Области применения сверхвысокоскоростной видеокамеры

Семин И. М.

Введение.

За последнее время нами был разработан прототип матрицы, работающей на высоких кадровых частотах — 20 000 000 и более кадров в секунду. Данная разработка является принципиальным шагом вперед в области высокоскоростной съемки. Ее принцип может использоваться в различных областях:

• регистрация быстропротекающих физических процессов и регистрация ударных взаимодействий;
• системы машинного зрения (ЛИДАР);
• наблюдение за биологическими процессами (короткоживущей флюоресценции белков) и др.

Немного подробнее о различных вариантах.

Регистрация быстропротекающих физических процессов и регистрация ударных взаимодействий.

Для регистрации физических процессов большое значение имеет кадровая частота съемки. Аналогичные зарубежные камеры достигли кадровой частоты более 1ГГц. Технологии, которые планируется использовать для создания сенсоров позволяют надеятся на кадровую частоту более 100МГц, что является достаточным для большинства приложений для регистрации физических процессов.
Основные преимущества предлагаемой технологии по сравнению с существующими системами на базе ЭОП:

• простота синхронизации с процессом;
• простота прибора  и как результат невысокая меньшая стоимость;
• небольшие габариты.

При регистрации подобных процессов далеко не всегда имеется возможность достаточно точно определить момент, когда он происходит, а следовательно, и получить необходимые данные. Наиболее простой способ — это привязка к разрушению какого-то проводника, но она происходит уже после начала процесса либо после его завершения. Предлагаемая матрица имеет возможность снять до 8 кадров к моменту синхронизации, что является наиболее значительным преимуществом перед системами на базе ЭОП.

Системы улучшенного видения

Для данного применения матрица позволяет решить задачу получения в реальном времени послойного изображения. Т.е. камера со специальной импульсной подсветкой может получать с достаточной кадровой частотой наборы из 8 кадров с объектами, расположенными на различных расстояниях. Например, первый кадр показывает объекты расположенные на расстоянии от 0 до 30 метров, на втором от 30 до 60, на четвертом от 60 до 90 и.т.д. Причем, в отличие от других решений, данные изображения являются одномоментными, а не снятыми последовательно, что существенно для систем управления.
Особо отметим, что на получаемые изображения значительно уменьшается влияние погодные факторы, такие как снег, дождь и туман.
Прототип камеры и комплекса «камера-фара» в режиме подавления «снегопада» готов к показу.

Наблюдение за биологическими процессами (короткоживущей флюоресценции белков)

Для данного применения эта матрица позволяет снимать слабые короткоживущие флюоресценции сразу с несколькими задержками относительно инициирующей вспышки.

Имеющийся прототип матрицы

Есть прототип (действующий макет) камеры сверхскоростной съемки на базе прототипа предлагаемой матрицы. Основные параметры имеющегося прототипа камеры:

• частота ввода кадров — 20 МГц;
• число записываемых кадров — 8 ;
• размерность матрицы — 128х64;
• синхронизация — запуск камеры по синхроимпульсу либо запуск процесса от камеры.

Предполагаемая конфигурация матрицы и камеры на ее базе:

• частота ввода кадров — более 20 МГц;
• число записываемых кадров — 8;
• размерность матрицы — 450х450;
• синхронизация - запуск камеры по синхроимпульсу либо запуск процесса от камеры;
• возможность сохранения истории до момента прихода синхронизации;
• скорость считывания блоков по 8 кадров — 30 - 50 Гц и более.

* Все характеристики прототипа требуют уточнения на этапе проектирования.

Заключение

Перспективно данная матрица позволят: достичь новые возможности наблюдения за быстропротекающими процессами с кадровой частотой 100, а возможно и более 1000 МГц; создавать системы машинного зрения с расширенными функциями; создавать установки регистрации короткоживущей флюоресценции в интересах медицины; использоваться для других применений, требующих накопление коротких световых импульсов либо наблюдения за быстро протекающими процессами. Дополнительно проведение работ в этом направлении позволит освоить выпуск отечественных матриц по технологии CMOS, что позволит решить и другие задачи: изготавливать камеры с уникальными параметрами, например, с большими пикселями или малыми зазорами между фоточувствительными зонами соседних матриц; создать камеры с возможностью определять уровень накопления изображения без «разрушения» накопленного сигнала, что может быть полезно для систем технического зрения; импортозамещение в области систем машинного зрения в интересах оборонной промышленности.