間違いだらけの高速度カメラ選び

撮影を簡単にするには、感度の高い高速度カメラがポイント!!

使いやすい高速度カメラは、どのようなものでしょうか?高速度カメラを使用した経験があるかたなら、ほとんどの人の高速度カメラの印象は、カメラが大きい、重い、眩しいくらいのライトが必要、撮影するまで準備に 40 分から 50分必要などではないでしょうか。現場使用で大切なことは、簡単な操作ですぐに撮影ができ、撮影した画像をすぐに確認できることではないでしょうか。できれば、確認のための PC も持ち込まず、ライトも当てることなくそのままの環境で撮影ができれば、高速度カメラの利用範囲がさらに広がります。高速度カメラ TS5は、カメラのみを現場に持っていくだけですべての撮影が可能です。

ほとんどの現象は、1000fpsから2000fpsで対応可能!!

テレビやビデオの撮影速度は、ご存知でしょうか。30fps つまり 1 秒間に 30 回の撮影が行われ、これらを連続して映すことで動画として見ています。高速度カメラの 1000fps は、通常ビデオの約33倍の高速撮影を行い、ゆっくり再生することで現象を解析することができます。後で説明させていただくサンプルで示すように、私たちの周りの現象は 1000fps か 2000fps で十分撮影することができます。食品などの製造ラインのトラブルを撮影するには、250fps から 1000fps で十分です。スポーツなどで使用されているスーパースローは、250fps の撮影速度です。例えば、毎分 100m の製造ラインを 1000fps で撮影するならば、ライン上の製品が 1.66mm 動くごとに写真が撮られることになります。また、直径1cmのドリルが 3000rpm で回転しているとき、ドリルの切削を 2000fps 撮影すると、ドリル円周が 0.79 ㎜回転 ごとに撮影が行われます。これならば発生するトラブルや切削現象を適確に撮影することができます。

拡大撮影では、注意が必要!!

前の説明で、発生するほとんどの現象が 1000fps から 2000fps で撮影可能と説明しましたが、拡大撮影を行う場合は注意が必要になります。拡大した場合、現象の相対速度が速くなり、より高い撮影速度及びシャッター速度が必要です。最も簡単に拡大撮影を行うには、レンズとカメラ本体の間に接写リングを付ける方法が一般的です。高速度カメラTS5オールインワンキットには、標準で接写リングセットが付属しています。例えば、3cmx2.2 ㎝の範囲を付属の 50 ㎜レンズを使用して 1280×1024ピクセルで撮影するならば、10mm 幅のリングを入れます。この時の撮影範囲は、右図の通りであり、レンズ先端からターゲットまでの距離は 15cm になります。

50 ㎜レンズ+10 ㎜接写リングの撮影範囲
(解像度 1280x1024px)

カラー高速度カメラが本当に必要?

使用されている高速度カメラの 90%は、モノクロカメラです。両方を比較するとモノクロカメラの方が、センサー感度が高い、実質解像度が高い、データ量がカラーの 1/3 になるなどのメリットがあります。テレビコマーシャルやスポーツ番組ではカラーが使用されていますが、製造ラインのトラブル解析や研究開発では、ほとんどがモノクロモデルになっています。カラーとモノクロセンサーの違いに関しては、高速度カメラの基礎知識の“カラー高速度カメラとモノクロ高速度カメラの違い”を参照してください。

高速度カメラの撮影範囲は、どのようにわかるの?

高速度カメラの撮影範囲を計算するのは、少し大変です。高速度カメラのセンサーは、解像度が撮影速度によって変わるからです。つまり、各解像度のときに撮影可能範囲が変化するということです。高速度カメラ TS5 の代表的な解像度における撮影範囲の算出式を次に示します。

(例) 50 ㎜レンズを使用して、1280×1024 ピクセルで 3m 先のターゲットを撮影する場合

横 : 6.4÷50mm×3m=0.384m
縦 : 5.12÷50mm×3m=0.307m

高速度カメラによる撮影例

⇒高速度カメラ 動画サンプルはこちら
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高速度カメラの基礎知識

最大解像度と最大撮影速度の関係

高速度カメラのカタログ等で、最大解像度の説明や最大撮影速度の説明があります。間違いやすい点は、このカメラでは最大解像度で最大撮影速度の撮影はできないということです。一般に高速度カメラでは、基準になる解像度とその時の撮影速度が決められています。高速度カメラ TS3 100-S のモデルでは、1280×1024 ピクセルで 500fps(フレーム/秒)です。最大解像度は、1280×1024 ピクセルになりますが、撮影は 500fps が最大です。それでは、もっと早い撮影速度を使用したいときは、どうなるのでしょうか。答えは、撮影可能な解像度が小さくなるということです。TS3 100-S を例にとると 512×512ピクセル/2000fps や 320×240 ピクセル/5600fps の撮影が可能であり、最大撮影速度は、20,000fps となっています。

カラー高速度カメラとモノクロ高速度カメラの違い

一般のデジタルカメラや携帯電話に付属しているカメラなどは、1 枚の CMOS 素子でカラーを再現するために、センサー上のピクセルにカラーフィルターを乗せています。しかし、カラーの三原色である R(レッド)・G(グリーン)・B(ブルー)の 3 種類のフィルターを一つのピクセルに乗せることができないため、次図に示すような配置になっています。

このため、Rフィルターの乗っているピクセルでは、G・Bのデータを取ることができず、周辺のピクセルからのデータによる予測値を使用しています。これにより、カラーモデルにおいては、実際の解像度がモノクロモデルに比べて 1/4 になってしまいます。このため、細かな格子を撮影するとモアレと呼ばれる縞模様がモノクロに比べ多く発生し、また画像の境界部分も鮮明でなくなります。センサー上にカラーフィルターを乗せている為に、センサーの感度はモノクロに比べて低くなり、より多くの撮影光源が必要になります。また、カラーデータになることで、保存するファイルの容量もモノクロの 3 倍に増えます。

撮影速度(レコードレート)とシャッター速度の関係

撮影速度とシャッター速度の関係も、高速度カメラを理解する上で理解しにくい点です。撮影速度とは、1 秒間に何枚の写真を撮影するかを決めるものです。例えば、1000fps では、1 秒間に 1000 枚の写真を撮影するということです。ここで、1 枚の写真に注目してみると、1 枚の写真のシャッターが開いている時間は、1/1000 秒になります(実際は、電子シャッターでも閉じる時間があるので1/1000秒よりも少し短くなります)。高速度カメラは、撮影の間隔とシャッターの開いている時間を別々にコントロールすることができます。1000fps では、1/1000 秒よりも遅くすることはできませんが、1/2000 秒、1/4000 秒と早くすることができます。シャッター速度を早くすることで、より多くのライトが必要になりますが、1 枚1 枚の画像は、ブレのないはっきりしたものになります。産業用の製造ラインでは、このシャッター速度を 1/2000 秒程度にするといいようです。ここでの注意点は、撮影ターゲットが小さく、レンズによる拡大撮影が必要なときは、撮影速度及びシャッター速度をより高速にしなければ、よい画像を得ることはできません。この場合は高速度カメラメーカーにご相談してください。

シャッター速度1/1000 と1/2000 の違い

撮影時間、トリガー入力、トリガーポジションとは

高速度カメラは、カメラ内部のメモリーに保存できる時間が撮影時間になります。内部メモリーが大きいほど願い撮影が可能になります。しかし、ほとんどの高速度カメラは、長くても 60 秒程度です。内部メモリーはループ状になっているので、常に最新の 60 秒の画像を撮影しています。では、どのようにしていつ起こるかわからない現象を撮影することができるのでしょうか。その答えが、トリガー入力とトリガーポジションです。撮影したい現象の発生と同時にトリガー信号をカメラに送ることで撮影を停止させます。もし、トリガーポジションが 50%に設定されていれば、トリガー信号の入力前の 30 秒と入力後の 30 秒がカメラに記録されます。これは、最近タクシーなどに設置されているドライブレコーダーと同じ原理です。

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