Una cámara de alta velocidad es un dispositivo capaz de capturar imágenes en movimiento con exposiciones de menos de 1/1 000 segundo o velocidades de cuadro superiores a 250 cuadros por segundo . [1] Se utiliza para grabar objetos en rápido movimiento como imágenes fotográficas en un medio de almacenamiento. Después de la grabación, las imágenes almacenadas en el medio se pueden reproducir en cámara lenta . Las primeras cámaras de alta velocidad usaban película fotográfica para grabar los eventos de alta velocidad, pero han sido reemplazadas por dispositivos completamente electrónicos que usan un sensor de imagen (por ejemplo, un dispositivo acoplado a carga (CCD) o un sensor de píxeles activos MOS (APS)), que generalmente graba más de 1000 cuadros por segundo en DRAM , para reproducirlos lentamente para estudiar el movimiento para el estudio científico de fenómenos transitorios. [2]
Una cámara de alta velocidad se puede clasificar como:
Una película de cine normal se reproduce a 24 fotogramas por segundo , mientras que la televisión utiliza 25 fotogramas/s ( PAL ) o 29,97 fotogramas/s ( NTSC ). Las cámaras de película de alta velocidad pueden filmar hasta un cuarto de millón de fps haciendo pasar la película sobre un prisma o espejo giratorio en lugar de utilizar un obturador , lo que reduce la necesidad de detener y reiniciar la película detrás de un obturador que rompería la película a tales velocidades. Usando esta técnica, un segundo de acción se puede extender a más de diez minutos de tiempo de reproducción (cámara superlenta). Las cámaras de video de alta velocidad se usan ampliamente para investigación científica, [4] [5] pruebas y evaluación militares, [6] e industria. [7] Ejemplos de aplicaciones industriales son filmar una línea de fabricación para afinar mejor la máquina, o en la industria automotriz filmar una prueba de choque para investigar el efecto en los pasajeros del maniquí de choque y el automóvil . Hoy, la cámara digital de alta velocidad ha reemplazado a la cámara de película utilizada para pruebas de impacto de vehículos. [8]
Las series de televisión como MythBusters y Time Warp suelen utilizar cámaras de alta velocidad para mostrar sus pruebas en cámara lenta. Guardar las imágenes grabadas a alta velocidad puede llevar mucho tiempo porque, a partir de 2017 [actualizar], las cámaras de consumo tienen resoluciones de hasta cuatro megapíxeles con velocidades de cuadro de más de 1000 por segundo que grabarán a una velocidad de 11 gigabytes por segundo. Tecnológicamente, estas cámaras son muy avanzadas, pero guardar imágenes requiere el uso de interfaces de video-computadora estándar más lentas. [9] Si bien la grabación es muy rápida, guardar imágenes es considerablemente más lento. Para reducir el espacio de almacenamiento necesario y el tiempo que las personas necesitan para examinar una grabación, solo se pueden seleccionar para filmar las partes de una acción que sean de interés o relevancia. Al grabar un proceso cíclico para el análisis de averías industriales, solo se filma la parte relevante de cada ciclo.
Un problema para las cámaras de alta velocidad es la exposición necesaria para la película; se necesita una luz muy brillante para poder filmar a 40.000 fps , lo que a veces provoca que el sujeto del examen se destruya debido al calor de la iluminación. A veces se utiliza la filmación monocromática (en blanco y negro) para reducir la intensidad de la luz necesaria. Es posible obtener imágenes a mayor velocidad utilizando sistemas de imágenes con dispositivo de carga acoplada (CCD) electrónicos especializados, que pueden alcanzar velocidades de más de 25 millones de fps . Sin embargo, estas cámaras todavía utilizan espejos giratorios, como sus contrapartes de película más antiguas. Las cámaras de estado sólido pueden alcanzar velocidades de hasta 10 millones de fps . [10] [11] Todo el desarrollo en cámaras de alta velocidad se centra ahora en las cámaras de vídeo digitales que tienen muchos beneficios operativos y de costo sobre las cámaras de película.
En 2010, los investigadores construyeron una cámara que expone cada fotograma durante dos billonésimas de segundo ( picosegundos ), para una velocidad de fotogramas efectiva de medio billón de fps ( femtofotografía ). [12] [13] Las cámaras modernas de alta velocidad funcionan convirtiendo la luz incidente ( fotones ) en una corriente de electrones que luego se desvían hacia un fotoánodo , de nuevo en fotones, que luego se pueden registrar en una película o en un CCD.
Las cámaras de alta velocidad se utilizan con frecuencia en la ciencia para caracterizar eventos que ocurren demasiado rápido para las velocidades de película tradicionales. La biomecánica emplea estas cámaras para capturar movimientos de animales a alta velocidad, como los saltos de ranas e insectos, [15] la alimentación por succión de los peces, los ataques de los camarones mantis y el estudio aerodinámico de los movimientos de las palomas similares a los de un helicóptero [16] utilizando el análisis de movimiento de las secuencias resultantes de una o más cámaras para caracterizar el movimiento en 2-D o 3-D.
El paso de la tecnología cinematográfica a la digital ha reducido en gran medida la dificultad de uso de estas tecnologías con comportamientos impredecibles, específicamente mediante el uso de grabación continua y activación posterior. Con cámaras de película de alta velocidad, un investigador debe iniciar la película y luego intentar incitar al animal a realizar el comportamiento en el corto tiempo antes de que se acabe la película, lo que da como resultado muchas secuencias inútiles en las que el animal se comporta demasiado tarde o no se comporta en absoluto. En las cámaras digitales de alta velocidad modernas, [17] la cámara puede simplemente grabar de forma continua mientras el investigador intenta provocar el comportamiento, después de lo cual un botón de activación detendrá la grabación y permitirá al investigador guardar un intervalo de tiempo determinado antes y después de la activación (determinado por la velocidad de fotogramas, el tamaño de la imagen y la capacidad de memoria durante la grabación continua). La mayoría del software permite guardar un subconjunto de fotogramas grabados, lo que minimiza los problemas de tamaño de archivo al eliminar fotogramas inútiles antes o después de la secuencia de interés. Dicha activación también se puede utilizar para sincronizar la grabación en varias cámaras.
Se ha estudiado la explosión de metales alcalinos al entrar en contacto con el agua utilizando una cámara de alta velocidad. El análisis cuadro por cuadro de una aleación de sodio/potasio que explota en el agua, combinado con simulaciones de dinámica molecular, sugirió que la expansión inicial puede ser el resultado de una explosión de Coulomb y no de la combustión de gas hidrógeno como se pensaba anteriormente. [18]
Las imágenes de cámaras digitales de alta velocidad han contribuido en gran medida a la comprensión de los rayos cuando se combinan con instrumentos de medición de campos eléctricos y sensores que pueden mapear la propagación de los rayos a través de la detección de ondas de radio generadas por este proceso. [19]
Al pasar del mantenimiento reactivo al mantenimiento predictivo , es fundamental comprender realmente las averías. Una de las técnicas de análisis básicas es utilizar cámaras de alta velocidad para caracterizar los eventos que suceden demasiado rápido para verlos, por ejemplo, durante la producción. De manera similar al uso en ciencia, con una capacidad de activación previa o posterior, la cámara puede simplemente grabar de forma continua mientras el mecánico espera a que se produzca la avería, tras lo cual una señal de activación (interna o externa) detendrá la grabación y permitirá al investigador guardar un intervalo de tiempo determinado antes de la activación (determinado por la velocidad de fotogramas, el tamaño de la imagen y la capacidad de memoria durante la grabación continua). Algunos programas permiten ver los problemas en tiempo real, mostrando solo un subconjunto de fotogramas grabados, minimizando el tamaño del archivo y los problemas de tiempo de visualización eliminando los fotogramas inútiles antes o después de la secuencia de interés.
Las cámaras de vídeo de alta velocidad se utilizan para complementar otras tecnologías industriales, como la radiografía de rayos X. Cuando se utilizan con la pantalla de fósforo adecuada que convierte los rayos X en luz visible, las cámaras de alta velocidad se pueden utilizar para capturar videos de rayos X de alta velocidad de eventos dentro de dispositivos mecánicos y muestras biológicas. La velocidad de obtención de imágenes está limitada principalmente por la tasa de decaimiento de la pantalla de fósforo y la ganancia de intensidad, que tiene una relación directa con la exposición de la cámara. Las fuentes de rayos X pulsados limitan la velocidad de cuadros y deben estar correctamente sincronizadas con las capturas de cuadros de la cámara. [20]
En 1950, Morton Sultanoff, un físico del ejército de los EE. UU. en el campo de pruebas de Aberdeen, inventó una cámara de altísima velocidad que tomaba imágenes a una millonésima de segundo y era lo suficientemente rápida como para registrar la onda expansiva de una pequeña explosión. [21] Las cámaras digitales de alta velocidad se han utilizado para estudiar cómo las minas lanzadas desde el aire se desplegarán en regiones cercanas a la costa, [22] incluido el desarrollo de varios sistemas de armas. En 2005, las cámaras digitales de alta velocidad con una resolución de 4 megapíxeles, que graban a 1500 fps , estaban reemplazando a las cámaras de película de alta velocidad de 35 mm y 70 mm utilizadas en monturas de seguimiento en campos de prueba que capturan intercepciones balísticas. [23]
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