История быстрых камер, снимающих очень медленные видео

Спор мог так и остаться нерешенным, но для Стэнфорда это было делом принципа, поэтому он позвал знакомого наездника и заказал фотосъемку у фотографа Эдварда Мейбриджа. Тот попытался снять лошадь на обычную камеру, но ничего не получалось – он просто не успевал за животным. Мейбридж считал, что сделать такой снимок невозможно, но спустя множество попыток он добился успеха.

В 1878 году Стэнфорд снова обратился к Мейбриджу. Но в этот раз ему нужна была серия снимков лошади по имени Салли. И эта задача была еще сложнее. Но при съемке фотограф придумал то, что в будущем стало основой не только скоростной фотографии, но и кинематографа. Он поставил друг за другом несколько камер и соорудил механизм, который поочередно приводит в действие затворы камер, когда лошадь задевает присоединенные к ним тросы. Лошадь бежала, и камеры бесперебойно делали снимки.

На некоторых фотографиях было четко видно, что лошадь отрывается от земли всеми копытами. Но пока Мейбридж перебирал карточки, ему пришла одна идея – соединить все снимки вместе и показывать поочередно. Всего вышло шесть картотек под общим названием «Лошадь в движении», но наибольшую популярность получила картотека «Салли Гарднер в галопе» – та, где видно, что четыре копыта действительно находятся в воздухе.

Спустя более 10 лет, в 1891 году, изобретательный американец Томас Эдисон создаст кинетоскоп – устройство, способное последовательно выводить кадры один за другим. Это было чем-то вроде примитивного видеопроигрывателя, который мог показывать короткие ролики, длившиеся не более 5 секунд. Но даже для них требовались сотни последовательных кадров.

На удивление, ни Мейбридж, ни Эдисон не удостоились полноправного звания отцов кинематографа. Зато таковыми считаются братья Люмьер – создатели устройства с названием «кинематограф», который представлял собой усовершенствованную версию кинетоскопа Эдисона. Это устройство могло бесперебойно выводить 16 кадров в секунду, что в то время казалось фантастикой.

Первые действительно сверхбыстрые камеры, заснявшие ядерный взрыв

«Кинематограф» был прорывным устройством, но в то же время всем хотелось большего. В конце XIX века началось развитие технологий съемки: изобретатели искали возможность сделать большую длительность роликов и большее количество кадров в секунду. И уже спустя 30 лет это стало возможным – к 1930-м годам появились первые скоростные (даже по современным меркам) камеры.

Опыты с атомом требовали чрезвычайно быстрых камер, с помощью которых можно было бы создать невероятно медленные видео. Для понимания: «огненный гриб», возникающий после взрыва ядерных бомб, происходит за три сотых секунды. Ядерные реакции, с которыми работали ученые, еще быстрее.

Создать более скоростную камеру вызвался изобретатель Гарольд Юджин Эджертон. В 1932 году он придумал технологию съемки с использованием стробоскопа – устройства, создающего яркие световые импульсы, появляющиеся с молниеносной скоростью. Эджертон подсвечивал стробоскопом движущиеся объекты в абсолютно темной комнате и благодаря этому получал кадры с временем экспозиции от 1/10 000 до 1/100 000 секунды. Этого хватало, чтобы сфотографировать пулю на лету или процесс падения капли молока. Кстати, «Капля молока» и сейчас считается фотошедевром.

Но и этого было мало, чтобы заснять испытания с ядерными реакциями. Сам Эджертон не сильно расстроился – и даже наоборот, он решил во что бы то ни стало сделать камеру, способную запечатлевать что угодно. В 1940-х годах у него это получилось, а в 1947 году он заключил контракт с комиссией по атомной энергии США и создал специальную камеру – Rapatronic, способную производить снимки с выдержкой, равной 10 миллиардным долям секунды.

Именно на такие камеры записывали первые взрывы ядерных бомб США в 1950–1960-х. И это была самая быстрая камера в мире, но даже у нее был недостаток – скорость затвора. Камера могла сделать снимок быстро, но вот на второй кадр требовалось куда больше времени – нужно было ждать, пока перезарядится затвор. Из-за этого для съемок использовали несколько камер, работавших одна за другой.

Примерно в то же время появляются сверхбыстрые камеры с зеркальными системами: например, камера Dynafax компании Cordin, которую тоже использовали для съемок ядерных испытаний. Зеркало в ней вращалось со скоростью 100 тыс. оборотов в минуту и распределяло кадры по ленте быстрее, чем если бы пленка сменялась сама. Для вращения зеркала в Dynafax использовали электроэнергию.

Подобные камеры требовались и в СССР. Уже в 1960-х годах советские изобретатели представили пленочную камеру ФП-22, способную снимать до 100 000 кадров в секунду. Кадры с нее были пригодны для непосредственной кинопроекции на экран. В дальнейшем камеры с зеркальными технологиями развивались еще сильнее – становились быстрее и записывали более долгие видео. Но сама технология оставалась примерно одинаковой.

Как работает замедление, получаемое с помощью быстрых камер

Для съемки быстродвижущихся объектов в камере или вне ее должны быть зеркала, вращающиеся с высокой скоростью. Они отражают изображение на матрицу камеры так, чтобы объект (например, пуля) всегда был в кадре. Вал, на который крепится такое зеркало, может совершать несколько миллионов оборотов в минуту, поэтому и он, и само зеркало должны быть сверхпрочными.

Получается, что для замедленного кино изначально нужна очень ускоренная съемка, и чем больше кадров в секунду записывает камера, тем большего замедления можно достигнуть. Это работает примерно так: если мы записываем видео с частотой 1200 кадров в секунду и трансформируем его в видео с 30 к/c, оно становится в 40 раз медленнее – 1 секунда превращается в 40.

Возникает резонный вопрос: почему нельзя замедлить видео еще сильнее, трансформируя его из 1200 к/c в, например, 1 к/c. На самом деле можно, но выглядеть это будет хуже. Все дело в плавности изображения: если в видео меньше 16 к/c, оно становится дерганым и мерцающим. А конкретно 1 к/c – это и вовсе не видео, а слайд-шоу из смазанных изображений.

И отсюда исходит одна сложность – в обычном качестве очень медленное видео снять не получится, попросту не хватит памяти и скорости записи накопителя. Поэтому разрешение у быстрых камер разительно ниже, чем у обычных. Из-за этого их нужно использовать в условиях повышенной освещенности. И по этой же причине появляется еще одно ограничение – использовать возможности быстрой камеры на максимуме можно лишь в течение нескольких секунд. В редких случаях – нескольких минут.

Обычно это происходит так: камера включена и направлена на объект, но запись начинается лишь после получения специального сигнала, поэтому ее длительность с максимальной скоростью и максимальным разрешением всего пару секунд в нужное время.

Вы наверняка замечали, что замедленную съемку используют не только в научных целях, но и практически во всех зрелищных видах спорта. Например, замедленные хайлайты во время футбольных трансляций. Но для этого обычно не применяют сверхбыстрые камеры – хватает и обычных. А замедление создается с помощью видеоредакторов.

Оригинальная камера Rapatronic на выставке в Национальном музее атомных испытаний в Лас-Вегасе, штат Невада. Фото: Fizzotter
wikipedia.org

Современные сверхсверхскоростные камеры

Современные камеры в сотни раз быстрее тех, что были в прошлом веке. Да что уж там, сейчас даже смартфоны умеют записывать замедленные видео. А специальные камеры и вовсе могут растянуть одну секунду до видео длиной в несколько лет. Например, камера, представленная в Массачусетском технологическом институте (MIT) в 2011 году, способна запечатлеть короткий световой импульс длиной в несколько пикосекунд.

Камера Массачусетского технологического института фиксирует свет со скоростью триллион кадров в секунду. Скриншот: IDG TECHtalk, youtube.com

Камера, созданная в MIT, уже не самая быстрая из существующих, но нужна ли в действительности такая скорость? Сами ученые шутят, мол, уже можно снять что угодно во Вселенной и рассмотреть это во всех деталях. А для того, чтобы заснять относительно медленные процессы, например полет пули, достаточно самых простых скоростных камер с зеркальной системой. Если же нужно снять, например, капание воды, то и вовсе хватит навороченного смартфона.