CC BY
108
' ï
ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ И . ПРИМЕНЕНИ
I
Виктор Николаевич Петров,
научный сотрудник Института физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова СО РАН (ИФТПС СО РАН)
Валерий Валерьевич Лепов,
доктор технических наук, заместитель директора по научной работе ИФТПС СО РАН, действительный член Академии наук РС(Я), профессор кафедры философии ЯНЦ СО РАН
Одной из основных проблем с момента изобретения и массового использования фотографии1 была невозможность получения качественного изображения быстро движущихся объектов. Снимки отличались нечёткостью и размытостью, поскольку происходило наложение объектов вследствие слишком длительной выдержки.
Толчком к развитию высокоскоростной фотографии послужил довольно курьёзный случай: в 1877 г. губернатор Лиленд Стенфорд (основатель Стэнфордского университета, Калифорния, США) поспорил с двумя оппонентами о том, что лошадь во время бега галопом отрывает все ноги от земли. Для разрешения спора, ставшего принципиальным, губернатор нанял известного фотографа Эдварда Мейбриджа, специализировавшегося на съёмке бегущих животных.
В. Н. Петров, В. В. Лепов
На ферме Стенфорда был построен специальный «фотодром», -участок бегового трека, с одной стороны которого была установлена длинная белая стена, а с другой -12 кабин с фотоаппаратами, затворы которых были соединены с протянутыми поперек дорожки для лошадей нитями [1]. Лошади чёрного окраса, хорошо видимые на белом фоне, бежали по «фотодрому», задевая натянутые поперёк трека нити. При этом затворы камер срабатывали поочередно, позволяя фиксировать отдельные фазы бега (рис. 1).
Эксперимент удался, Стенфорд выиграл спор, и это стало первым успешным опытом хронофотогра-фии - прототипом того, что спустя двадцать лет братья Люмьер назовут кинематографом. На полученных снимках видно, что во время скачки лошадь на доли секунды отрывает от земли все четыре ноги [2].
1 Фотография (фр. photographie от др.-греч. çûç (род. п. çwtôç) «свет» и Ypôçw «пишу»; светопись - техника рисования светом) - получение и сохранение изображения при помощи светочувствительного материала или светочувствительной матрицы в фотоаппарате (https://ru.wikipedia.org/wiki/Фотография). Также фотографией называют конечное изображение, полученное в результате фотографического процесса и, в более широком смысле, искусство получения фотоснимков. Первое закреплённое изображение было сделано в 1822 г. французом Жозефом Нисефором Ньепсом (Nicéphore Niepce), но оно не сохранилось до наших дней.
На фото вверху - уходящее в прошлое - момент перегорания лампы накаливания
Ж ж
ft
** 11 I It ! г 11 t*
Jhe j-f с
;Е in MO
DuMMIcd by <
В Н I DC Е.
iäm
Рис. 1. «Лошадь в движении».
В дальнейшем оригинальная идея Эдварда Мэйб-риджа нашла своё применение в спорте. Так, с помощью фотофиниша и сейчас определяют победителя забега. Также им был введен термин fps (англ., frames per second) - количество кадров, сменяемых за секунду (кадр/с) [3].
Следующий шаг в технологии регистрации быстро движущихся объектов был сделан австрийским учёным Эрнстом Махом (1838 - 1916 гг.). Как в большом числе случаев, двигателем прогресса оказалась война. Входе франко-прусской войны 1870-1871 гг. немецкие солдаты стали получать более тяжёлые, чем прежде, огнестрельные ранения. Немцы стали подозревать, что французы используют разрывные пули, а этот вид боеприпасов уже тогда был признан варварским и запрещённым.
Профессор Эрнст Мах с двумя своими коллегами, Петером Зальхером и Шандором Риглером из Военно-морской академии в Фиуме (теперь это хорватский город и порт Риека), взялись исследовать причину повышенной убойной силы французских ружей. Только к лету 1886 г. была построена установка, позволяющая фотографировать летящую в воздухе пулю. Съёмка производилась без затвора на фотопластинку, установленную в тёмной камере. При пролёте пули мимо объектива срабатывал датчик, и зажигалась электрическая искра, освещающая область пространства с пулей. Оказалось, что волна сжатого и нагретого воздуха, образующегося при сверхзвуковом полёте, имела другую оптическую плотность, или прозрачность, благодаря чему на снимках были чётко видны тёмные полосы, расходящиеся от головной части пули, а также вихрь воздуха за снарядом (рис. 2) [4].
Таким образом, Мах раскрыл причину повышенной убойной силы французских пуль: они летели со скоростью, превышающей скорость звука.
Оказалось, что любой предмет, летящий с такой скоростью, сопровождает ударная волна - фронт сжатого воздуха, расходящийся во все стороны в виде конуса. Такая волна делала входные отверстия необычной, конусообразной, формы, а ткани тела просто разрывала. Махом была установлена зависимость угла расхождения ударной волны и других её параметров от отношения скорости летящего объекта к скорости звука. Позже это соотношение было названо числом Маха.
Среди других учёных, пытавшихся создать аппараты для регистрации быстрых процессов, следует отметить Гарольда Эджер-тона (1903 - 1990 гг.), который, будучи ещё студентом, заметил, что объекты, освещённые коротко-импульсными вспышками света, кажутся замирающими в падении или движении [5]. Это наблюдение легло в основу его дальнейших открытий и изобретений, связанных с высокоскоростной фотосъёмкой.
В 1937 году Гарольд познакомился с фотографом Гьеном Мили, использующим в своих фотоопытах стробоскопическое оборудование, например электровспышки, срабатывающие до 120 раз в секунду. Впоследствии это привело к первому применению сверхкоротких
MORSES Gl
г the Palo Alto track, 19th June, 1878.
Фото Э. Мейбридж
Рис. 2. Историческая фотография 1887 г.: пуля, летящая со сверхзвуковой скоростью, и ударная волна
вспышек при фотосъёмке движущихся объектов. На рис. 3 показана самая известная из его фотографий - «Капля молока».
В 1947 году Эджертоном и его коллегами была основана компания «EG&G», сотрудничавшая впоследствии с комиссией по атомной энергии США (англ. Atomic Energy Commission). По заказу этой комиссии ими была создана камера «Rapatronic camera», которую использовали для фотографирования и видеосъёмки атомного взрыва при испытаниях в США (рис. 4) [6].
Развитие высокоскоростной фотографии привело к тому, что в 1948 г. американское Общество Инженеров Кино и Телевидения (англ. Society of Motion Picture and Television Engineers) определило высокоскоростную фотографию как снимки, полученные камерой, способной делать от 128 кадров в секунду и не менее трёх последовательных кадров. По сути, «Rapatronic» не относился к высокоскоростным камерам, поскольку для съёмки взрыва задействовалось от 4 до 12 аппаратов, каждый из которых фиксировал одно изображение с выдержкой 10 наносекунд. При этом фотопластинка оставалась неподвижной, а свет блокировался за счёт двух перпендикулярных поляризационных2 фильтров, между которыми располагался тонкий слой нитробензола, способного изменять свою поляризацию под действием электромагнитного поля [7]. Разряд конденсатора инициировал электромагнитный импульс, синхронизированный с началом атомного взрыва, и поляризованное изображение после первого светофильтра попадало на второй только через нитробензол.
Другой аппарат, 726-килограммовая камера Beckman & Whitley 192, уже позволяла снимать длительные видеосюжеты за счёт вращения регистрирующей аппаратуры вокруг трёхстороннего зеркала со скоростью до 6000 оборотов в секунду. Зеркала поочередно отражали свет на 82 закреплённые по краю фотокамеры, при этом выдержка составляла лишь миллионные доли секунды.
Похожим образом действовала и разработанная в 1950-х годах в СССР камера ФП-22, а затем, в 1970-х, и сверхскоростная фоторегистрирующая установка СФР-1 (рис. 5). В них вращалась система зеркал, а луч от объектива обегал круг по
Рис. 3. Стробоскопическая фотография «Капля молока» (Г. Эджертон, 1937 г.)
Рис. 4. Фотографии, сделанные высокоскоростной камерой EG&G <^ара&от'с», атомный взрыв спустя 1/1000000 секунды после детонации (50 - 60-е годы XX в.)
2 Поляризационный фильтр предназначен для получения полностью или частично поляризованного оптического излучения, или, иначе говоря, пропускает электромагнитную волну с векторами напряжённости, колеблющимися в определённом направлении. Свойствами поляризации обладают некоторые анизотропные кристаллы (например, исландский шпат) и поверхности веществ.
Рис. 5. Скоростной фоторегистратор СФР-1:
а - общий вид; б - внутреннее устройство камеры с системой вращающихся зеркал [10]
ленте киноплёнки, обеспечивая разрешение по времени до 10-8 с при скорости развертки изображения на плёнке 3000 м/с. Камера СФР-1 могла также работать как «лупа времени», давая ряд последовательных снимков со скоростью съёмки до 2 млн кадров в секунду [7].
В рамках исследования процессов хрупкого разрушения материалов, сотрудниками Института физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова СО РАН была разработана установка «МИУ-1», принцип действия которой основан на синхронизации импульсов магнитного нагружающего устройства со сверхскоростной камерой СФР-1 [8, 9]. Один из результатов работы установки - временная развёртка процесса развития магистральной трещины в оптически прозрачном образце из полиметилметакрилата (ПММА) - показана на рис. 6. Изображения получены в прямом3 поляризованном свете со скоростью съёмки 125 000 кадров в секунду.
Однако уже во второй половине XX в. аналоговые высокоскоростные камеры достигли предела своего развития, что было связано с ограничением механического привода вращающихся зеркал. Помимо этого, процесс проявки плёнки и печати полученных изображений был признан трудоёмким и низкоэффективным.
Высокоскоростная фотосъёмка получила новый виток развития с началом «цифровой» эпохи, что позволило отказаться от сложных манипуляций с фотоплёнкой, которую заменили матрицы цифровых устройств фоторегистрации. По применяемой технологии разделяют ПЗС (приборы с зарядовой связью), или CCD-мат-рицы, и КМОП (комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник), или CMOS-матрицы. Если в CCD-устройствах изображение формируется в отдельных фотоэлементах, но считывается целиком как аналоговый сигнал, который в дальнейшем усиливается и оцифровывается в аналогово-цифровом преобразователе (АЦП), то в CMOS-матрице каждая ячейка (пиксель) матрицы обладает конденсатором и усилителем, что позволяет формировать цифровое изображение с возможностью произвольного считывания [11]. Поэтому в современных высокоскоростных камерах используются CMOS-матрицы, которые можно считывать отдельными сегментами и производить тем самым большое количество кадров за единицу времени.
Рис. 6. Кадры развития магистральной трещины, бегущей со скоростью около 200 - 250 м/с
В силу решаемых задач высокоскоростные камеры делят на «научные», когда главной характеристикой является скорость съёмки, и «кинематографические», когда преимущество даётся высокому разрешению и глубине цветопередачи. Так, например, для съёмки рекламного ролика или фильма достаточно скорости записи 100 - 500 кадров/с (для реализации эффекта замедления времени, или так называемого «slow motion»), изредка повышаемой до 500 - 1000, когда нужно снять события, происходящие за десятые доли секунды. Кинематографическая высокоскоростная камера Vision Research Phantom FLEX 4K (рис. 7) снимает «supreslow motion» с разрешением 4096 х 2304 пикселей и скоростью съёмки 938 кадр/с продолжительностью около 5 с. За применённые в камере современные технологии, данная камера была награждена премией Академии кинематографических искусств и наук [12].
При научных исследованиях требуется фиксация промежутков, составляющих хотя бы сотые или тысячные доли секунды, поскольку учёных интересуют точные детали происходящих процессов. Высокоскоростные камеры для научных исследований могут быть достаточно большими, обеспечивающими максимальную
1 Прямым (в отличие от отражённого) в фотографии и микроскопии считается свет от источника, расположенного за объектом.
Рис. 8. Камера Vision Research
скорость видеосъёмки, и более компактными, для установки в труднодоступные места, чтобы зафиксировать исследуемый процесс [13] (рис. 8).
Основной проблемой высокоскоростной съёмки остаётся обеспечение достаточного освещения для регистрации изображения, поскольку используется неизбежно малое время выдержки. Даже при коэффициентах обтюрации4, близких к единице, этот параметр может составлять несколько наносекунд. Поэтому используются фотоматрицы с низким уровнем шумов, а для исключения мерцания от неоднородности светового потока при съёмке на высоких скоростях используют мощные светодиодные прожектора либо лазерные источники света.
Высокоскоростные цифровые камеры в научной деятельности применяются достаточно часто, и область их применения постоянно растёт. Можно указать основные задачи, решаемые с помощью высокоскоростной съёмки:
• поведение механизмов оружия, включая баллистику, разлёт осколков, столкновение с препятствиями и поражающие факторы;
• процессы, происходящие при различных технологических процессах, например при резке, сварке и наплавке металлических конструкций;
• изучение биомеханики живых организмов и разработка новых технологий на их основе;
• исследование систем впрыска топлива для определения оптимальных параметров работы двигателей;
• исследование и анализ формы при различных воздействиях, включая деформацию и разрушение материалов и объектов;
• исследование транспортных систем для анализа безопасности и эффективности систем управления.
Для решения задач, связанных с моделированием динамических процессов деформирования и разрушения, Институту физико-технических проблем Севера
Рис. 8. Высокоскоростные камеры Photron FASTCAM с разрешением от 1024x1024 до 128x128:
а - полноразмерная со скоростью съёмки от 20 тыс. до 2,1 млн кадров в секунду; б - компактная (12х12 см) со скоростью съёмки от 4 до 540 тыс. кадров в секунду
им. В. П. Ларионова СО РАН Фондом будущих поколений РС(Я) была выделена высокоскоростная цифровая камера Photron Fastcam SA4. Данная камера позволяет регистрировать быстро протекающие процессы с разрешением от 1024 х 1024 до 128 х 16 пикселей и скоростью съёмки соответственно от 2000 до 500 000 кадров в секунду. Продолжительность записи составляет до 5,58 с, или около 2,8 млн кадров, скорость затвора -до 1 микроксекунды. Камера сопряжена с компьютером посредством Gigabit Ethernet; поток данных непрерывен и может быть прерван программно или оператором вручную. Характеристик данной камеры достаточно для
отображения процессов длительностью 10"'
10":
4 Коэффициент обтюрации фирование).
отношение времени экспонирования ко времени смены кадров (высокоскоростное фотогра-
Рис. 9. Система высокоскоростной съёмки с ЭОП
например, возникновение двойников5 и рост полос скольжения6 при растяжении металлических образцов [14], образование и развитие трещины при статическом и динамическом разрушении полимерных и композиционных материалов [15], образование повреждений при изнашивании поверхностей, каплеобразование при сварке и наплавке [16].
Необходимо отметить, что в последние годы произошёл своеобразный ренессанс аналоговых систем высокоскоростной съёмки. Это и появление гибридных систем, когда к цифровым высокоскоростным камерам подсоединяют электронно-оптические преобразователи (ЭОП7, рис. 9), что позволяет производить съёмку в различных диапазонах, вплоть до «мягкого» рентгеновского излучения [17], и электронные системы с использованием фемтосекундных лазеров [18] (рис. 10). В последнем случае учёным Массачусетского технологического института (МТИ) Андреасу Вельтену и Рамешу Раскару удалось получить изображение фронта движения импульса лазерного луча продолжительностью единицы пикосекунд. На рисунке 10, б он виден как светлая дуга в нижней части снимка. Таким образом, скорость съёмки достигла более 2 триллионов кадров в секунду.
Японские учёные пошли ещё дальше, и им удалось достичь скорости 4,4 триллиона кадров в секунду [19]. Разработанная технология съёмки носит название STAMP (последовательная полностью синхронизированная оптическая съёмка, с англ. sequentially timed all-optical mapping photography). При данных скоростях регистрации удаётся визуализировать дискретные процессы переноса тепла и течение химических реакций, что позволяет высокоскоростной фотографии вплотную
Рис. 10. Фемтокамера МТИ:
а - общий вид; б - фотография воздействия светового потока на объект
приблизиться к «видению» основ квантовой физики. На рис. 11 показана схема реализации STAMP: световой поток разделяется на составляющие, которые разводятся согласно частотам по времени экспозиции и в пространстве с помощью системы зеркал. В конечном итоге получается до 6 кадров с разрешением 450х450 пикселей, полученных при скорости до 4,4 триллионов кадров в секунду.
Каковы перспективы развития технологии высокоскоростного фотографирования? Это понимание физики взаимодействия на высоких скоростях, ведь зачастую человек не замечает, что лежит в основе самых обычных явлений, и это порождает неразрешимые парадоксы. Например, и деформация, и разрушение материалов всегда происходят дискретно, но для их описания, в основном, используется механика сплошных сред.
5 Двойники - здесь структуры с симметричной ориентацией атомной решётки, образующиеся при пластической деформации по механизму послойного сдвига, в основном при низких температурах и высоких скоростях нагружения; обнаруживаются в виде симметричных линий, или ступенек, пересекающих полосы скольжения.
6 Полосы скольжения (Людерса) - структуры, реализующие механизм пластической деформации скольжения; обнаруживаются в виде тонких линий на шлифованных поверхностях образца как следы пересечения плоскости образца параллельными плоскостями сдвига.
7 ЭОП - электронно-оптическое устройство, состоящее из быстро действующего электронно-оптического преобразователя (наносекундного затвора) и системы линз для оптического сопряжения с матрицей высокоскоростной видеокамеры. Это позволяет существенно увеличить скорость съёмки за счёт некоторого ухудшения разрешения. Также за счёт системы оптических линз повышается светочувствительность.
Рис. 11. Технология сверхскоростной фоторегистрации STAMP
Поэтому разные результаты эксперимента, полученные при различных скоростях деформации и в различных масштабах материала, приходится интерпретировать с помощью совершенно различных моделей и алгоритмов, что вызвано непониманием сути явлений. Распространение света, тепла, процессы фотосинтеза, рост растений и старение организмов, по сути, - дискретные и сходные явления, происходящие в различных масштабах и с различными скоростями. Научные исследования позволяют строить универсальные модели таких явлений, создавать на их основе новые материалы и технологии.
Список литературы
1. Садуль, Ж. Всеобщая история кино / Ж. Са-дуль. - М. : Искусство, 1958. - Т. 1. - С. 68.
2. Поллак, Питер. Из истории фотографии / П. Поллак. - М.: Планета, 1983. - С. 71.
3. Голдовский, Е. М. Кинопроекция в вопросах и ответах / Е. М. Голдовский. - М. : Искусство, 1971. -С. 182.
4. John D. Anderson, Jr. Research in Supersonic Flight and the Breaking of the Sound Barrier -- Chapter 3. http://history.nasa.gov.
5. Edgerton's Life Timeline http://web.mit.edu/6.933/ www/Fall2000/ edgerton/www/intro.html.
6. EG&G the company: 1947 Onwards http://edgerton-digital-collections.org/docs-life/egg-the-company.
7. Остановись, мгновенье // Популярная механика. - 2016. - № 10, октябрь http://www.popmech.ru/ magazine/2016/168-issue/.
8. Шнирман, Г. Л. Скоростная фоторегистри-рующая установка СФР / Г. Л. Шнирман, А. С. Дубовик, П. В. Кевлишвили // Физика взрыва : сборник ВАН СССР. - 1955. - № 3. - С. 5-15.
9. Семёнов, Х. Н. Динамика развития хрупких трещин и высокоскоростное фотографирование: в 2 частях/Х. Н. Семёнов, В. П. Ларионов // Магнитно-импульсная установка для динамических испытаний материалов и высокоскоростное фотографирование быстрых трещин. - Якутск : ЯНЦ СО РАН, 1993. -Ч. 2. - С. 39-55.
10. Петров, В. Н. Высокоскоростная фотография и видеосъёмка процессов разрушения / В. Н. Петров, В. В. Лепов // Геомеханические и геотехнологические проблемы эффективного освоения месторождений твёрдых полезных ископаемых северных и северо-восточных регионов России : труды Третьей
Всероссийской научно-практической конференции, посвящённой памяти чл.-кор. РАН Новопашина М. Д. -Якутск, 2015. - С. 168-170.
11. Овчинников, А. М. Принцип работы и устройство активно-пиксельных датчиков / А. М. Овчинников, А. А. Ильин, М. Ю. Овчинников // Препринт ИПМ им. М. В. Келдыша РАН, 2003. - 085. - 25 с.
12. Vision Research Digital High - Speed Solutions https://www.phantomhighspeed. com/Products/Flex4K-Products/Flex4K.
13. Photron High-Speed Motion-Capture Camers https://photron.com/cameras/.
14. Механизм разрушения наноструктурированной стали при низких температурах / В. В. Лепов [и др.] // Российские нанотехнологии. - 2008. - Т. 3, № 11-12. -С. 149-157.
15. Петров, В. Н. Исследование механизмов хрупкого разрушения при статико-динамическом нагруже-
нии /В. Н. Петров, В. В. Лепов, Х. Н. Семёнов // Техника машиностроения. - 2005. - № 1. - С. 46-52.
16. Борисова, М. З. Анализ структуры износостойкого покрытия, полученного электродуговой металлизацией порошковой проволоки с тугоплавкими добавками / М. З. Борисова, Н. Ф. Стручков, Г. Г. Винокуров //Наука и образование. - 2016. - № 2 (82). -С. 76-80.
17. ВНИИ оптико-физических измерений http://www.vniiofi.ru/depart/r5.html.
18. Femto-Photography: Visualizing Photons in Motion at a Trillion Frames Per Second. http://web.media.mit. edu/~raskar/trillionfps/.
19. Sequentially timed all-optical mapping photography (STAMP). http://www.nature.com/nphoton/journal/v8/n9/ abs/nphoton.2014.163.html.
шът%этпс
Система ведения сельского хозяйства в Республике Саха (Якутия) на период 2016 - 2020 годы : метод. пособие / М-во сел. хоз-ва и продовольственной политики Респ. Саха (Якутия), ФГБНУ «Якут. науч.-исслед. ин-т сел. хоз-ва им. М. Г. Сафронова; [ред. кол.: Неустроев М. П. [и др.]. - Якутск, 2017. - 415 с.
Разработанная в целях реализации Закона Республики Саха (Якутия) «О развитии сельского хозяйства в Республике Саха (Якутия)», Государственной программы Республики Саха (Якутия) «Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2012 - 2020 годы», является основой для формирования в республике перспективных планов развития сельскохозяйственных организаций различных форм хозяйствования и собственности и предусматривает перевод сельскохозяйственного производства на инновационный путь с использованием достижений науки и передового опыта.
УЧ-ДЛЖГГВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ . -^а. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ - »шв^шШк ......."УТИЯ) ПО ДЕЛАМ АРКТИКИ
ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СЕВЕРНОГО ДОМАШНЕГО ОЛЕНЕВОДСТВА Н ЕЕ РОЛЬ В COHPAHEHUU ТРАДИЦИОННОГО ОБРАЗА ЖИЗНИ КОРЕННЫЙ ГЛШЧИСЛЕННЫК НАРОДОВ СЕВЕРА. СИБИРИ U ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Проблемы и перспективы развития северного домашнего оленеводства и его роль в сохранении традиционного образа жизни коренных малочисленных народов Севера, Сибири и Дальнего Востока Российской Федерации : материалы Всероссийской научно-практической конференции в рамках материалов IV съезда оленеводов Российской Федерации (17 марта 2017 г.) / Якут. науч.-исслед. ин-т сел. хоз-ва им. М. Г. Сафронова, ФГБОУ ВО «Якут. ГСХА»; ред. кол.: Федоров В. И., Никонова Т. А. Федорова М. П., Винокуров Н. В. - Якутск, 2017. - 280 с.
В сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции в рамках IV съезда оленеводов Российской Федерации «Проблемы и перспективы развития северного домашнего оленеводства и его роль в сохранении традиционного образа жизни коренных малочисленных народов Севера, Сибири и Дальнего Востока Российской Федерации» включены тезисы докладов, представленные на рассмотрение секций.
Материалы научно-практической конференции предназначены для специалистов в области оленеводства и традиционных отраслей, научных работников, аспирантов, магистрантов и студентов.
