Andrzej PająkPrzetestowałem smartfona Sony z bardzo fajną funkcją nagrywania wideo w trybie super slow motion. To mnie zainspirowało do tego, żeby napisać Wam m.in. o kamerze, która w zwolnionym tempie pokazuje, jak pojedynczy impuls światła przemieszcza się przez butelkę po coca-coli. I o zapisywaniu obrazu z prędkością… 5 bilionów klatek na sekundę.
Sony przekazało mi do testów smartfon Xperia XZ Premium. Ucieszyłem się, bo to właśnie jeden z tych modeli z serii XZ/XZ1, który potrafi nagrywać filmy z najwyższą wśród komórek szybkością 960 klatek na sekundę. Już sama ta funkcja wystarczyła do tego, by mnie sprowokować do eksperymentów z zarejestrowaniem tego, co niewidzialne gołym okiem (dla niecierpliwych: skoczcie na koniec tekstu). Przy okazji poszperałem trochę i dowiedziałem się nieco więcej o samej technice super slow motion. Okazało się, że to temat naprawdę fascynujący i sięgający aż XIX wieku!
Henri Cartier-Bresson, jeden z najwybitniejszych fotoreporterów na świecie, powiedział, że dobry fotograf ma zamknąć widzianą okiem aparatu rzeczywistość w czasie 1/250 sekundy. Patrząc na jego niesamowite zdjęcia, trudno się z nim nie zgodzić, że wystarczy tylko tyle czasu, ile trwa mrugnięcie oka (nie mylcie go z mgnieniem oka*), by uchwycić ulotne chwile z życia ulicy. Ale co zrobić, żeby zarejestrować samo mrugnięcie, które według badań University College London trwa 100-150 ms (albo 100-400 ms jeśli przyjąć dane podawane przez Harvard Database of Useful Biological Numbers)? Potrzeba do tego superszybkiego aparatu, a jeszcze lepiej kamery, które to zarejestrują.
Narodziny slow-mo
Człowiekiem, który po raz pierwszy zatrzymał czas, był Eadweard Muybridge. Fotograf w 1878 roku zrealizował zlecenie byłego gubernatora Kalifornii, właściciela koni wyścigowych, Lelanda Stanforda. Zlecenie miało sprowadzać się do udowodnienia tego, co Stanford przeczuwał, ale nie mógł samodzielnie wykazać: otóż, że wszystkie nogi konia w galopie są w pewnej fazie tego ruchu oderwane od ziemi.
Sekwencja obrazów The Horse in Motion udowodniła, że koń przez krótką chwilę odrywa się od ziemi. (zdjęcie: Eadweard Muybridge)
Po sześciu latach prób Muybridge’owi w końcu udało się odpowiednio zmodyfikować migawki aparatów i emulsję światłoczułą, którą pokrywał płytki szklane służące do rejestrowania zdjęcia. Czas został zatrzymany przez 12 ustawionych jeden za drugim aparatów, stojących tuż przed wysypanym wapnem torem jeździeckim, za którym ustawiono podnoszącą kontrast białą scenerię. Eksperyment zaczął się, kiedy jeden z czempionów wyruszył na tor, ciągnąc dwukołowy wózek z prędkością ok. 58 km/h. Ten ostatni był potrzebny, żeby swoim kołem docisnął rozciągnięte nad ziemią 12 drutów i tym samym jeden po drugim wyzwalał migawki aparatów. 20 minut później (bo tyle zajęło wywołanie płytek) wszystko było już jasne. Ułożone jedno za drugim zdjęcia pokazały to, co było do udowodnienia.
By dostrzec, jak wielkie było to wydarzenie, trzeba sobie uzmysłowić, że w owym czasie naświetlenie szklanej płyty pokrytej emulsją światłoczułą potrafiło trwać nawet minutę. Muybridge’owi udało się zrobić 12 zdjęć w ciągu pół sekundy! Nie można oczywiście tego rozwiązania nazwać „high speed camera”, ale obu urządzeniom wtedy i dziś przyświecał ten sam cel. Muybridge sekwencją obrazów nazwaną The Horse in Motion, nie tylko udowodnił tezę Stanforda, ale dokonał kilku innych istotnych rzeczy. Pokazał, że dotychczasowe ilustracje i obrazy, ukazujące konia w galopie, były niepoprawne. Wykorzystał zdjęcia będące studium ruchu konia do narysowania 24 „klatek” w swoim zoopraksiskopie, który filmoznawcy uznają za pierwszy projektor kinowy, wyświetlający pierwszy niemy film.
Zanim pójdziemy dalej, zwolnijcie i przeczytajcie jeszcze to zdanie. Eksperyment Muybridge’a odbywał się na Palo Alto Stock Farm. Owa stadnina znajdowała się tam, gdzie dziś stoi kampus pewnej znanej uczelni. Mowa o Stanford University. Zbieżność nazwisk, jak się domyślacie, nie jest przypadkowa.
Mach, Kodak i projekt, o którym lepiej by było zapomnieć
Jak to w nauce często bywa, później wszystko potoczyło się tak szybko, jak miała przewijać się klisza w szybkich kamerach. Już w 1887 roku austro-węgierski (chorwacki) uczony Peter Salcher dokonał rejestracji czegoś, o czym można powiedzieć, że było naprawdę szybkie. Po raz kolejny specjalista od fotografii (ale też i fizyk) na prośbę Ernsta Macha miał udowodnić jego teorię o powstawaniu akustycznej fali uderzeniowej, kiedy jakiś obiekt porusza się z prędkością naddźwiękową.
Fale uderzeniowe nie dość, że trwają chwilę, to również nie są zwykle widoczne gołym okiem. Dlatego Salcher wraz z Machem (naukowcy konsultowali się listownie) opracowali specjalny układ optyczny zwany cieniografem, dzięki któremu mogli sfotografować falę uderzeniową, powstającą wokół lecącego z prędkością ponaddźwiękową pocisku. Tym razem zatrzymanie trwającej zaledwie 1/800 000 sekundy chwili na mierzącym zaledwie 5 mm negatywie dało początek aerodynamice ponaddźwiękowej.
Na zdjęciu z 1887 roku widać charakterystyczny stożek Macha, jaki utworzyła fala uderzeniowa wokół pocisku. (zdjęcie: Peter Salcher)
Na początku lat 30. XX wieku Estman Kodak wynalazł pierwszą kamerę, która taśmie filmowej o szerokości 16 mm zapisywała obrazy z prędkością, z jaką dziś możemy eksperymentować w telefonach Sony – prawie, bo aparat Kodaka zapisywał 1000 kl./s, a nie 960 kl./s, jak to robi Xperia.
Kamera była używana przez laboratoria Bella do podglądania tego, jak odskakują od siebie styki przekaźników podczas ich załączania. Szybko okazało się, że jej prędkość jest zbyt mała, a Kodak odmówił opracowania szybszej wersji kamery. W związku z tym Bell Labs opracowały ją same. Tak powstał Fastax, który nagrywał z prędkością 5 000 kl./s.
Minęło kolejne kilka lat i w 1940 roku Cearcy D. Miller opatentował kamerę z obrotowym lustrem. W teorii mogła zapisywać klatki z prędkością sięgającą nawet 1 000 000 kl./s. Tak niewiarygodna szybkość rejestracji wymagała z jednej strony bardzo dużej ilości światła. Z drugiej była w stanie uchwycić zjawiska dziejące się w czasie mniejszym niż 1 milisekunda. Te cechy zostały zaprzęgnięte przez panów Brixnera i Macka do pracy przy smutnym dla ludzkości projekcie, jakim był amerykański Program Manhattan (tu znajdziecie odtajnione zdjęcia).
Niestety, czy nam się to podoba, czy nie, narodziny współczesnych superszybkich kamer zawdzięczamy pracom nad bronią atomową. Ich ojcem jest Harold ‘Doc’ Edgerton, który stworzył aparat Raptronic z migawką otwierającą się zaledwie na 0,000 000 010 sekundy (10 ns).
Taki był właśnie początek prób uchwycenia tego, co umyka nieuzbrojonemu ludzkiemu oku. Jeśli macie ochotę przeczytać o olimpijskim złocie i zamrażaniu czasu, to kliknijcie w śródtytuł za krzyżykiem.
Dziś superszybka fotografia wykorzystywana jest do uchwycenia niesamowicie szybkich procesów zachodzących w chemii, fizyce, biomedycynie, które do tej pory nie zostały uchwycone na filmie. Wykorzystywane są również w bardziej przyziemnych dziedzinach życia, takich jak testy zderzeniowe, analiza ruchu czy sport.
Pewnie wiecie, że na igrzyskach olimpijskich często jedna setna sekundy może zdecydować o zdobyciu złotego medalu. Dlatego podczas imprez sportowych tak istotny jest precyzyjny pomiar czasu, który i tak okazuje się zawodny, gdy kilku zawodników finiszuje w tym samym czasie. Oczywiście któryś z zawodników jest najlepszy, ale o tym może zadecydować dopiero tzw. fotofinisz.
Chyba najbardziej spektakularnym przypadkiem wykorzystania tej techniki była bitwa o złoty medal na 100 m w stylu motylkowym, jaka w 2008 roku rozegrała się podczas igrzysk w Beijing pomiędzy Michaelem Phelpsem a Miloradem Cavicem. Amerykanin wygrał z Serbem dosłownie o „jedno zdjęcie”, czyli 0,01 sekundy. Ale taka precyzja to już przeszłość, bo wtedy umieszczone w basenie kamery rejestrowały obraz z szybkością 100 klatek na sekundę. Podczas igrzysk w Rio zajmująca się od 1964 roku pomiarem czasu Omega była w stanie rejestrować przekraczanie linii mety kamerami robiącymi 10 000 zdjęć na sekundę.
Bilion klatek na sekundę, czyli jak udaje się zatrzymać światło
Zastanawiacie się, gdzie leży granica działania ultraszybkich kamer? Myślę, że tego nie wiedzą jeszcze nawet sami badacze. W 2011 roku naukowcy, dr Andreas Velten i prof. Ramesh Raskar z Massachusetts Institute of Technology (MIT) zbudowali kamerę, która jest w stanie rejestrować obraz z szybkością 1 biliona klatek na sekundę (1/1 000 000 000 000).
Z kamerami, jakie znamy, łączy ją już właściwie tylko obiektyw. Źródłem światła oświetlającego fotografowane sceny są impulsy lasera tytanowo-szafirowego, a matryca 500 sensorów rejestruje obraz (tzw. kamera smugowa). Pojedyncza klatka naświetlana jest w niej ciągu 1,71 pikosekundy. Ten „szmat czasu” można przełożyć na dystans, w jakim światło (foton) przebędzie drogę 0,6 mm.
Ta zawrotna szybkość pozwoliła naukowcom pokazać w zwolnionym tempie, jak pojedynczy impuls światła przemieszcza się przez butelkę po coca-coli. Nagrane wideo ma 480 klatek i pokazuje proces, który trwa w rzeczywistości tylko 1 nanosekundę. Paradoksalnie ta metoda filmowania jest bardzo czasochłonna, bo zapisuje obraz tylko w jednym wymiarze i by oglądać obraz 2D, trzeba go nagrać linia po linii, tak jakby to działo się w skanerze (zobaczcie film). W efekcie coś, co trwa mniej niż 1 ns, rejestrowane jest przez około godzinę, by tę samą scenę wielokrotnie sfilmować i za pomocą bardzo skomplikowanych algorytmów złożyć później w całość. Dlatego naukowcy mówią o tej kamerze „the world’s slowest fastest camera.”
A tutaj możecie zobaczyć coś, do czego można wykorzystać opisaną wyżej kamerę. Co powiecie na podpatrywanie tego, co wydawałoby się, że jest schowane? A w przyszłości na wykonanie np. badania takiego jak USG, ale z wykorzystaniem światła (o podobnej idei pisaliśmy tutaj).
To jednak nie koniec wyścigu, badacze ze szwedzkiego Lund Univeristy w tym roku poszli już bowiem o krok dalej. Przede wszystkim ich kamera femtosekundowa – taka która jest w stanie uchwycić zjawiska trwające kilka fs (1fs = 10-15 s) – w przeciwieństwie do projektu z MIT, potrafi od razu rejestrować obraz 2D. Co równie ważne, niestraszne jej pojedyncze zdarzenia, czego nie można powiedzieć o wcześniej opisywanym rozwiązaniu.
Jest to możliwe dzięki zastosowaniu techniki nazwanej Frequency Recognition Algorithm for Multiple Exposures (FRAME). Sprowadza się ona w uproszczeniu do oświetlenia tego, co się filmuje (np. przebieg bardzo gwałtownej reakcji chemicznej) serią błysków lasera. Jest to analogiczne do używania lampy błyskowej, kiedy fotografujemy w złych warunkach oświetleniowych: światło z aparatu odbija się od fotografowanej sceny i trafia na światłoczułą matrycę. We FRAME nowatorskie jest to, że wysyłane jeden po drugim impulsy lasera zawierają w sobie ukryty unikalny kod i są zapisywane na pojedynczym zdjęciu. Dopiero później algorytm rozszyfrowuje je i układa post factum w sekwencję filmową. Gdyby tego było mało, to ta kamera zapisuje obraz z prędkością 5 bilionów klatek na sekundę.
Zobaczcie to, co nagrała kamera FRAME. Na filmie widać jak światło pokonuje grubość kartki papieru. Innymi słowy to, co widzicie przez 3 sekundy na filmie w rzeczywistości trwa tylko 0,2 tryliona sekundy.
A teraz czas już wrócić z laboratorium do domowego zacisza. Dziękujemy, że zdecydowaliście się nieco więcej poczytać
Domowe eksperymenty
Dziś z superszybkiej kamery może skorzystać każdy z nas. Wystarczy, że trzymamy w rękach jeden z tych telefonów: Sony Xperia XZ Premium, XZ1 lub XZ1 Compact.
Sony Xperia XZ Premium: pierwszy telefon z trybem Super Slow Motion. (zdjęcie: Sony)
Wbudowany w te smartfony aparat nominalnie potrafi nagrywać filmy w rozdzielczości 4K z prędkością 30 kl./s lub 1080p przy 60 kl./s. Stosunkowo jasny obiektyw o przesłonie F 2.0 w połączeniu z bardzo skuteczną cyfrową stabilizacją obrazu zamienia tego smartfona w kamerę, z której sam z chęcią korzystałbym podczas wakacji.
Schemat budowy trójwarstwowej matrycy Sony z wbudowaną pamięcią DRAM. Na dole zdjęcie konceptualne. (zdjęcie: SONY)
Jednak najbardziej interesowało mnie sprawdzenie w praktyce trybu nazwanego Super Slow Motion. W Xperii pozwala on na rejestrowanie obrazu z szybkością 960 kl./s w rozdzielczości 720p (dla porównania iPhone nagrywa z maks. 240 kl./s. ), co przekłada się na 32-krotne spowolnienie akcji.
Tak szybkie nagrywanie nie byłoby możliwe, gdyby Sony nie skonstruowało nowego, trójwarstwowego, typu matrycy CMOS BSI. Pomiędzy warstwę fotodiod rejestrujących obraz, a warstwę tzw. logiki odpowiadającej za przetwarzanie obrazu wciśnięto 125 MB szybkiej pamięci DRAM. Pełni ona funkcję bufora, dzięki któremu możliwe staje się błyskawiczne przechwytywanie 960 klatek i późniejsze ich zapisanie w zwykłej pamięci telefonu.
Trzeba też pamiętać, że wraz ze zwiększaniem szybkości rejestrowania filmu potrzebne jest coraz więcej światła do poprawnego naświetlenia sceny. Przyjmuje się, że prędkość 30 kl./s odpowiada szybkości migawki 1/125 sekundy. Zwiększenie liczby klatek do 1000 na sekundę jest ekwiwalentem zmiany prędkości migawki na ok. 1/2000. Oznacza to, że do zabawy ze slow motion potrzebne jest bardzo dużo światła.
Na tyle dużo, że nakręcenie filmów w mieszkaniu praktycznie nie jest możliwe bez sięgnięcia po lampę studyjną. I – jak można zobaczyć na moich próbach – 1x1000W to wciąż chyba jednak za mało.
Ale bez obaw. Wystarczy wyjść na zewnątrz i okaże się, że nawet światło słoneczne przebijające przez zasnute chmurami listopadowe niebo powinno wystarczyć do dobrego nagrania. Generalnie im jaśniej, tym efekt końcowy będzie lepszy.
* Mgnienie oka trwa 13 ms i jest to czas potrzebny, by obraz tego, co znajduje się przed naszymi oczyma, dotarł do mózgu i został zrozumiany.
Tekst jest elementem współpracy z firmą Sony Mobile Polska. Partner nie miał wpływu na treść ani opinie, które wyrażamy.
You must be logged in to post a comment.