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ハイスピードカメラの選び方

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ハイスピードカメラ_k8-USBバナー

ハイスピードカメラの選び方

ハイスピードカメラ-kシリーズ
ハイスピードカメラkシリーズ

ハイスピードカメラは高速現象に対して、フレーム間の移動量を抑えてより細かく滑らかに見ることができます。
一般的なビデオカメラやテレビ放送は1秒間に30~60コマ(fps:flame per second)で撮影されるのに対し、ハイスピードカメラは数百、数千、数万fpsもの高速撮影ができます。

ハイスピードカメラは計測市場だけでも50種類を超えるモデルが流通しており

  • モノクロまたはカラー
  • 画像サイズ(pixel)
  • 撮影速度(fps)
  • 感度
  • 筐体サイズ
  • 価格(100万円以下からご案内できます!)
などハイスピードカメラを選ぶ基準がたくさん存在します。

現象ごとに適切にハイスピードカメラを選べないと、画像がブレたり暗く不明瞭な撮影になってしまいます。
そこで当ページではハイスピードカメラの撮影速度(fps)をピックアップして、現象を分析するのに必要な撮影速度の目安をご紹介いたします。


"現象を分析する"のに必要なハイスピードカメラ撮影速度(fps)の目安

ハイスピードカメラ-カラーバー



  • ハイスピードカメラk8-USB
  • ハイスピードカメラ-k8-USB
  • ~1000コマ(1,000fps)

    ■スポーツ(広範囲)
    ■医療福祉
    ■運動解析(モーションキャプチャー)
    ■液滴挙動
    ■ロボティクス
    ■流体(~2m/s)






  • ハイスピードカメラk9
  • ハイスピードカメラ-k9
  • ~5000コマ(5,000fps)

    ■自動車衝突試験
    ■落下試験
    ■昆虫の挙動
    ■切削加工
    ■着火・発火現象
    ■流体(~10m/s)






  • ハイスピードカメラk5
  • ハイスピードカメラ-k5
  • ~1万コマ(10,000fps)

    ■燃焼、爆発
    ■スポーツ(拡大、局所)
    ■溶接
    ■レーザー加工
    ■金属加工
    ■流体(~20m/s)






*表記はあくまで目安となります





流速120m/s ノズルからの噴流をPIV解析
  • 撮影速度:秒速30万コマ
  • ハイスピードカメラ:Phantom TMX
  • レーザー光源:KLD-Ⅹ
  • トレーサー粒子:二酸化チタン(粒径:0.3μm)

"画像計測"に最適な ハイスピードカメラ撮影速度(fps)の目安

ハイスピードカメラで撮影を行い、人の目で挙動を確認するだけなら厳密な撮影速度(fps)の設定は必要ありません。

一方、モーションキャプチャーやPIVなど"画像計測"を行う場合、フレーム間の変位を抑えて撮影する必要があります。
そのため、現象に応じて十分な時間分解能が必要となり、適切なハイスピードカメラ撮影速度(fps)を設定しなければなりません。

"画像計測"に最適なハイスピードカメラ撮影速度(fps)を事例とあわせて紹介いたします。

ハイスピードカメラを使った画像計測:スポーツ

ハイスピードカメラ-野球のスイング
野球のスイングをモーションキャプチャー

スポーツにおけるハイスピードカメラの撮影は、画像計測を行うか?現象を目視で確認するか?によって選び方が変わります。
例えば、プロ野球放送で流れるスイングリプレイのハイスピード映像は200~300fps程度です。
しかし、モーションキャプチャーをするためにはより細かく高いfpsを設定する必要があります。


運動解析についてこちらで解説しています      運動解析(モーションキャプチャー)とは
野球のスイング
撮影範囲1.8m スイングスピード約130km/hの場合
撮影速度の目安:約2,000fps
ゴルフのインパクト
撮影範囲30cm スイングスピード約50m/sの場合
撮影速度の目安:約30,000fps

ハイスピードカメラを使った画像計測:流体(気流・液相)

ハイスピードカメラ-ベクトル算出
PIVの例:気流の速度ベクトルを算出

PIVにおける粒子画像は、前画面との粒子パターンの相関で速度を求めています。
粒子パターンの1画面毎の移動量は10ピクセル以下が適切とされているので、実験条件に合わせ適格なfpsを設定する必要があります。


PIVについてこちらで解説しています      PIVとは
風洞実験で空気の流れ
撮影範囲500mm 流速10m/sの場合 
撮影速度の目安:約2,000fps
水路実験で水流
撮影範囲50mm 流速3m/sの場合
撮影速度の目安:約6,000fps
*PIVに適したハイスピードカメラ撮影速度(fps)の計算をこちらで行えます      フレームレート(fps)計算サイト

ハイスピードカメラを使った画像計測:衝撃波

ハイスピードカメラ-航空機
航空機 衝撃波の伝播

衝撃波は大気中で約340m/s、水中で約1,500m/sで伝播します。
シュリーレン法で観測しようとする場合、限られた観測空間内で衝撃波の輪郭を捉えなければならないため、より高いfpsが必要となります。


衝撃波とシュリーレン法についてそれぞれ解説しています      衝撃波とは      シュリーレン法とは
大気中の衝撃波
撮影範囲100mm 伝播速度340m/sの場合
撮影速度の目安:約400,000fps
水中の衝撃波
撮影範囲100mm 伝播速度1,500m/sの場合
撮影速度の目安:約1,500,000fps

ハイスピードカメラを使った画像計測:溶接

ハイスピードカメラ-溶接
溶接を可視化して計測

溶接の画像計測は対象となる現象によって、必要なハイスピードカメラ撮影速度(fps)が変わってきます。
局所的な撮影が多いため、現象をはっきりと捉えるには拡大して撮影しなければなりません。

拡大撮影を行うと、画面内で対象物の速度が相対的に速くなります。
従って、画像計測を行うためにはハイスピードカメラ撮影速度(fps)を速くする必要があります。


溶接の可視化について解説しています      溶接欠陥の原因を可視化      レーザー溶接の可視化
レーザー溶接の溶融池を可視化
撮影範囲20mm
撮影速度の目安:約20,000fps
炭酸ガスアーク溶接のシールドガス流れ
撮影範囲100mm
撮影速度の目安:約5,000fps
溶接スパッタの飛散
撮影範囲100mm
撮影速度の目安:約50,000fps

ハイスピードカメラの感度 (ISO感度について)

ハイスピードカメラのISO感度が高いと明るく撮影ができる

カメラには「高感度」という言葉をよく耳にしますが、イメージセンサがどのくらい光を受光しやすいかを表す数値となります。
一般的に「ISO」と評されます。

ISO感度が低い = 暗い
ISO感度が高い = 明るい


という目安になります。

ISO感度が高ければその分明るく撮影ができ、シャッタースピードやフレームレート(fps)を上げることができて、撮影の幅が広がります。
画像計測における感度は、ハイスピードカメラの選定に重要な判断基準となります。

感度が高過ぎるとノイズが多くなる可能性も

ISO感度の数値が高くなるにつれ、ノイズが多くなる可能性もあります。

例としてPIV(流体を画像から計測する手法)のような画像計測の場合、いくら明るさを引き上げて撮影をしてもノイズの多い画像では正しい計測ができません。
"明るくノイズの少ない"撮影ができるか?が重要です。

*PIVの場合、上記右図の暗い画像の方が画像計測をしやすい場合があります。

ISO感度の種類

ISO感度には大きくわけて3種類あります。

■基準感度:イメージセンサーが持つ固有のISO感度(ベース感度)
■常用感度:ノイズの量が許容できる範囲内のISO感度
■拡張感度:常用感度の範囲を超えたISO感度(ノイズが多いため画質の劣化が大きく、無理やり明るさを引き上げた感度)

上記3種類のISO感度とは別に、デジタルカメラ用の定義として"推奨露光指数(REI)"と"標準出力感度(SOS)"があります。

推奨露光指数(REI)は各メーカーが適切と判断する露光量に基づいて決められる指標です。
標準出力感度(SOS)は所定の条件で静止画を撮影した際、デジタル出力値を取得するために必要な入力露光量を求めて換算したものになります。

*狭義的な定義としてタングステン光をセンサーに照らし、飽和状態に達するまでの時間から算出する"ISOsat"と呼ばれる手法もあります。

ISO感度の数値だけでは比較できない

各メーカーがHPに記載するISO感度については、それぞれ異なる基準・表記方法を採用しており、適正露出に対する考え方の違いがあります。
そのため、一概に異なるメーカーでISO感度の比較をすることはできません。

例:
A社 ISO感度32000表記
B社 ISO感度16000表記


一般的にISO感度32000表記のA社方が優れた受光感度を持っているカメラと想像できますが、ISO感度16000表記のB社の方がノイズが少なく画像計測に適した撮影ができる可能性があるためです。

ハイスピードカメラの画素数による感度への影響

画像計測における分解能(解像度・画素数)はとても重要な要素となります。
一般的に画素数が多ければ多いほど、空間分解能が高くなり、高精細な計測ができます。

しかし、高解像度のカメラは画像計測にとってウィークポイントとなる要素も備えています。

■解像度が高いほど暗所撮影に弱くなる
センサーサイズの大きさが同等で異なる解像度のカメラがあった場合、高解像度モデルのカメラの方が感度が低くなります。

高画素カメラのイメージセンサは受光素子が小さく、個々の素子が受け取る光の量もその分小さくなります。
暗所に弱くなるためノイズが乗りやすくなり、かえって画質が悪くなる場合もあります。
画素数にこだわりすぎて肝心の対象物が暗く、写らなければ画像計測どころではありません。
加えて画像計測はハイスピード撮影を行うことも多く、fpsを上げることによりさらに画像が暗くなります。

建造物や風景、美術品など、細部表現が重要な画像を撮影する時は高画素カメラの長所が発揮されます。
一方、画像計測の場合、現象に適した画素選定が重要となります。

当社ではカメラ感度・画像サイズなどをデモで確認することができます。
どうすれば画像計測に最適な映像を撮ることができるか?ノウハウまでしっかりと案内しております。
ユーザーの方々には事業所圏内やリモートであれば無償で常時ご案内させていただいております。

ハイスピードカメラにおけるカラーとモノクロの違い

ハイスピードカメラは「カラー」と「モノクロ」の2種類のイメージセンサがあります。

カラータイプのカメラは、色情報の表現が多彩であるため、人に情報を伝えやすく、現象を観察することを主目的とする場合や、映像資料・広告映像に適しています。
また、色情報から画像解析を行う手法もあり、計測用途での運用もされます。

しかし、画像計測の分野ではモノクロタイプの使用が大半を占めています。
カラーカメラに比べモノクロタイプは受光感度 が高く、低照度下での撮影や、高速度撮影に適しているためです。

一般的にカラータイプのイメージセンサには、ベイヤーフィルタという三原色(RGB)のフィルタが受光素子の前に搭載されています。
ハイスピードカメラ-RGBフィルタの図
ベイヤーフィルタを通して受光したRGB情報を基にベイヤー変換処理をすることで1pixelでRGBが表現でき、画像のカラー化をすることができます。
こうなると8bit/pixelのデータが24bit/pixelとなりデータ容量が3倍となります。

カラー画像の画素はRGBの補完によって作られる画素です。
フィルタを通すことから、直接的に素子に受光できるモノクロセンサと異なり受光感度が低くなります。
また、偽色を防ぐためにアンチエイリアシングによって詳細をぼかす処理がされていることが殆どで結果的に空間分解能が低くなります。

一方でモノクロセンサの場合、このようなベイヤー処理をすることなく受光素子にそのまま光を受けとります。
これは光のロスが無く、明るく撮影することができます。

以上のことから色情報が必要な画像解析ではない限り、モノクロセンサを用いたハイスピードカメラを推奨しております。

ハイスピードカメラの計測事例

ハイスピードカメラで撮影をして計測した事例を紹介します。

スポーツ:空気の流れ
【PIV】空気の流れの可視化動画【野球4シーム ゴルフボールのディンプル バドミントンのシャトル】
野球のボール、ゴルフボール、バドミントンのシャトルをハイスピードカメラで 撮影しています。PIVでボール・シャトル周りの流れを解析しています。
使用機材
スポーツ:運動解析(モーションキャプチャー)
弓道の動作を解析する【モーションキャプチャー+ハイスピードカメラ】
弓道の動作をハイスピードカメラを使って撮影。 動作をスーパースロー映像で可視化して モーションキャプチャーによる精密な分析をしました。
使用機材
流体:空気の流れを解析(PIV)
空気砲による渦輪形成時のPIV評価
空気砲で噴射されてできあがった渦輪をPIV解析しています。
トレーサー粒子として煙を使っています。
使用機材
衝撃波:水中の衝撃波伝播の様子
【キャビテーション】秒速1650m 圧力波の可視化実験【シュリーレン法】
キャビテーション気泡が崩壊する時に発生する圧力波を可視化しました
可視化には「シュリーレン法」を用いて
圧力波(衝撃波)が伝播する様子を鮮明にとらえています
使用機材
溶接:レーザー溶接の可視化
【レーザー溶接の可視化】 10000fpsで撮影
レーザー溶接をスーパースロー映像で見える化
「新型 溶接可視化用カラーハイスピードカメラ」を使って1秒間に
10000枚で撮影 さまざまな条件の溶接を可視化しています。
使用機材
溶接:溶接ヒュームの可視化
【キャビテーション】溶接ヒュームと集塵の可視化動画【流れの可視化】
溶接ヒュームを可視化しました。
集塵ノズルの位置、アシストガスのノズル位置によってヒュームの集塵効果が
変わります。集塵効果によって変わる溶接の仕上がりを比較画像で 紹介いたします。
使用機材
カタログダウンロード