本科生科研指南（71）：高速摄像机促进科学发现

张宇宁、张湘晴

华北电力大学能源动力与机械工程学院

我们真正想要的是能够发挥作用的东西，结果技术应运而生。

----道格拉斯·亚当斯（Douglas Adams，1952－2001）

在科学研究的过程中，高速摄像机的运用帮助科学家们看见并研究了许多之前无法了解的现象和细节，比如子弹在空气中的运动轨迹，材料受到冲击瞬间的动态变形等，从而得到了许多新的发现和结论。

图一 高速摄像机拍摄的子弹击碎灯泡图片

为了方便理解，首先介绍一下高速摄像机中“帧”和“帧速率”这两个重要概念。很多的玩具把一段连续的场景或人物动作分解在不同的图片上，然后通过机械装置在人眼前以一定的频率播放这些图片。由于运动错觉的产生，人眼会感觉画幅是连续动态的，画幅中的场景和人物好像在自由流畅地变化，也就成了我们平时看到的动画。除了动画片，宋朝时期出现的玩具“走马灯”、19世纪出现的费纳奇镜和电影也是依据此原理制成的。在上述动画片中，每个单独的画幅被称为“帧”，而每秒钟移动的画幅数量被称为“帧速率”。帧速率的单位为“帧每秒”，可写为FPS。一般而言，帧速率达到8 FPS以上就可以产生平滑连续的运动效果。目前，电视的帧速率一般在25 FPS左右，电影一般为24~120 FPS。部分高端高速摄像机帧速率可达万亿量级。

图二 费纳奇镜

高速摄像机广泛应用在各个领域，后续仅以其在三个领域中的应用为例进行阐述。高速摄像机可在体育运动领域开展运动细节的详细分析，从而提高成绩。在体育运动中，尤其是高尔夫球、跑步、体操等速度较快的运动，为了更好地提高运动员的成绩并避免运动过程中可能出现的肌肉关节损伤，高速摄像机已被广泛引入。具体而言，首先通过高速摄像机捕捉运动员的运动画面，比如跑步运动中抬腿的高度和摆臂的角度。然后教练对这些画面进行慢放，观察分析之前无法发现的运动状态和动作细节。基于这些画面，可以在必要时借助计算机建立运动模型，精准分析人体运动时的速度、加速度、肌肉状态、姿势等各项参数，从而有效地对体育训练进行指导。相较于传统依靠经验的训练指导模式，高速摄像机可以捕捉到许多光凭肉眼或普通相机难以捕捉的快速又细微的动作，有利于后续精确判断这些细节对运动的影响。基于高速摄像机所获得的数据，一方面，可以有针对性地纠正训练动作，制定更为科学的训练方案，提高训练效率。另一方面，可以深入研究各类运动的特点，找到提升方向，促进运动项目整体的发展。

图三 高速摄像机拍摄的冰球运动图片

图四 网球运动分析示意图

高速摄像机也可用于工业领域进行车辆碰撞试验。自从19世纪汽车出现以来，行车安全一直是人们重点关注的话题。车辆碰撞试验对于提升车辆安全性能和规避行车事故具有重要意义。当汽车因故突然刹车时，人体会由于惯性猛烈前倾，这是在行车事故中造成人员伤亡的重要原因之一。基于此，汽车都配备有了安全带和安全气囊。随着技术的进步，科研工作者们在车辆碰撞试验中引入高速摄像机来完整记录车辆碰撞全过程，以弥补人眼和普通相机的不足，使得能够清晰地看到每一个动态变化的微观细节，比如汽车动态变形过程，车辆对人体的冲击力度和角度，碰撞发生时玻璃飞溅方向，安全气囊的点爆过程等。高速摄影数据可帮助企业优化车辆主体结构，有针对性地开发行车安全装置，制定安全规则和警示等，从而减少车祸的发生和降低伤亡损失。

图五 车辆碰撞试验示意图

除此之外，高速摄像机还可用于探索自然现象的原理，比如蜜蜂飞行的“秘密”。在飞行时，蜜蜂翅膀高频振动，人眼或普通相机难以捕捉蜜蜂翅膀单次振动的画面。所以，蜜蜂如何用“娇小”的翅膀带动身躯灵巧飞行的微观原理也就难以探究。早期，部分科学家猜测，蜜蜂飞行原理与飞机类似。他们认为，蜜蜂翅膀上下摆动，并形成一定的倾斜角度。当气流流经翅膀上下表面时，上表面流速大于表面，使得上表面压力小于下表面，从而形成向上的升力。但是在依据此猜测进行相关计算时，根据蜜蜂的翅膀参数条件，科学家们发现此种飞行方式带来的升力并不足以平衡蜜蜂本身的自重。后续，科学家们引入高速摄像机对飞行中的蜜蜂进行画面捕捉，然后将捕捉到的画面逐帧慢放，对蜜蜂翅膀摆动角度、幅度等参数进行分析，以实现对蜜蜂飞行原理的研究。经过一系列的实验拍摄和观察研究，蜜蜂飞行的“秘密”终于被揭开神秘的面纱。科学家们惊讶地发现，在飞行过程中，蜜蜂的翅膀并不是简单地上下振动，而是“8”字形轨迹。而且，高频振动使得在蜜蜂翅膀的不同部位出现了不同方向的涡流，这些涡流产生了向上的升力和向其他方向的推力，从而帮助蜜蜂自如快速地飞行。蜜蜂翅膀涡流的发现为微型飞行器的设计与发明提供了理论基础。

图六 高速摄像机拍摄的蜜蜂飞行图片

高速摄像机的出现带给了人们更多新的科学认识。值得一提的是，高速摄像机的很多潜在应用非常值得本科生们进一步进行探索。对于高速摄像相关研究，本科生并不需要很多的专业知识便可以上手操作，这对于调动低年级本科生的科研积极性颇有好处。通常而言，对于流体流动现象等复杂现象的研究，本科生需要先学习微积分、大学物理等基本的数理知识，然后再学习流体力学等高年级课程以及部分专业课程。因此，很多本科生对于科研经常持一种观望态度，错误地以为只有到了大四已修习足够的课程方能开展，从而错过了很多很好的科研训练机会。因此，对于科研积极性很高但感觉所掌握的理论知识有限的同学，不妨可以从高速摄影中体会一下科研的乐趣。