9.3.4 高速摄影机
高速摄影是一门用摄影方法记录高速运动过程和变化现象以供研究和分析的科学技术。它以0.001 s的曝光时间或者每秒拍摄1 000幅以上的拍摄频率对各种高速目标进行拍摄。人们通过对拍摄的胶片进行逐幅分析，也可以慢速放映进行研究。炮弹飞行的弹道、炸药的爆炸和火花放电现象等都能够利用高速摄影进行分析研究。在现代兵器的研究和生产中，高速摄影是至关重要的科学技术，凡是测量高速运动物体和高速变化现象的摄影装置，都叫作高速摄影机。
高速摄影机自从19世纪中叶问世后，一直和兵器的研究与生产保持着非常密切的联系。它是由英国最先研制成功的，英国皇家兵工厂就成功地利用火花作光源，研究和测量了炮弹飞行姿态。自此以后，高速摄影技术逐渐被各国应用到枪炮弹、导弹、火箭、飞机和空间飞行器等各种兵器领域。其中，美国一直处于领先地位，其所研制的Photo-sonics 1W型16mm摄影机多应用在拍摄导弹和火箭等高速飞行目标的初始弹道轨迹和姿态等方面。美国的Hycan 16mm摄影机和日本的16HD型摄影机是用来测量枪弹、炮弹、火箭、导弹和鱼雷等的飞行轨迹和姿态的。而英、苏联合研制的变像管摄影机非常先进，被应用在尖端武器的研制中。我国著名高速摄影技术创始人龚祖同教授在东京第13届国际高速摄影和光子学会议上首次提出采用自聚焦纤维作微透镜板发展高速网格摄影机。这种网格摄影机将摄影机推向了一个新的水平，并被广泛应用在现代兵器的研究和生产当中。
除此之外，X射线摄影机、电子束摄影机、高速电视摄影机、高速全息摄影机和高速瞬时摄谱仪等，也都适用于现代兵器靶场。
现代高速摄影技术是以光学、精密机械学、光子学、光电子学、电子学和光化学等诸学科的最新成就为基础的。它们在许多科学技术领域，特别是在兵器科学技术方面，已经是非常重要的测试工具。
高速摄影测量采用多个高速摄影机对目标的运动影像进行同步采集，通过解析多高速摄影机同步拍摄的图像，就可以得到目标在三维世界中的位置变化情况。在对高速运动的弹丸进行测速时，用高速相机代替普通相机，分别布置在2个不同的位置对爆炸成型弹丸等的飞行过程进行拍摄，还原出爆炸成型弹丸在三维世界中的位置，实现对爆炸成型弹丸位置变化的跟踪，并根据高速摄影机的拍摄帧频计算出爆炸成型弹丸的速度。
采用高速摄影机拍摄得到的二维图像可以认为是对三维空间的一个透视转换，通过两个不同角度拍摄的图像，就可以还原三维空间的分布情况。如图9.3.3所示，设物空间坐标系为OXYZ，点P（X，Y，Z）为空间内一点，S1、S2分别为两部高速摄影机，O1x1y1、O2x2y2为高速摄影机S1、S2成像的像平面坐标系。
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图9.3.3 测量原理
现以S1为例进行说明，设P在S1的像平面O1x1y1上的坐标为P1（x1，y1），S1在物空间坐标系中的坐标为（XS1，YS1，ZS1），在不考虑镜头畸变的情况下，P1和P的变换关系为：
式中，f1为高速摄影机S1的焦距；a11，a12，…，c13是与高速摄影机姿态相关的参数。
同理，P在S2中有：
在目标的两个像坐标（x1，y1）、（x2，y2）已知的情况下，就可以很方便地求解出（X，Y，Z），即点P的坐标。
