Обзор конфигураций расширенного динамического диапазона (HDR) для характеристики испытаний ракетных двигателей

Аннотация

В контексте высокоскоростной научной съемки конфигурация расширенного динамического диапазона (HDR) часто описывает оптическую схему, используемую для расширения динамического диапазона видео за счет двух или более синхронизированных камер с одинаковым (или схожим) полем зрения (FOV). Камеры обычно настраиваются на одинаковую частоту кадров, но с разной выдержкой: камера с меньшей выдержкой фиксирует яркие участки, а камера с большей выдержкой — затененные. Затем кадры, сопоставленные по времени, объединяются алгоритмически на этапе постобработки (через Python и ImageJ). Техника HDR оказалась очень полезной при съемке запусков ракетных двигателей, взрывов, ярких вспышек, ударов и других высокоинтенсивных световых событий, которые обычно приводят к пересвету или потере деталей в тенях при использовании только одной камеры.

Проблематика

Съемка очень ярких событий может быть сложной задачей из-за большого динамического диапазона сцены относительно ДД высокоскоростных CMOS-сенсоров, который обычно составляет 50-70 дБ. Чем выше ДД, тем больше вероятность того, что сенсор сможет запечатлеть и яркие участки, и тени на одном изображении. Однако даже с сенсорами с относительно высоким ДД часто невозможно получить четкие детали и в тенях, и на свету одновременно, поэтому используются дополнительные методы, такие как HDR. Хорошим примером являются испытания ракетных двигателей, где оператору приходится выбирать между детализацией пламени или самого двигателя (где важны вибрации, обломки и т.д.).

Конфигурации HDR

В данном материале HDR рассматривается исключительно как аппаратное решение (изменения перед записью) с последующим программным объединением кадров.
Существует три основные техники:

1. Добавление статического фона к динамическому видео.
2. Использование светоделителя (призмы или пластины) для проецирования изображения на две камеры с разной выдержкой.
3. Расположение камер рядом друг с другом на большом расстоянии от объекта.

Временная синхронизация. При использовании HDR критически важно, чтобы изображения были синхронизированы во времени и пространстве. Это достигается через «frame sync» (f-sync), где одна камера является ведущей (источником), а остальные — ведомыми.

Пространственное выравнивание

Цель — получить одинаковое поле зрения (FOV). При использовании светоделителя полезно использовать сетку для сопоставления пикселей. При расположении камер «бок о бок» рекомендуется ставить их как можно ближе друг к другу и как можно дальше от объекта испытаний (в примере — около 25 метров) для минимизации параллакса.

Результат

1. Динамический HDR: Два видео объединяются путем усреднения пикселей. Это позволило увидеть детали пламени и конструкцию двигателя/фон одновременно.
2. Статический HDR: Один хорошо экспонированный кадр фона (с выдержкой 120 мкс) объединяется с серией кадров динамического видео (1 мкс). Это полезно, если нужно видеть динамику пламени на четком фоне.

Заключение

Высокоскоростная HDR-съемка является мощным методом расширения динамического диапазона, позволяющим выявлять важные детали, которые иначе были бы скрыты шумом или потеряны из-за перенасыщения.