麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室（Media Lab）與化學(xué)系的Bawendi實(shí)驗(yàn)室近期發(fā)明了一種高速拍攝技術(shù)，可以獲得幀率等效于每秒一萬(wàn)億幀（1000,000,000,000fps）的影片。這相當(dāng)于兩幀之間只間隔1皮秒（皮秒為10 ^-12 秒）。在如此短的時(shí)間內(nèi)，光在真空中只能傳播0.6毫米，所以這項(xiàng)技術(shù)使我們能夠觀察光脈沖在物體中運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)。

這就是一束激光脈沖通過(guò)可樂(lè)瓶的視頻，可以看到光脈沖從可樂(lè)瓶的一端緩緩到達(dá)另一端。而實(shí)際上，整個(gè)過(guò)程只持續(xù)了1納秒（10 ^-9 秒）左右。

這種技術(shù)被稱(chēng)為飛秒成像（Femto Photography，飛秒為10 ^-15 秒）。發(fā)明者之一的安德里亞斯·弗坦（Andreas Velten）曾說(shuō)，“世界上沒(méi)有任何相機(jī)比它更快”。但事實(shí)上，它在原理上與普通的家用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)（DV）有很大的不同。

普通家用DV每次拍攝一幀靜態(tài)影像，這與數(shù)碼相機(jī)沒(méi)什么不同——被攝物體散射出的光被鏡頭收集到感光芯片上，形成二維圖像，再被轉(zhuǎn)化成數(shù)字信息存儲(chǔ)起來(lái)，相當(dāng)于記錄了某一時(shí)刻 x-y 空間上的一幅二維圖像。普通DV每秒通常只能記錄24幀或30幀，相當(dāng)于給 x-y 空間上的靜態(tài)圖像增加了一個(gè)時(shí)間軸 t 。按照這個(gè)幀速依次播放這些畫(huà)面，我們就有了一段動(dòng)態(tài)視頻。因此，一段視頻又可以看成是 x-y-t 這樣一個(gè)三維時(shí)空中的一套數(shù)據(jù)。

與普通DV采用相同拍攝原理的商業(yè)化高速攝像機(jī)，目前速度最快的當(dāng)數(shù)CMOS高速攝像機(jī)Phantom v12.1，最快可以拍攝每秒100萬(wàn)幀的視頻。要實(shí)現(xiàn)高速攝像，需要大大提升感光芯片的靈敏度，降低電路中噪聲的強(qiáng)度，提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)過(guò)程的速度。達(dá)到每秒100萬(wàn)幀的高速攝影已經(jīng)接近現(xiàn)在工程的極限，想要實(shí)現(xiàn)每秒一萬(wàn)億幀的視頻拍攝，只能另辟蹊徑，顛覆原來(lái)的拍攝方式。

通常我們拍攝一段錄像，都會(huì)稍微提前一些啟動(dòng)攝像機(jī)，以便完整記錄整個(gè)事件。但對(duì)于高速攝像，任何一秒鐘的提前都會(huì)帶來(lái)巨大的數(shù)據(jù)量。假如用Phantom v12.1的最高幀率記錄一段1秒鐘的事件，再用30fps（30幀每秒）的幀率回放，我們需要看上9個(gè)多小時(shí)。在這段冗長(zhǎng)的影片中找到自己感興趣的內(nèi)容，或許還算可以接受。但是，如果使用飛秒成像技術(shù)記錄1秒鐘的事件，你需要回放上千年！即使不考慮存儲(chǔ)技術(shù)的可能性，在如此海量的數(shù)據(jù)中，我們可能一輩子也看不到“故事”的開(kāi)頭。

飛秒成像技術(shù)用一臺(tái)摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光器作為照明光源，同時(shí)也用它來(lái)觸發(fā)拍攝“快門(mén)”，從而實(shí)現(xiàn)了極高的同步性，能夠在事件發(fā)生時(shí)實(shí)時(shí)啟動(dòng)拍攝。

與常見(jiàn)的激光器不同，飛秒激光器產(chǎn)生的是一系列激光脈沖，可以把它看成是一系列非常短促的閃光。每個(gè)脈沖的寬度，即閃光持續(xù)的時(shí)間，一般為幾十飛秒，脈沖的間隔一般為十幾納秒。

如圖所示，一個(gè)脈沖發(fā)射出來(lái)后，會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)分光器，把光分成兩路：其中一路（包含絕大多數(shù)的能量）用于照明被攝物體；另一路則經(jīng)過(guò)探測(cè)器產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)，用于開(kāi)啟高速掃描相機(jī)，同步飛秒激光照射物體的時(shí)間和拍攝錄像的時(shí)間。

剛才提到的“高速掃描相機(jī)”，就是飛秒成像技術(shù)中用到的拍攝設(shè)備了。這是一種特殊的一維相機(jī)，只能記錄比方說(shuō) x 軸方向上通過(guò)一條狹縫看到的影像。它的原理類(lèi)似于陰極射線(xiàn)管電視機(jī)，進(jìn)入的光子被轉(zhuǎn)換成電子后，會(huì)打在一個(gè)熒光屏上發(fā)出熒光，這樣可以大大提高整個(gè)成像的響應(yīng)時(shí)間。

最關(guān)鍵的一點(diǎn)在于，高速掃描相機(jī)內(nèi)還加上了一個(gè)隨時(shí)間變化的電場(chǎng)，使得電子在熒光屏上的位置不僅與 x 軸向上的位置有關(guān)，還與光子進(jìn)入高速掃描相機(jī)的時(shí)間 t 有關(guān)。換句話(huà)說(shuō)，高速掃描相機(jī)把時(shí)間軸 t 轉(zhuǎn)化成了另一個(gè)空間軸——高速掃描相機(jī)所獲得的每一幀二維圖像，都對(duì)應(yīng)著視頻 x-y-t 三維時(shí)空中 x 和 t 的信息。

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拍攝那段視頻所使用的高速掃描相機(jī)，對(duì)時(shí)間 t 的分辨能力可以達(dá)到2皮秒以?xún)?nèi)（確切地說(shuō)，是1.71皮秒）。通過(guò)調(diào)整掃描電路的最大電壓，可以限定整個(gè)相機(jī)記錄的最大時(shí)間范圍。在拍攝這段視頻時(shí)，高速掃描相機(jī)記錄的時(shí)間范圍大約是820皮秒，略大于光脈沖從可樂(lè)瓶的底部傳至頂部所需的時(shí)間。

由于高速掃描相機(jī)以熒光屏作為記錄載體，為了把信息記錄下來(lái)用于后期圖像處理，必須在后方加入低噪聲CCD來(lái)拍攝熒光屏，將畫(huà)面轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)?？墒?，一個(gè)光脈沖經(jīng)過(guò)物體時(shí)，在短短2皮秒的時(shí)間內(nèi)散射出的光子數(shù)太少，一次照射無(wú)法產(chǎn)生足夠用于分析的信息。

因此，實(shí)際操作中每張照片都要使用100毫秒的積分時(shí)間，將數(shù)百萬(wàn)個(gè)光脈沖反復(fù)穿過(guò)可樂(lè)瓶而產(chǎn)生的信號(hào)累積起來(lái)。而最終得到的一幀圖像，又要用100張這樣照片來(lái)疊加生成。這就要求每個(gè)脈沖經(jīng)過(guò)物體時(shí)，產(chǎn)生的作用必須一模一樣，具有極高的可重復(fù)性。這個(gè)特性也限制了這項(xiàng)技術(shù)的使用領(lǐng)域。

通過(guò)高速掃描相機(jī)得到的一幀圖像，與普通家用DV拍攝得到的一幀圖像完全不同。后者記錄了某一時(shí)刻二維空間（ x 軸和 y 軸）上的信息，前者記錄的則是一維空間（ x 方向）和時(shí)間軸 t 上的信息。

正如前面所說(shuō)，一段視頻就是 x-y-t 三維時(shí)空中的一套數(shù)據(jù)。為了得到這段視頻，普通DV必須按時(shí)間順序（ t 軸）拍攝多幀圖像（圖3a）。同理，為了合成完整的二維空間照片，高速掃描相機(jī)也必須對(duì)樣品做另一個(gè)空間維，即 y 方向上的掃描（圖3b）。簡(jiǎn)單說(shuō)，就是轉(zhuǎn)動(dòng)一面平面鏡，沿著被攝物體的 y 方向進(jìn)行逐行掃描。在拍攝這段視頻時(shí)，研究人員掃描了100行。

接下來(lái)，研究人員再利用圖像重建技術(shù)，把采集到的 x-y-t 三維空間的原始數(shù)據(jù)重新處理成正常的視頻數(shù)據(jù)，即按時(shí)間軸 t 的順序排列的、包含二維空間（ x-y ）圖像信息的一幀幀畫(huà)面。最后，以每秒24幀的速度播放出來(lái)，就成了令人贊嘆不已的光束慢動(dòng)作。

為了拍攝持續(xù)時(shí)間不到1納秒的事件，飛秒成像技術(shù)至少要花1000秒的時(shí)間曝光，這還沒(méi)有算上圖像重建所用的時(shí)間。所以，從某種意義上來(lái)說(shuō)，這種世界上最快的相機(jī)，也是世界上最慢的高速相機(jī)。這種方法在實(shí)際應(yīng)用中最大的局限性，就在于光脈沖對(duì)物體的作用必須是可重復(fù)的，不過(guò)在物理、材料科學(xué)、生物學(xué)及顯微術(shù)方面，都還是可能找到潛在的應(yīng)用的。

參考文獻(xiàn)：

http://web.media./~raskar//trillionfps/

A. Velten, R. Raskar, and M. Bawendi, "Picosecond Camera for Time-of-Flight Imaging," in Imaging Systems Applications, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2011) [Link] "Slow art with a trillion frames per second camera", A Velten, E Lawson, A Bardagiy, M Bawendi, R Raskar, Siggraph 2011 Talk [Link]