和一台全新的Phantom Flex进行对比。

(Photron BC2)

       

(Phantom Flex)

第一次看到Flex这款产品,我们被“2570fps,1000ASA”这些字眼深深吸引,但其出租价格相对高昂。人们会很自然地认为这是目前性能最好,功能最强大的高速摄像机,毕竟它是目前最新款的产品,而且通常人们会觉得最新兴的技术就是最高端的技术。但实践出真知,性能的好坏还是要看它在任务过程中的表现。

我们更愿意使用我们自己的Phantom HD数码高速摄影机来拍摄。这种摄影机可以一秒拍摄1000帧高清相片。图像可以通过每一频道14比特的彩色分辨率来捕捉。这款摄影机是根据传统35mm摄影机的光学规格来设计的,所以同样的镜片可以用来达到同样的景深。如果有需要,摄影机中的图像可以和标准的35mm连续镜头混合和配对。

但这款摄影机和传统的 35mm高速摄影机比有几个关键的优点。最重要的是,取景镜头可以在最大分辨率的慢动作中回放。对于相关的毛片不需要猜测和等待。也不会有错过的线索了,因为摄影机基本上一直开着,按下按钮只是去保存已经拍摄下来的画面。对于时间掐得很准的镜头来说,这是十分有用的。因为摄影机里没有移动的部分,所以没必要把摄影机固定在某个方位。在取景时它可以自由地四处转动,打开一个充满创造可能性的全新的世界。

 

 

高速摄影的主要技术指标

保存数据还是记录影象

所有的数码摄影机都有大致相同的基本运行模式:把视频拍摄数据储存在内存卡,通过HD-SDI实现快速回放,(HD-SDI就是高清数码分量串行接口, HD-SDI系统由于操控完全无延迟,所以可以做到所见即所存,不会丢失重要的视频。)标记输入和输出的数据,储存摄影机数据到外部数据储存器以便进行代码转换和后期制作。然而,一些实况广播和喜剧演出却仅仅记录HD-SDI重放。集成了EVS XT2系统的BC2高速摄像机最适合输出缓冲流程。只有10字节的记录(如一台Sony SR deck所说)虽然对标题或字幕大有好处,但却使原始图像数据迅速减少,也因此都有充满利用摄像机能拍摄高清图像的功能。不足为奇的是,我们发布了HD Golds已经三年了,在其他人都选择高清拍摄的情况下,很少有客户会选择去记录10字节的HD-SDI. 然而, 在大多数产品中,图像质量的差异也未必是容易发觉的。

 

下载数据还是使用Mag

高速数码摄影机有速度极快的内存,能够快速捕捉大量的图像数据(用一台Photron BC2以2000帧率进行高清拍摄,5秒多就能储存32G)。在这个内存缓冲区中的数据是不稳定的,如果摄影机电源中断了,数据就会丢失。每一个镜头都得保存好,通常会存在一台控制计算机的硬盘上。这需要时间,在一台16G的HD Gold摄影机上,把全部内存存满需要的时间最多会达到7分钟,这会受到下载这些数据的千兆以太网电缆的限制。

不过,很多时候这个问题并不像我们认为的那样重要,原因有三。首先,我们还是可以用现场摄像机来安排下一个镜头的。我们很少把内存存满(所需时间是按比例的,所以存满一半内存缓冲区会占一半的时间),而且不管怎样录像室经常是在等着重置的(爆破,水花四溅,食品拍摄,等等)。有时候下载时间会长到恐怖,比如当我们在拍摄运动中的足球运动员这样的名人。这个时候,Phantom摄影机表现更加出色,因为他们能和“CineMags”存储器配合使用。

CineMags(亦称“mags”)是为Phantom摄影机所独有的。作为直接安在摄影机上的巨大内存块,它们能够在几秒内存入整个摄影机的内存,而不是几分钟:基本上不用花多少存储时间了。每一个Mag有21个完整的内存区,可以转码成63分钟25帧率的回放录像。所以,我们可以把一个Mag当做一个小时时长的磁带。另外,如果我们在一台HD Gold上以450的帧率进行拍摄(或在一台Flex上以361的帧率),我们可以通过传输内存把片段直接存入Mag,简化耗时的操作。最后,我们可以回看存在Mag里的镜头,不必使用视频回放工具。当然,我们还是需要事后把片段从Mag里复制出来,或者现场通过下载中心来复制。目前为止,一切顺利。不过,使用Mag也是有不足的,成本会增加,数据质量会下降。成本来自三个方面:租用Mag的费用,租用下载中心的费用,或许还有拍摄后期下载的劳动成本。

虽然好像没人意识到数据质量的下降,但是当这一点被指出来,我们还是会感到震惊。众所周知,在Mag里,数据只是以10比特的对数型色彩格式来储存的,而不是HD Gold具有代表性的14比特的线性色彩数据。Vision Research公司说,下载一个Mag的数据,14比特的线性数据就被重造了。这还是说得通的。由于显示技术的位深度的限制,技术性的不同并不是一直可见,但是最好不要小看这个问题,如果数据需要大量后期转移的话。

因此,预算比较紧,或者必须采用14比特线性数据的话,就不要用CineMags,除非你一定要。还有,如果你真的有需要,你必须使用HG Gold 或者Flex摄影机。

 

图像质量

基于图像质量来选择摄影机是很主观的,摄影机之间有确切的、明显的不同。像这些彩色数码摄影机,拥有带拜耳模式滤波器的单传感器,但存在色彩假象的问题(图像中的虚假错误)。在这里完整解释拜耳和假象就太复杂了,我们只需要知道Phantom HD Gold和Flex通过使用安置在传感器前的“光学低通量(OLP)”滤波器(一块模糊的玻璃)解决了这一问题。这自然会产生稍显柔性的,有人说像胶卷一样的图像。相比之下,Photron BC2通过对图像进行电子处理来减少假象,在高清接口输出的图像明显更加清晰。不使用OLP过滤器会导致效果良好的图像模式里出现图纹假象。

这些根据Macbeth 颜色表拍摄出来的镜头,都是1920x1080分辨率的镜头,1000帧率,18快门,说明了BC2的显色性高于HD Gold和Flex。再者,放大之后图像噪音就很明显了:BC2图像是最清晰的,接下来是HD Gold,而Flex 甚至在高清模式下还显示出可辨认的画面噪音。

使用Flex的时候,我们有两种选择,高品质模式(HQ)和标准模式(SQ)。本质上来讲,这是图像质量和最高速度或敏感性的交换。虽然Flex是款比较新的摄影机,但用户还是觉得甚至高质量模式也比HD Gold更粗糙,而且HD Gold也有14而非12比特色彩这样的优势。

图像质量最佳的摄影机:BC2,然后是HD Gold

 

数码摄影机上的电影镜头

HD Gold的传感器宽度为25.6mm,和35mm的电影镜头如此相似,所以35mm的镜头很流行。

用户经常指出HD Gold的镜头支架没法调整,以至于不得不用自备的校准架去拍摄。比如,调焦员会抱怨每一次停下来镜头都需要新的焦点标记!事实上,一些非常宽的镜片从来就不精准。问题不在于校准而在于数码传感器,OLP滤波器和“传统的”35mm的电影镜头之间的相互作用。 解决之道在于更加新式的,“电子式的”镜头,不在于使用OLP滤波器。这是一个复杂的尚未得到解决的问题,但我们可以很清楚地看到,OLP出现在Phantom上会导致比BC2更多的调焦的问题。

虽然Flex有更密集的像素列,在25.6mm的宽度上就有2560像素,如果进行高清拍摄(1920x1080像素),用户就是在使用和BC2一样大的传感器中心。这会使所有的镜头“变长”。通常大多数摄影师会选择保持场景深度或者35mm电影镜头的长度,所以应该使用全分辨率(2560x1440)传感器模式下的Flex。但是,达到这个分辨率的时候,和1920x1080时的2000帧率相比,高质量模式下最大帧率会下降到800。另一方面,在分辨率为1920x1080的时候,BC2帧率最高可达2000。

最佳摄影机:不损胶卷,最大1000帧率——HD Gold;如果要追求最大帧率的话,则BC2或Flex。

 

敏感度

高速摄影时常会出现光线不足的情况。HD Gold的比之前更好的敏感度(我们测定为320ASA)使得数码录像成为可能。不过,摄影师经常想要更多的光圈,新一代的BC2传感器有两倍的敏感度(640ASA)。而Flex的敏感度则多了半个光圈(1000ASA),我们应该注意到当我们使用唯一一个1290x1080分辨率的中心,在高质量模式下达到最大帧率1267的时候,快门最大值是180度,这将敏感度有效地降至500ASA。我们应该注意到厂家引用的ISO评级和我们使用的数字不一样。

敏感度最佳摄影机:BC2或者Flex

 

操作简易性

作为最接近电影拍摄的高速数码摄像机,HD Gold的成功得益于极好的操作简易性。虽然BC2有能够安在跨接板上的目镜,但正因为这样,它就不像电影摄像机了。HD Gold以及Flex不仅仅着眼于部分,它们还有外接控制,能使用电池和CineMags,能无线使用。这样,HD Gold和Flex在手持,悬吊,远轨和使用稳定器等情况下拍摄效果都很好,选择位置也相对容易些。用户也可以加上一个无线HD-SDI发射器,虽然会增加一点重量,但可以使远景拍摄和回放更便利。

最佳简易性摄影机:HD Gold或者Flex

Marmalade的开创性的高速运动控制系统“Spike”为高速电影拍摄世界带来了运动型摄像机的创造性的自由,这使得Marmalade得以拍摄在以前无法做到的镜头。

“Spike”能以无比的速度和精准来自由移动摄影机,不必用锁定视角来拍高速序列,因此之前存在的这种创造性限制就被消除了。

 

 

通过嫁接一个坚固可靠的工业自动机械的硬件到一个完全服务于动作控制的高速成像的软件,Marmalade开发出一个独一无二的系统,用来创造真正的摄影机移动,而且使用的操作通常都是和3D动画制作有关的简易操作。

 

 

 

 

Marmalade能在几秒内创造和修改可复制的摄影机移动。运用这个系统丰富的视觉预览特性,用户可以在电脑频幕上快速探索创造性的选项,结果呈现出的改变可以立刻成为现实。额外特效可以和摄影机移动同步触发,使得复杂的特效序列得以实施

 

“Spike”当然对低速模式也是得心应手的,它能够产生戏剧性的镜头和隐形的透视变化,使镜头鲜活起来。

 

 

摄影室

大多数摄影项目都是在这个200平米的摄影室里完成的,隔壁就有一个设备齐全的重型工作坊,会议室和一个厨房也都在同一栋建筑里。

这样安排有一个好处:Marmalade可以直接在拍摄现场开发测试复杂的机械设置——不需要耗时地拆卸,重组和调整。

所有的工具和材料都在隔壁,这样Marmalade就可以在整个拍摄过程中保持改变或微调设置的灵活性。无论灵感何时出现,Marmalade都已做好回应的准备。

结论

当你觉得图像质量,透镜表现和最高速度的综合最重要,那么就使用BC2。对那些要求下载时间短而且操作简单的拍摄计划而言,可以使用HD Gold或者Flex:选择HD Gold还是Flex取决于HD Gold更干净的14比特色彩模式是不是比高敏感度或高帧率的Flex更重要。

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