Richtig ausgeführt und Zeitlupe enthüllt eine außergewöhnliche Seite des Lebens, die normalerweise vom menschlichen Auge übersehen wird. Neben der Bereitstellung spannender Inhalte für dramatische Filme und kurze Clips dient Zeitlupe einem wichtigen Zweck, um Wissenschaftlern zu helfen, die Dinge zu verstehen, die sich wirklich, wirklich schnell bewegen.
Es gibt viele Möglichkeiten, Zeitlupenvideos aufzunehmen, und die meisten grundlegenden Einstellungen sind weit mehr als ausreichend, um ein Platzen eines Ballons oder eine Kugel aufzunehmen, die zerfällt, wenn sie auf eine Platte trifft.
Es gibt jedoch viele Phänomene, die viel zu schnell auftreten und sich wesentlich weiter bewegen, als die meisten Zeitlupenkameras erfassen können. Insbesondere das Filmen von Panzergranaten im Flug und nukleare Explosionen, die beide von militärischem Interesse sind, erfordern viele zusätzliche technische Schichten undclevere Kameratricks, um Momente unergründlich schneller als ein Wimpernschlag festzuhalten.
Noch heute können nur die besten Kameras - hauptsächlich für akademische und militärische Zwecke - die ersten Sekunden einer atomaren Explosion filmen oder die gesamte Reichweite einer Panzergranate im Flug ab dem Moment aufzeichnen, in dem sie den Lauf verlässtbis zu einem Punkt von ungefähr hundert Metern Tiefe.
Ultra-Zeitlupenkameras und -techniken
Das Erreichen solcher Videos in den 1950er Jahren scheint lächerlich unmöglich, aber aufgeregt von beispiellos massiven nuklearen Explosionen, die noch nie zuvor auf dem Planeten gesehen wurden, und mit der Chance, eine nie zuvor gesehene Seite der Wissenschaft zu erleben, entwickelten die Forscher schnell geniale Methoden, wiedie ersten Fälle einer nuklearen Explosion und Panzergranaten im Flug zu beobachten.
Durch ihre Methoden konnten Wissenschaftler Panzergranaten im Flug wie folgt aufzeichnen :
Wie Panzergranaten im Flug und nukleare Explosionen aufgezeichnet werden
Moderne Technologie bietet einige Methoden zur Erfassung von Lichtmomenten. Nach dem Zweiten Weltkrieg gab es jedoch keine derartigen Technologien. Wissenschaftler mussten völlig neue Geräte entwickeln, um Ultrahochgeschwindigkeitsereignisse wie Panzergranaten im Flug oder die ersten zu erfassenMikrosekunden einer Atomexplosion.
Es ist wichtig anzumerken, dass die Technologien zur Aufzeichnung von nuklearen Explosionen und Panzergranaten im Flug im Abstand von Jahrzehnten völlig getrennt voneinander entwickelt wurden. Überraschenderweise wurde die Rapatronikkamera, die zur Erfassung der ersten Mikrosekunden einer nuklearen Explosion entwickelt wurde, 40 Jahre zuvor entwickelt Projektilverfolgungssysteme PFS würde es Forschern ermöglichen, eine Panzergranate im Flug zu erfassen.
Filmen von Panzergranaten im Flug in Zeitlupe
Viele würden zu Unrecht davon ausgehen, dass Panzergranaten scharf und perfekt zentriert erfasst werden könnten, indem einfach eine Kamera synchron mit einem Panzer gedreht wird, der eine Granate abfeuert. Eine genauere Untersuchung des Problems zeigt jedoch ein Problem, mit dem die meisten Videografen allzu oft zu kämpfen haben: Bewegungverwischen.
Wenn eine Kamera ein Bild aufnimmt, wird ein Verschluss angehoben, um einen Sensor mit Licht zu belichten. Die Verschlusszeit, die zum Öffnen und Schließen des Verschlusses benötigt wird, wirkt sich auf die Lichtmenge aus, die den Sensor erreicht. Verschlusszeit erhöhenDurch die Geschwindigkeit oder die Verkürzung der Belichtungszeit des Sensors kann ein schärferes Bild aufgenommen werden, das jedoch die Helligkeit beeinträchtigt.
Durch Verringern der Verschlusszeit oder Erhöhen der Lichtmenge, die den Sensor erreicht, wird die Helligkeit verbessert. Wenn sich das Objekt jedoch während der Aufnahme eines Bildes nur wenige Millimeter bewegt, wird eine Bewegungsunschärfe eingeführt - ein unscharfes Artefakt, das die meisten Bilder ruiniert nichtverwechselt werden mit Buka, der schönen Unschärfe eines Hintergrunds eines Fotos.
Aufnahme eines scharfen Videos einer Panzerschale
Eine Tankhülle kommt aus einem Fass, das sich mit satten Bewegungen bewegt. 1,5 - 2 Kilometer pro Sekunde . Das Drehen einer Kamera schnell genug, um die Granate im Flug aufzunehmen, würde Vibrationen und Verwacklungen verursachen, die die Zusammensetzung der Aufnahme geringfügig verändern und sie mit Unschärfe ruinieren würden. Darüber hinaus würde die Beschleunigung eines so empfindlichen Maschinenstücks im Wert von Hunderten vonTausende von Dollar würden zweifellos die Sensoren bei jedem Gebrauch beschädigen.
Panzergranaten wurden bereits im Flug mit Standbildern aufgenommen - ein einzelnes Foto, das nur einen Moment in der Zeit aufzeichnet. Es hat sich jedoch als ausreichend erwiesen, genügend Bilder pro Sekunde aufzunehmen und eine Verschlusszeit beizubehalten, die schnell genug ist, um eine Muschel in jedem Bild einzufriereneine schwierige Aufgabe.
Gewöhnliche Handkameras können Bilder in ungefähr aufnehmen. 0,1 Millisekunden - schnell genug, um einen Wasserstrahl an Ort und Stelle einzufrieren oder eine Welligkeit zu erfassen, wenn diese nach einem Treffer über das Gesicht einer Person wandert. Wenn jedoch eine Panzergranate in diesem Zeitraum geflogen wäre, wäre sie fast gereist. 200 Millimeter genug, um die Schale um etwa zu verwischen 40% . Auch wenn eine Kamera, die ein Bild mit einer Verschlusszeit von 10 Mikrosekunden aufnimmt, für nützliche Recherchen immer noch nicht ausreicht, ganz zu schweigen von den Möglichkeiten der normalen Fotografie.
Aufzeichnen von Panzergranaten mit Projektilverfolgungssystemen
Die Antwort auf das Unschärfeproblem liegt in einer entdeckten Technik, die sich um Spiegel dreht. Ein neues Projektilfokussierungssystem. vom US Army Ballistic Research Laboratory gemeldet Im Dezember 1986 wurde ein Spiegelsystem verwendet, um ein Bild eines Projektils zu verfolgen und zu reflektieren und an eine stationäre Hochgeschwindigkeitskamera zu senden.
Es war ein System perfekter Synchronisation, das auf die Millisekunde genau abgestimmt war und in der Lage war, Panzergranaten im Flug zu erfassen, jedes Mal perfekt im Fokus und im Rahmen. Es war eine großartige Leistung, die auf Schichten gestapelter Technik beruhte, um eine endgültige, glatte Oberfläche zu erzielenVideo einer Panzergranate, die aus dem Ende eines Fasses fliegt.
Funktionsweise eines Projektilverfolgungssystems
Die Kamera, die entwickelt wurde, um die Panzerhülle im Flug aufzuzeichnen, war an und für sich kein übermäßiger Zuschauer. Vor der Kamera befand sich jedoch ein ausgeklügeltes Projektilfokussierungssystem, das aus einem servergetriebenen Motor bestand, der synchron mit dem gedreht werden konnteDie Geschwindigkeit eines Projektils reflektiert ein Bild, das bei Betrachtung durch den Spiegel für die Kamera stationär erscheint.
In der Praxis reflektiert der Spiegel ein Bild des Projektils über a 90-Grad-Drehung Erfassen der Granate im Flug für 100 - 200 Meter . Es ist eine beeindruckende Leistung und wäre völlig unmöglich, wenn es nicht auf die Millisekunde synchronisiert wäre.
Timing eines Projektilverfolgungssystems auf die Millisekunde genau
Um den Fokus und die Zentrierung des Projektils über eine Reichweite von 200 Metern zu erhalten, muss der Spiegel in einem Winkel bewegt werden, der der exakten Winkelrate des Projektils von der Kamera aus entspricht. Sie können jedoch auch ein glattes Bild von aufnehmenEin Hochgeschwindigkeitsprojektil wäre ohne ein zuverlässiges System zur Initiierung des Projektil-Trackers nutzlos.
Die Forscher, die die Technologie entwickelt haben, brauchten eine Möglichkeit, das System mit dem Projektil zu synchronisieren, damit der Spiegel es beim Verlassen des Laufs verfolgt, bis es außerhalb des gewünschten Bereichs liegtist unmöglich, da die Kugel den Lauf mit unvorhersehbaren Geschwindigkeiten verlässt.
„Der Zündimpuls für Panzerkanonenmunition tritt ungefähr 13 Millisekunden vor dem Austreten der Patrone aus der Mündung der Kanone auf. In dieser Zeit besteht jedoch eine Unsicherheit von bis zu mehreren Millisekunden. Diese Unsicherheit reicht nicht für die Initiierung ausdas PFS Projectile Focusing System. Wie bereits gezeigt, muss die Zeitsynchronisation gut bis 0,1 ms sein, um das Projektil im Sichtfeld der Kamera zu erfassen und dort über den gesamten Zeitraum des Ereignisses 0,1 Sekunden zu halten." das Berichte des US Army Ballistic Research Laboratory .
Anstatt sich auf den Auslöser zu verlassen, haben die Forscher in der Nähe des Laufbodens 'Hoop'-Dehnungspflaster angebracht. Wenn der Tank eine Runde abfeuert, wird ein Impuls erzeugt, der ungefähr auftritt. 4 Millisekunden bevor das Projektil das Ende des Laufs verlässt. Durch Anbringen von zwei Patches konnten die Forscher die Mündungsgeschwindigkeit bestimmen, die in das PFS eingegeben werden soll.
In 0,1 Sekunden der Tank feuert eine Granate ab, die ihn ungefähr sendet 167 Meter Reichweite nach unten. Die Spiegel verfolgen das Projektil in dieser Zeit mit weniger als 1% Fehlergrad ausreichend für metrische Fotografie. Dann ist alles vorbei.
Der Punkt der Aufzeichnung von Panzergranaten im Flug
Zum Nennwert erscheint das Neukodieren von Tankschalen mit solch hoher Präzision und Genauigkeit trivial. Die Forschung hat jedoch dazu beigetragen, die Kosten für Forschung und Entwicklung bei der Entwicklung von Tankschalen, insbesondere solchen mit Flossen, erheblich zu senken. Die Fähigkeit, jeden Moment zu beobachteneines Panzergehäuses auf seiner Reise enthüllt mögliche Probleme.
Anstatt an Hypothesen zu basteln und Checklistenverfahren durchzugehen, könnten Wissenschaftler stattdessen einfach das Video untersuchen, um das Problem zu entdecken, einen Fix zu implementieren und es am nächsten Tag betriebsbereit zu machen.
Außerdem sorgt es für unglaubliches Filmmaterial. Es ist jedoch nicht die einzige großartige Technologie des 20. Jahrhunderts, um makelloses Filmmaterial von Momenten aufzunehmen, die in weniger als einem Augenblick auftreten.