top
logo

Počítadlo

TOPlist

Knihy z naší nabídky


Úvodní
Co je vysokorychlostní kamera? Email
Hodnocení uživatelů: / 16
NejhoršíNejlepší 

Vysokorychlostní kamera
Základní informace

 

Vysokorychlostní (rychlostní, rychloběžná) kamera, zkráceně rychlokamera (anglicky High Speed Camera), je přenosné optoelektronické zařízení pro vytváření obrazového záznamu velmi vysokou frekvencí snímání. Soudobé moderní vysokorychlostní kamery jsou stejně jako klasické "pomalé" kamery digitální, tj. poskytují digitalizovaný záznam obrazu i zvuku. Rychlokamery mohou být jak barevné, tak černobílé. Černobílý záznam může být u rychlokamer za určitých okolností výhodnější s ohledem na menší objem zpracovávaných a přenášených dat. Rychlokamery se od běžných digitálních kamer liší i svým vzhledem. Jsou to zpravidla nevzhledné hranaté plechové "krabice" s vystupujícím objektivem, bez displeje a s minimem ovládacích prvků, neboť k nastavení parametrů záznamu a ovládání kamery slouží externí zařízení, nejčastěji řídící panely nebo PC. O co horší je vzhled vysokorychlostní kamery, o to lepší jsou její "vnitřnosti", které obsahují špičkové optoelektronické prvky. V současné době jsou v celosvětovém měřítku používány především vysokorychlostní kamery firem Olympus (Japonsko - www.olympus.com) a Redlake (USA - www.redlake.com).

Na světě kolem nás existuje mnoho rychloproduktů, rychlojevů a rychločinností. Zatímco rychlobruslení není o mnoho rychlejší, než obyčejné bruslení, rychlovazač neváže o mnoho rychleji, než obyčejný vazač, rychlovarná konvice vaří o něco rychleji než konvice pomalovarná, rychlovlak už může být až o řád (tj 10 x) rychlejší, než obyčejný vlak. Mezi rychlokamerou a obyčejnou kamerou je však rozdíl v rychlosti (frekvenci) snímání propastný. Zatímco běžná kamera snímá standardní rychlostí 25 obrázků za sekundu, u rychlokamery jsou běžné frekvence od tisíce snímků za sekundu až po statisíce snímků za sekundu, tedy o 2 až 4 řády vyšší. To je podobný rozdíl, jako kdybychom srovnávali rychlost lezoucího hlemýždě s rychlostí chodce (vyšší o 2-3 řády, tj. stokrát až tisíckrát), popř. s rychlostí automobilu jedoucího maximální dovolenou rychlostí v obci (vyšší o 4 řády, tj. desettisíckrát).

Vysoká frekvence snímání však vyžaduje zpracování obrovského množství dat. Např. při dnes běžné snímkovací frekvenci 20 000 fps (frames per second - snímků za sekundu) a rozlišení dílčích snímků obrazového záznamu 250 x 200 bodů je třeba uložit za sekundu 1GB dat. To znamená, že na jeden CD disk je možné uložit za výše uvedených podmínek pouze necelou sekundu nekomprimovaného černobílého záznamu v reálném čase, na DVD disk asi 4 sekundy.

Výraznou předností digitálního záznamu je, že je použitelný nejen ke kvalitativní analýze zobrazeného děje nebo jevu, ale umožňuje i analýzu kvantitativní, tj. hodnocení s využitím aktuálních hodnot fyzikálních veličin. Vzhledem k tomu, že k jednotlivým jednotlivým obrázkům záznamu lze přiřadit reálný relativní čas, je možné porovnáním sousedních obrázků stanovit vektory rychlosti a zrychlení pohybujících se prvků, rychlosti změny tvaru těles či vizuálních projevů zkoumaných jevů apod. Přesnost takto stanovených hodnot analyzovaných veličin je ovlivněna především rozlišením (kvalitou) záznamu, dále bitovou hloubkou záznamu, metodou kvantifikace dat a kvalitou použité optické soustavy (objektivu), která je zatížena vadami zobrazení (distorze, astigmatismus apod.). Pokud jsou použité objektivy kvalitní, vady jsou zanedbatelné. Pro přesná měření se používají speciálně kalibrované objektivy. Nezanedbatelnou roli hraje i správné zaostření objektivu na snímaný objekt po celou dobu trvání záznamu, zejména při snímání pohybujícího se tělesa.

Rychlokamery nejsou produktem současného digitálního světa. Byly používány už v minulém století v éře analogového záznamu na filmový pás. Pomocí speciálního mechanismu se pás filmu určité (omezené) délky uvedl do pohybu relativně vysokou rychlostí a záznam o vysoké frekvenci byl proveden s využitím soustavy rotujících zrcadel. Současné digitální rychlokamery mají proti historickým analogovým výhodu nejen ve vyšší variabilitě volitelné frekvenci záznamu, ale i v celkové době snímání děje, která je omezena pouze kapacitou paměťového média a také možností snímání děje i v čase před spuštěním kamery (tzv. pretrigger).

Digitální záznam lze navíc ihned po jeho provedení prohlédnout na externím monitoru, posoudit, zda je zdařilý a v případě neúspěchu jej opakovat (je-li to ovšem možné). Určitým problémem je závislost rozlišení obrazového záznamu na frekvenci snímkování, která vyplývá z omezené rychlosti datových toků ze záznamových čipů na paměťové médium. To v praxi znamená, že při nejvyšších rychlostech snímání je rozlišení záznamu tak nízké, že je obraz pro balistické aplikace nepoužitelný.

Alfou a omegou při použití rychlokamery je dostatečné osvětlení snímané scény. Při použití současných kamer snímajících s frekvencí řádově v desítkách tisíc obrázků za sekundu může být (z pohledu kamery) i na přímém poledním slunci šero či dokonce tma. Vysoké frekvence snímání proto vyžadují použití velmi výkonného osvětlení scény. Používají se halogenová, nebo výbojková svítidla o příkonu několika kilowattů. Jako nejperspektivnější se pro balistické aplikace jeví osvětlení scény pomocí série synchronizovaných výbojkových blesků.

Proč vysokorychlostní kamera ?

Rychlokamery se uplatňují v celé řadě technických aplikací. Jejich možnosti však mohou být využity teprve při snímání extrémně krátkých a rychlých dějů. Právě pro balistické experimenty se zbraněmi je rychlokamera ideální záznamové zařízení, neboť balistika je vědou velmi rychlých dějů. Vidět střelu za letu před zbraní, na cíl nebo dokonce při pronikání cílem je snem mnoha střelců a snad všech balistiků. Je-li to střela velká a pomalá (např. lukostřelecký šíp), nebo střela se zvláštními prvky identifikujícími její polohu na dráze letu (např. malorážová střela s hořící stopovkou nebo dělostřelecká střela s generátorem dnového výtoku, popř. raketa), pak není takový problém si tento sen splnit na vlastní oči. Pokud je to ale střela okolozvuková (s Machovým číslem M kolem jedné), nebo dokonce střela nadzvuková (M je větší než jedna), která nevyzařuje za letu optické záření ve viditelné části spektra, pak pro její pozorování jsou biologické senzory člověka - oči i jejich řídící procesor - mozek velmi nedokonalými orgány.

V těchto případech pak může lidské smysly nahradit technika pro záznam rychlých dějů. Tato technika má nezastupitelné místo nejen v oblasti experimentální balistiky, ale i v oblasti funkčních analýz zbraní, zejména zbraní samonabíjecích a automatických. Rychlokamery se pochopitelně uplatňují i v celé řadě jiných technických oborů. Používají se např. při snímání tzv. crash testů osobních automobilů, snímání rychlých dějů v elektrotechnice (např. výbojů) apod.

Širšímu rozšíření rychlokamer zatím brání jejich cena, která se u sestav kamer (s maximální frekvencí snímání v mnoha desítkách tisíc obrázků za sekundu) i s příslušenstvím pohybuje od jednoho do několika miliónů korun. I přesto lze hodnotit poměr cena / frekvence snímání příznivěji u rychokamer, neboť při maximální rychlosti snímání vyšší o 3 až 4 řády ve srovnání s běžnými digitálními kamerami je cena rychlokamer vyšší jen o 2 řády. Přesto se dnes použití rychlokamer omezuje pouze na specializovaná pracoviště.

Při balistických experimentech umožňuje rychlokamera analyzovat velmi rychle probíhající jevy související s výstřelem střelné zbraně. Ve vnitřní balistice jsou možnosti studia pohybu střely s využitím rychlokamery omezené. Stěny hlavní bohužel nejsou transparentní a v brzké době určitě ani nebudou. Určité možnosti využití rychlokamery jsou při snímání pohledem do ústí hlavně s využitím prostřelovaného zrcadla.

V oblasti přechodové balistiky umožňuje rychlokamera zobrazit chování střely na ústí hlavně, výtok plynů z hlavně a jejich dodatečný účinek na střelu. Významnou úlohu může sehrát i při analýze funkce různých úsťových zařízení (kompenzátor zdvihu, úsťová brzda, tlumič plamene, tlumič hluku apod.).

Ve vnější balistice lze obrazový záznam rychlokamery využít pro analýzu pohybu střely na dráze, hodnocení její rychlosti (postupného i rotačního pohybu) a stability. V koncové balistice lze kamerou sledovat dopad střely do cíle, popř. i pronikání střely cílem, které je doprovázeno funkčními změnami samotné střely i cíle. V ranivé balistice jsou zaznamenávány interakce střely s tkáněmi, resp. jejich substitucemi, zejména substitucemi transparentními, jako jsou želatiny a gely. Velký prostor se otvírá pro použití rychlokamer při hodnocení účinků neletálních střel na živé cíle nebo jejich substituce.

Samostatnou otázkou použití rychlokamery v oblasti balistiky a pyrotechniky jsou experimentální záznamy výbuchů munice a samotných výbušnin (tříštění střepinových těl, rozlet střepin, šíření detonačních a rázových vln). V této oblasti se jedná o pravděpodobně nejrychleji probíhající děje ve speciální technice (rychlosti řádově až 10 tisíc metrů za sekundu), při jejichž záznamu mohou rychlokamery plně využít svých možností.

Stejně aktuální jako přání vidět střelu za letu jsou i přání konstruktérů zbraní a střelců vidět funkci zbraně během střelby. Na rozdíl od balistiky momentálně stačí pro analýzu zbraní záznamy se snímací frekvencí přibližně o jeden řád menší. V oblasti analýz funkce střelných zbraní lze využít kameru k hodnocení jejich funkčního cyklu při výstřelu, interakce zbraně a střelce, k nalezení problematických etap funkčního cyklu, a třeba i příčin destrukce zbraně při výstřelu.

U zbraní lze kamerou zaznamenat a posléze kvantifikovat pohyb různých důležitých i méně důležitých prvků, které mohou ovlivňovat (kladně i záporně) funkci zbraně. Pro konstruktéry samonabíjecích a především automatických zbraní je důležité znát určující parametry pohybu závěrového mechanizmu. Pokud je použito kontaktních metod měření, dochází těmito metodami k ovlivnění pohybu funkčních částí zbraně a tím i ke zkreslení skutečného děje. Vysokorychlostní kamery zaznamenávají děj nekontaktně a ten tudíž není snímáním negativně ovlivněn. Další výhodou je sledování součástí zbraně, na které nelze (podobně jako u munice) umístit snímač, nebo nelze jejich pohyb zaznamenat jinými nekontaktními metodami. Záznam vysokorychlostní kamery umožňuje kvalitativně nové přístupy k analýze funkce zbraně s uvážením vysokofrekvenčního kmitání mechanických částí zbraně, které bylo konstruktérům do nedávné doby "utajeno". Tím lze výrazně přispět k poznání funkce zbraně a k optimalizaci její konstrukce i funkce.

Zbraně jsou nejčastěji snímány rychlokamerou za účelem záznamu funkčního cyklu, s jehož pomocí lze sestavit funkční diagram zbraně (časová závislost dráhy závěru) a také pohybu zbraně (lafetované, nebo držené v ruce). Dále lze sledovat dráhu vyhozené nábojnice, zda nekoliduje se součástmi zbraně. Kamera umožňuje i odhalit, zda nedochází k předčasnému otevírání závěru nebo k zádržkám při odemykání závěrového uzlu, či při zasouvání náboje do nábojové komory. Lze sledovat pohyb závěru a dalších částí zbraně při dynamickém namáhání během funkce automatiky zbraně. Dochází-li např. vlivem netěsností k úniku prachových plynů v odběrovém zařízení automatické zbraně s pohonem automatiky odběrem plynů z hlavně, lze tuto skutečnost snadno odhalit právě použitím rychlokamery.

Samonabíjecí i automatická palná zbraň je vždy složitým mechanismem, jehož konstrukční návrh je s ohledem na běžné pracovní tlaky ve stovkách megapaskalů problematický. V reálných dynamických podmínkách se může tento mechanismus chovat nepředvídatelně a při studiu jeho funkce je vhodné použít opět rychlostní kameru, která umožní zkrátit období vývoje zbraně při splnění požadavků bezpečnosti. Při ověřování funkce zbraní, i při provokačních zkouškách, jejichž cílem je dosáhnout destrukce zbraně definovaného charakteru, musí být rychlokamera pochopitelně chráněna vhodným průhledným a balisticky odolným krytem, který zabrání poškození kamery v případě destrukce systému, při níž obvykle není nouze o energeticky bohaté kovové střepiny. Velkým přínosem je použití rychlokamery i při analýze přesnosti zamíření zbraní a při studiu interakce zbraně se střelcem a při tvorbě biomechanického modelu člověka - střelce, zatíženého impulsem výstřelu.

Rychlokamera použitá v balistických i zbraňových aplikacích dává člověku reálnou fyzikální představu o funkci zbraňových systémů, které mají charakter technicky náročných strojů, pracujících v extrémních podmínkách. Rychlokamery umožňují získat velmi specifickými principy záznamu cenné, jinými metodami nedostupné poznatky pro hodnocení funkčních vlastností zbraní a střeliva. Umělá inteligence rychloběžných kamer je však zatím v plenkách. Jsou produktem člověka a bez člověka se neobejde ani jejich instalace a použití, ani vyhodnocení vytvořených záznamů.

Vlastnictví rychlokamery ještě neznamená, že bude využívaná efektivně. Nasnímané záznamy určité scény představují jen "syrový" materiál, který následně vyžaduje náročné zpracování obrazu s využitím speciálních metod tak, aby výsledky mohly být použitelné nejen pro prosté prohlédnutí daného jevu či funkce systému, ale i pro další vědecké využití.

V České republice není mnoho pracovišť, které se zabývají analýzou funkce zbraní pomocí rychloběžných kamer. O to více nás těší, že jedním z těchto pracovišť je už několik let i katedra zbraní a munice Univerzity obrany v Brně.

Doc. Jan Komenda
Ing. Miroslav Novák

 

bottom

Založeno na Joomla!. Designed by: Free Joomla Template, tuvalu domain transfer. Valid XHTML and CSS.