Войти в почту

История быстрых камер, снимающих очень медленные видео

Салли Гарднер в галопе, 1878 г. Фото: Эдвард Мейбридж, wikipedia.org

А между тем, современные камеры снимают это так, чтобы пуля всегда находилась в кадре. Рассказываем, как это возможно.

Можно подумать, что это быстрая панорамная съемка или точное 3D-моделирование, но нет – камеры действительно следуют за пулями и снимают их с замедлением в несколько сотен раз. Простая камера смартфона или фотоаппарата, конечно, на такое не способна (хотя при должном везении и правильной выдержке на них можно сфотографировать даже летящий снаряд). Для таких видео используют сверхскоростные камеры, которые могут снимать триллионы кадров в секунду.

Идея о первой «скоростной камере», возникшая благодаря лошадиным копытам

Идея о создании скоростной камеры появилась еще в XIX веке: в 1872 году промышленник и заядлый наездник Леланд Стэнфорд поспорил с приятелями, что лошади во время галопа периодически отрывают все копыта от земли. Лошади скачут слишком быстро, поэтому глазами трудно заметить, отрываются копыта от земли или нет.

Леланд Стэнфорд, wiki-org.ru

Спор мог так и остаться нерешенным, но для Стэнфорда это было делом принципа, поэтому он позвал знакомого наездника и заказал фотосъемку у фотографа Эдварда Мейбриджа. Тот попытался снять лошадь на обычную камеру, но ничего не получалось – он просто не успевал за животным. Мейбридж считал, что сделать такой снимок невозможно, но спустя множество попыток он добился успеха. Эдвард Мейбридж, britannica.com

В 1878 году Стэнфорд снова обратился к Мейбриджу. Но в этот раз ему нужна была серия снимков лошади по имени Салли. И эта задача была еще сложнее. Но при съемке фотограф придумал то, что в будущем стало основой не только скоростной фотографии, но и кинематографа. Он поставил друг за другом несколько камер и соорудил механизм, который поочередно приводит в действие затворы камер, когда лошадь задевает присоединенные к ним тросы. Лошадь бежала, и камеры бесперебойно делали снимки. На некоторых фотографиях было четко видно, что лошадь отрывается от земли всеми копытами. Но пока Мейбридж перебирал карточки, ему пришла одна идея – соединить все снимки вместе и показывать поочередно. Всего вышло шесть картотек под общим названием «Лошадь в движении», но наибольшую популярность получила картотека «Салли Гарднер в галопе» – та, где видно, что четыре копыта действительно находятся в воздухе. Спустя более 10 лет, в 1891 году, изобретательный американеон создаст кинетоскоп – устройство, способное последовательно выводить кадры один за другим. Это было чем-то вроде примитивного видеопроигрывателя, который мог показывать короткие ролики, длившиеся не более 5 секунд. Но даже для них требовались сотни последовательных кадров. На удивление, ни Мейбридж, ни Эдисон не удостоились полноправного звания отцов кинематографа. Зато таковыми считаются братья Люмьер – создатели устройства с названием «кинематограф», который представлял собой усовершенствованную версию кинетоскопа Эдисона. Это устройство могло бесперебойно выводить 16 кадров в секунду, что в то время казалось фантастикой. 24 камеры, установленные на поле для съемки лошади. Фото: Internet Archive Book Images, wikipedia.org

Первые действительно сверхбыстрые камеры, заснявшие ядерный взрыв «Кинематограф» был прорывным устройством, но в то же время всем хотелось большего. В конце XIX века началось развитие технологий съемки: изобретатели искали возможность сделать большую длительность роликов и большее количество кадров в секунду. И уже спустя 30 лет это стало возможным – к 1930-м годам появились первые скоростные (даже по современным меркам) камеры. Корона капли молока. Фото: Гарольд Эджертон, hungertv.co Напримерak выпустила кинокамеру, способную делать 1000 кадров в секунду. Этого было достаточно, чтобы заснять полет стрелы или рассмотреть во всех деталях животный мир. Но в преддверии эпохи атома и этого было мало. Ученым нужно было запечатлевать опыты на видео – им буквально требовалось пересматривать все в деталях сотни, а иногда и тысячи раз.

Опыты с атомом требовали чрезвычайно быстрых камер, с помощью которых можно было бы создать невероятно медленные видео. Для понимания: «огненный гриб», возникающий после взрыва ядерных бомб, происходит за три сотых секунды. Ядерные реакции, с которыми работали ученые, еще быстрее. Создать более скоростную камеру вызвался изобретатель Гарольд Юджин Эджертон. В 1932 году он придумал технологию съемки с использованием стробоскопа – устройства, создающего яркие световые импульсы, появляющиеся с молниеносной скоростью. Эджертон подсвечивал стробоскопом движущиеся объекты в абсолютно темной комнате и благодаря этому получал кадры с временем экспозиции от 1/10 000 до 1/100 000 секунды. Этого хватало, чтобы сфотографировать пулю на лету или процесс падения капли молока. Кстати, «Капля молока» и сейчас считается фотошедевром.

Ядерный взрыв из серии испытаний Tumbler-Snapper де, около 1952 года, сфотографированный рапатронной камерой менее чем через 1 миллисекунду после взрыва. В этом кадре огненный шар составляет около 20 м. Шипы в нижней части огненного шара известны как эффект трюка с веревкой. wikimedia.org

Но и этого было мало, чтобы заснять испытания с ядерными реакциями. Сам Эджертон не сильно расстроился – и даже наоборот, он решил во что бы то ни стало сделать камеру, способную запечатлевать что угодно. В 1940-х годах у него это получилось, а в 1947 году он заключил контракт с комиссией по атомной энергиША и создал специальную камеру – Rapatronic, способную производить снимки с выдержкой, равной 10 миллиардным долям секунды. Именно на такие камеры записывали первые взрывы ядерных бомб США в 1950–1960-х. И это была самая быстрая камера в мире, но даже у нее был недостаток – скорость затвора. Камера могла сделать снимок быстро, но вот на второй кадр требовалось куда больше времени – нужно было ждать, пока перезарядится затвор. Из-за этого для съемок использовали несколько камер, работавших одна за другой. Примерно в то же время появляются сверхбыстрые камеры с зеркальными системами: например, камера Dynafax компании Cordin, которую тоже использовали для съемок ядерных испытаний. Зеркало в ней вращалось со скоростью 100 тыс. оборотов в минуту и распределяло кадры по ленте быстрее, чем если бы пленка сменялась сама. Для вращения зеркала в Dynafax использовали электроэнергию. Подобные камеры требовались и в СССР. Уже в 1960-х годах советские изобретатели представили пленочную камеру ФП-22, способную снимать до 100 000 кадров в секунду. Кадры с нее были пригодны для непосредственной кинопроекции на экран. В дальнейшем камеры с зеркальными технологиями развивались еще сильнее – становились быстрее и записывали более долгие видео. Но сама технология оставалась примерно одинаковой. Как работает замедление, получаемое с помощью быстрых камер Для съемки быстродвижущихся объектов в камере или вне ее должны быть зеркала, вращающиеся с высокой скоростью. Они отражают изображение на матрицу камеры так, чтобы объект (например, пуля) всегда был в кадре. Вал, на который крепится такое зеркало, может совершать несколько миллионов оборотов в минуту, поэтому и он, и само зеркало должны быть сверхпрочными. Фото: Гарольд Эджертон

Если нужно запечатлеть движущийся объект, без зеркал не обойтись. Сверхскоростные камеры весят в среднем от 5 до 10 кг, поэтому крутить сами камеры с аналогичной скоростью не получится. К тому же изображение с зеркал проще стабилизировать – если бы вращались сами камеры, мы бы ничего не увидели из-за тряски.

milenaolesinska.blogspot.com

Допустим, у нас есть управляемое компьютером зеркало, вращающееся с невероятной скоростью. Остается лишь поставить камеру перед ним, чтобы она снимала отражения движущихся объектов. Но проблема в том, что полет пули, удар молнии и даже ядерные взрывы – это слишком скоротечные явления, и их отражения движутся с такой же высокой скоростью. Чтобы камера смогла это запечатлеть, ей нужно делать несколько тысяч, а иногда и миллионов кадров в секунду. Для сравнения, стандарт киноиндустрии – всего 24 кадра в секунду.

Получается, что для замедленного кино изначально нужна очень ускоренная съемка, и чем больше кадров в секунду записывает камера, тем большего замедления можно достигнуть. Это работает примерно так: если мы записываем видео с частотой 1200 кадров в секунду и трансформируем его в видео с 30 к/c, оно становится в 40 раз медленнее – 1 секунда превращается в 40. Возникает резонный вопрос: почему нельзя замедлить видео еще сильнее, трансформируя его из 1200 к/c в, например, 1 к/c. На самом деле можно, но выглядеть это будет хуже. Все дело в плавности изображения: если в видео меньше 16 к/c, оно становится дерганым и мерцающим. А конкретно 1 к/c – это и вовсе не видео, а слайд-шоу из смазанных изображений. И отсюда исходит одна сложность – в обычном качестве очень медленное видео снять не получится, попросту не хватит памяти и скорости записи накопителя. Поэтому разрешение у быстрых камер разительно ниже, чем у обычных. Из-за этого их нужно использовать в условиях повышенной освещенности. И по этой же причине появляется еще одно ограничение – использовать возможности быстрой камеры на максимуме можно лишь в течение нескольких секунд. В редких случаях – нескольких минут. Обычно это происходит так: камера включена и направлена на объект, но запись начинается лишь после получения специального сигнала, поэтому ее длительность с максимальной скоростью и максимальным разрешением всего пару секунд в нужное время. Вы наверняка замечали, что замедленную съемку используют не только в научных целях, но и практически во всех зрелищных видах спорта. Например, замедленные хайлайты во время футбольных трансляций. Но для этого обычно не применяют сверхбыстрые камеры – хватает и обычных. А замедление создается с помощью видеоредакторов. Оригинальная камера Rapatronic на выставке в Национальном музее атомных испытаний в Лас-Вегасе, штат Невада. Фото: Fizzotter wikipedia.org Современные сверхсверхскоростные камеры Современные камеры в сотни раз быстрее тех, что были в прошлом веке. Да что уж там, сейчас даже смартфоны умеют записывать замедленные видео. А специальные камеры и вовсе могут растянуть одну секунду до видео длиной в несколько лет. Например, камера, представленная в Массачусетском технологическом институте (MIT) в 2011 году, способна запечатлеть короткий световой импульс длиной в несколько пикосекунд. Камера Массачусетского технологического института фиксирует свет со скоростью триллион кадров в секунду. Скриншот: IDG TECHtalk, youtube.com

К слову, одна пикосекунда равна одной триллионной части секунды. Для большего понимания – пикосекунда равна одной секунде, так же как одна секунда равна приблизительно 31 689 годам.

Камера Массачусетского технологического института фиксирует свет со скоростью триллион кадров в секунду. Скриншот: IDG TECHtalk, youtube.com Камера, созданная в MIT, уже не самая быстрая из существующих, но нужна ли в действительности такая скорость? Сами ученые шутят, мол, уже можно снять что угодно во Вселенной и рассмотреть это во всех деталях. А для того, чтобы заснять относительно медленные процессы, например полет пули, достаточно самых простых скоростных камер с зеркальной системой. Если же нужно снять, например, капание воды, то и вовсе хватит навороченного смартфона. Камера Массачусетского технологического института показывает частицы света в движении с использованием повторяющихся выдержек, что позволяет создать «кинозапись» событий длиной всего в наносекунды. Фото: Di Wu and Andreas Velten, MIT Media Lab, nytimes.com

За почти 200 лет камеры прошли путь от экспозиции длиною в полчаса до возможности снимать явления, происходящие за триллионные доли секунд. И, скорее всего, потолка тут нет – чем дальше будет развиваться наука, тем больше будет скорость камер и тем более медленной в них будет реальность.