随着低成本CMOS图像传感器的出现，高速相机正变得越来越普及。这些相机正越来越多地出现在包括科学、运动分析和汽车碰撞测试等诸多应用中。
然而，该如何决定哪种类型的高速相机最适合特定应用呢？在此之前，我们必须仔细考虑诸如帧率、分辨率、存储容量，以及相机到计算机之间的接口类型。同样重要的是，还要考虑相机可以支持哪种类型的镜头、采用哪种类型的照明能产生最高对比度的图像。
快门速度
由于高速成像应用通常是高度特定化的，因此需要平衡好这些技术参数，才能选出最具成本效益的相机。两个最重要的考虑因素是相机的最小快门速度和最大帧率。
虽然快门速度是单幅图像的曝光时间，但是最大曝光时间永远不能超过1/帧率。1/1000秒的快门速度，并不与1000fps的帧率直接相关，因为可以在每帧1/1000秒的曝光时间下，将相机的帧率设置为较慢的速率（例如30fps）。
因此，使用1/1000秒的曝光时间和30fps帧率，与曝光时间1/500秒和相同帧率（30fps）作比较，由于每帧曝光的时间更短，运动模糊将减至最小，结果前者拍摄出的图像相对更为清晰。
如果选择使用快速曝光时间，很可能需要增加对被拍摄物体的照明。
“对于图像中任意想要得到的对比度，如果曝光时间减半，无论传感器的灵敏度如何，照明强度都需要加倍。换句话说，为了获得同样的成像效果，如果将曝光时间缩短一半，就必须将照明强度翻倍。你需要在一半的时间内以，相同数量的光子撞击传感器，以获得同样光照的图像。”Vision Research公司（www.highspeedcameras.com）市场营销副总裁RickRobinson说道。
尽管使用快速透镜可以捕获到更多的光，高速相机中探测器的灵敏度也是同等重要的考虑因素，因为随着灵敏度的提升，曝光时间可以减少。
ISO标准
一些高速相机制造商使用国际标准化组织（ISO）的标准来规定该灵敏度。虽然ISO12232定义了三种方法来测量ISO灵敏度，但最常用的做法是将灵敏度与相机系统饱和所需的曝光度相互关联。于是，此项ISO值可以用来确定相机的标称曝光时间和/或照明要求。关于如何得到该数值、其数学描述又是如何，详情可登录网址www.bit.ly/1MMKUnN进一步了解。诸如Imatest公司（www.imatest.com），它们使用这种基于饱和度的ISO灵敏度（Ssat）标准，来测量与能让传感器或相机系统饱和的亮度级别相关的灵敏度。该值被Photron（www.photron.com）公司用在其FASTCAMSA-Z相机产品中（见图1）。FASTCAM SA-Z是一款12位1024×1024分辨率的高速相机，运行帧率可达20,000fps，ISO灵敏度分别为ISO50000（单色）和ISO 20000（彩色）。Vision Research公司提供Phantomv1612高速相机，其具有ISO 32,000单色日光灵敏度。
图1：Photron公司的FASTCAM SA-Z是一款12位1024×1024分辨率的高速相机，运行帧率可达20,000fps，ISO灵敏度分别为ISO 50,000（单色）和ISO 20,000（彩色）。
Photron公司市场营销总监AndrewBridges表示，“一些制造商使用‘T’和‘D’来描述ISO感光灵敏度；‘T’代表钨丝灯，移除红外滤光片可获得较高的值，较低的‘D’代表日光值，通过采用已发布的ISO 12232 Ssat标准来获得。”Bridges补充道，“通过移除IR滤光片，更多的光子可以转换为信号，将ISO‘T’值提升到用户无法实现的水平。”
在这种相机中，在图像传感器上使用色彩滤镜阵列（CFA），将减少在每个照相位置处捕获的光的数量，从而降低ISO等级。然而，ISO标准可以用于确定相机的灵敏度，但它与图像质量无关，因为提高相机增益可以用于增加ISO速度，但要以增加图像噪声为代价。
提高灵敏度
为了提高高速相机的灵敏度，许多制造商使用具有高量子效率和高填充因子的成像器。出于这点考虑，很多高速相机制造商选用具有大像素尺寸的成像器。例如在i-Speed 726相机（见图2）的设计中，英国iXCamera公司（www.ix-cameras.com）使用定制的CMOS 2048×1536像素成像器，像素尺寸为13.5μm，在全分辨率下拍摄，能够以8,250fps的帧率运行，相机的最大ISO灵敏度为40,000（单色）和14,400（彩色）。
图2：在i-Speed 726相机中，iXCameras公司使用定制化CMOS2048×1536像素成像器，像素尺寸为13.5μm。
尽管增加像素尺寸可以提高相机的灵敏度，但是它们对所捕获图像的分辨率具有一定的负面影响，因为是以线-对/毫米（line-pairs/mm）来测量的，那么较大像素相对较小像素的分辨率会略低。然而在很多高速成像应用中，这点可能不做重点考虑。
帧率
当选择一款高速相机时，除了要考虑相机的灵敏度这一重要参数外，相机的帧率也是一项需要考虑的重要参数。为了提高帧率，采用CCD或CMOS成像器的相机制造商会使用不同的技术。针对CCD相机，使用一种称为局部扫描的技术，从成像器的中心部分读取可变带（variable band），减少从CCD的每个像素输出电荷的需要，从而增加帧率。
而在使用CMOS成像器的相机中，该感兴趣区域（ROI）的宽度和高度都可以变化，增加了可获得帧率的灵活性。例如，在Q-MIZE HD v2相机的设计中，瑞士AOS Technologies公司（www.aostechnologies.com）使用一个1920×1080CMOS成像器，其允许相机在多种模式下工作——在1920×1080分辨率下，可获得1,000fps的帧率；在1024×1024、1280×720和853×480分辨率下运行时，相机可获得的拍摄帧率分别为2000fps、2500fps和5000fps。
捕获图像数据
当相机在高帧率下工作时，图像数据要么在相机上捕获，要么通过高速接口传送到主机。在那些需要便携相机和非连接相机的应用中，相机必须捕获到相对较长时间内的图像序列。然而在高速应用中，这种“较长时间”可能仅有几秒钟，因为相机可以在特定时间点被触发、捕获一个事件的图像。
对于其他应用，可以在相机上捕获更长时间段内的图像数据。诸如Fastec Imaging公司（www.fastecimaging.com）公司推出的TS5-D便携式高速相机，其使用2560×2048CMOS成像器，能以634fps的帧率捕获全分辨率高清图像，并存储到8GB内存中（见图3）。为了将这些图像以大约20GB/min的速度存储到相机板卡上，相机的内部硬盘容量必须高达1TB；或者，相机直接将这些图像数据存储到SSD卡上（720p@520fps），这大约需要花上35分钟的时间。相机的千兆以太网端口（GigE）允许图像序列以高达90MB/s的速率传输到主机上，用于后期分析。
图3：Fastec Imaging公司的TS5-D高速相机，使用2560×2048CMOS成像器，能以634fps的帧率拍摄全分辨率高清图像，并将图像数据存储到相机的8GB内存中。
如同Fastec Imaging一样，德国Mikrotron公司（www.mikrotron.de）也提供了一系列便携和非便携式高速相机。例如，Mikrotron公司的EoSens4CXP相机，采用CoaXPress（CXP）接口，能以超过2000fps的帧率拍摄分辨率为2336×1728的图像（640×480 ROI模式），并以高达25Gbit/s的速率将图像数据传输到位于100米以外的主机上。
自2006年以来，Vision Research公司就提供了其CineMag接口，其能在相机上实现1G像素/秒的数据存储率。这样，相机能以1000fps的帧率捕获一百万像素的图像，然后通过10Gbit/s以太网接口将图像数据传输到计算机，用于后续下载。
今天，高速相机被广泛用于许多科学、工业、航空和汽车应用领域。为了满足这些应用需求，虽然许多高速相机制造商在其设计中使用了定制的多抽头CMOS成像器，但是随着具有更快数据速率的成像器不断涌现，已经使低成本的高速相机开始进入各个应用领域。
原文在英文版2016年5月刊
,
