Да, я не ошибся с числом нулей. Да, есть нюансы в технике съёмки этой камерой. Но она позволяет получить видео такого быстрого процесса, как распространение света лазера, с частотой в 2 миллиарда кадров в секунду в HD разрешении.
Приложу оригинальное видео, а ниже перескажу устройство технической части.
Как это работает
Если кратко: один фотоэлемент, поворотное зеркало, сэмплирование с частотой 2 ГГц и повторяемый тысячи раз процесс.
Если развёрнуто, то читайте дальше.
Почему именно так
Если оценивать современный уровень технологий, то пока человечество не может создать камеру, снимающую с частотой выше одного-двух миллионов кадров в секунду. При этом детализация картинки будет не выше, чем у иконки этого сайта.
Основные причины этого: сложность создания массива быстрых фотодатчиков (сенсорной матрицы) и скорость передачи данных от такого сенсора в накопитель данных.
Если разместить рядом несколько очень чувствительных фотодатчиков, то они будут улавливать помехи от работы своих соседей.
Для передачи несжатых изображений разрешением 32х32 пикселя в оттенках серого с дискретностью 8 бит с частотой в 1 миллион кадров в секунду потребуется канал передачи с пропускной способностью около 1 гигабайта в секунду.
При повышении частоты кадров в 2000 раз (как в видео выше), потребуется канал с пропускной способностью уже в 2 терабайта в секунду. Это, скажу я вам, немало.
А для HD разрешения счёт пойдёт уже на единицы петабайт в секунду.
Инженерные фокусы
Если сделать некоторые допущения, то частоту кадров и детализацию можно поднять на несколько порядков (относительно существующих камер).
Например мы собираемся заснять процесс, который можно повторять раз за разом в точности. Тогда мы можем снимать разные участки сцены по очереди в каждом цикле, что снизит требования к пропускной способности и стойкости к шумам в тысячи раз.
И вот у нас есть множество видеороликов размерами 1х1 пиксель с нужной частотой кадров, которые останется только склеить в один с высоким разрешением.
Зеркало
Чтобы направлять свет из разных частей сцены на фотоэлемент, можно использовать поворотное зеркало.
Конструкция очень проста и позволяет сканировать всю сцену с нужной детализацией.
Такой процесс называется сканированием с построчной развёрткой.
Оптика
Тут особо нечего объяснять, просто пара линз фокусируют свет после зеркала на фотоэлемент.
Можно почитать на википедии про оптической объектив, если интересно.
Фотоэлемент
В качестве сенсора автор ролика использует вакуумный прибор под названием фотоумножитель:
Между электродами этого прибора постоянно протекает небольшой электрический ток в виде электронов, испускаемых материалом катода (отрицательного электрода). При попадании на этот электрод фотона (частицы светового излучения), его энергия передаётся электроду и поток электронов из катода увеличивается, пропорционально увеличивая протекающий электрический ток.
В таких приборах используются несколько усиливающих каскадов, в которых поток электронов предыдущего каскада усиливает электрический ток в следующем каскаде.
Фотоумножители могут быть настолько чувствительными, что реагируют на попадание даже одного фотона (минимальной единицы световой энергии). По этой причине у автора видео были некоторые сложности с зашумлённым сигналом датчика даже ночью с заклеенными окнами гаража.
Получение данных
Чтобы превратить аналоговый сигнал от датчика в цифровые данные в компьютере, использовался обычный осциллограф с частотой измерения в 2 ГГц (2 миллиарда в секунду) или 2 гигасэмпла в секунду. Осциллограф может начать запись измеряемых данных по триггеру, которым может быть, например, импульс от электрической цепи, включающей лазер в снимаемой сцене.
В полном ролике можно увидеть немного орочьих технологий для получения такого импульса осциллографом на один вход (у осциллографа в видео частота измерения в 2 ГГц обеспечивалась только при измерении одним входом, при измерении двумя она уже делилась пополам и составляла 1 ГГц на каждый вход).
Затем простая программа на компьютере получает данные из осциллографа и собирает однопиксельные видео в полноценный ролик.
Возможно у кого-то из вас всплывёт в памяти ролик про фемтосекундную камеру из 2011 года, и кое-что схожее в этих двух системах есть.
Правда камера тут использовалась сложнее и она способна за один раз записывать целую строку видео, а не один пиксель. К тому же с частотой кадров ещё в 500 раз выше.
Дополнительные пояснения
Конечно же в обоих роликах мы видим не само излучение лазера, а свечение частиц пара и пыли в воздухе или взвеси в воде бутылки, которые уже излучают свои фотоны под действием энергии фотонов лазера.
В первом ролике с лучами (не с фемтосекундной камерой) нет цвета, все видео изначально в оттенках серого и просто покрашены в цвет излучения лазера, которое имеет строго одну длину волны и, соответственно, цвет. Поэтому даже после всех переотражений сцена будет освещена одним цветом и записывать цветное видео этой сцены не требуется.
Подписывайтесь на мемовый канал, ставьте лайки, а я и дальше буду корчить из себя научпоппера.
Комментарии (22)
DrMefistO
05.11.2025 12:22Интересные времена настали: на хабре обсуждают ролики с ютуба... Не то что бы это плохо, но сколько таких "статей" можно ещё наделать, боюсь представить
Aelliari
05.11.2025 12:22Я считаю что этот ролик достоин внимания, и не важно где он был размещен. Даже если был не ролик, а статья размещенная в другом месте - это бы ничего для меня не изменило
Sulerad
05.11.2025 12:22Осциллограф может начать запись измеряемых данных по триггеру,
Справедливости ради, в ролике сделано наоборот — осциллограф завершает запись данных по триггеру.
Потому что если сигнал о начале записи будет подавать лазер, то этот сигнал дойдет немного позже света от того же самого лазера и никакой хорошей картинки не получится. Поэтому автор сделал обратную вещь — сигнал о завершении записи появляется одновременно с включением лазера и идёт к осциллографу через два мотка провода (200 метров), которые дают достаточно задержки, чтобы успеть заснять всю сцену.
roach1967
05.11.2025 12:22Попалось это видео почти сразу, как вложили. В голове сразу отложилось, что автору видео приходилось решать проблемы, которые сам-же и создавал.
Во первых, зачем использовать вертикальную конструкцию. Лучше закреплять и сканирующую систему и фотодатчик на массивной горизонтальной плите.
Во вторых, зачем такое огромное зеркало, если замер не по всему полю, а только одной точки.
В третьих, управлять одним зеркалом сразу по двум осям не совсем удобно. Можно посмотреть, как устроены сканаторные головки от лазерных гравёров. Или даже просто купить готовую. Два зеркала, каждое со своей осью поворота.
В четвёртых, у ФЭУ в стандартном аналоговом режиме быстродействие (для его задач) не столь большое. Надо переводить в одноэлектронный режим: это когда один фотон - один импульс. При этом энергия выходного импульса (считай площадь) прямо пропорциональна энергии фотона. (Хотя в его случае при использовании импульсного монохромного лазера не актуально.) Правда пришлось-бы отказаться от регистратора в виде готового быстродействующего осциллографа, и создавать свой. Например на основе какой нибудь ПЛИСине (PLD - Altera, Xilinx и т.д.)
Kircore Автор
05.11.2025 12:22Во вторых, зачем такое огромное зеркало, если замер не по всему полю, а только одной точки.
Больше апертура - больше света попадает в детектор.
Shura_m
05.11.2025 12:22Если прочитать внимательно, то станет ясно, что речь идет о 2 000 000 000 ПИКСЕЛЕЙ в секунду.
Если перевести на кадр 720*1280, то получим скорость в 2170 кадров в сек.
То же не мало, но маркетинг- от такой....
xFFFF
05.11.2025 12:22Нет, записывается именно 2 000 000 000 кадров в секунду, но за одну итерацию записываются значения только для 1 пикселя. Для получения полного видео нужно повторить процедуру 1280*720 раз, и объединить все пиксели.
Moog_Prodigy
05.11.2025 12:22Это получается, если делать один кадр в секунду и все на автомате, то непрерывно потребуется сделать почти миллион записей в течение 11 дней.
LinkToOS
05.11.2025 12:22Целую секунду снимать не нужно. Длительность каждого ролика 0,0000001640 секунды. (расстояние которое проходит луч деленное на скорость света) На видео показан секундомер.
Moog_Prodigy
05.11.2025 12:22Ага луч то проходит, а зеркало повернуть это почти вечность в сравнении. Тут еще зеркало такое здоровенное.
Aelliari
05.11.2025 12:22только для 1 пикселя
Ещё и с поправкой на то, что фотоэлектронный умножитель - все таки не сенсор камеры
LinkToOS
05.11.2025 12:22Все таки описание процесса съемки недостаточно подробное, хоть и с картинками.
Картинка со "сканированием с построчной развёрткой" возможно вводит в заблуждение. Это немного другое.
navferty
Самое интересное в этом ролике, имхо, было про синхронизацию. Без неё, если наснимать просто множество "однопиксельных видео", то из них можно собрать какой угодно видеоролик. Но чтобы получить что-то приближенное к реальности, нужно синхронизировать каждый кадр каждого пикселя с задержкой от лазерного импульса. И там довольно любопытные моменты - например, нужно учитывать что из разных точек свет до камеры идёт разное расстояние. Также нужно было учитывать задержку сигнала в кабелях: в духе "я взял 200 наносекунд кабеля".
LinkToOS
Это похоже на "чтобы задать вопрос, нужно знать большую часть ответа". Чтобы сфотографировать процесс, нужно заранее знать о нем очень много, и иметь возможность повторять его с абсолютной точностью нужное число раз. При таких условиях его можно просто нарисовать. Фотография здесь скорее ради спортивного интереса.
fongostev
Так всегда. Если у Вас эргодический процесс, то есть нет суровых нелинейностей с большими временами релаксации, то фотографируя с разным сдвигом разные реализации процесса, Вы можете восстановить общий ход течения процесса в динамике. Например, Кэкак рассеивается свет в веществе, как нагревается вещество, как проходит ударная волна и тд. Всё это потом можно сравнить с результатами симуляций и уточнить модель и теорию, ведь главный критерий истины - всё-таки эксперимент.
fongostev
В триггерной методике это всё не особо важно. Когда Вы собрали фиксированную конфигурацию установки со всеми кабелями, то дальше остается только калиброваться на относительно мощный сигнал и ловить временную корреляцию между опорным импульсом (например, импульс запуска лазера или выход синхроимпульса от него же) и импульсом сигнала на ФЭУ. Когда пойман пик корреляции - дальше уже дело техники и не самой сложной программной обработки. Судя по тому, что он не использовал специализированных корреляторов, а только не самый быстрый осциллограф, точность корреляции у него не лучше 1нс, это примерно 33 см пространственного разрешения. Судя по осциллограмме, импульс от ФЭУ длинный, с фронтом несколько десятков нс, добавляем еще порядок на быстродействие детектора. То есть явно будет значимое для пространственного разрешения блуждание импульса по времени, но это неважно, так как угловые координаты определяются зеркалом, и системе не надо точно определять расстояние, а только энергию. Для этой задачи высокая временная точность не нужна, надо только отстроиться по амплитуде от шумов и ловить по времени импульс сигнала от конкретного синхроимпульса. Это можно было бы сделать и на 100МГц осциллографе. Интереснее посмотреть на его циклограмму временных сдвигов для захвата всего кадра.
Еще пока писал, обнаружил пару неточностей:
Ни о какой частоте измерений 2ГГц речи нет, на скрине идет 2кГц, это типично для короткоимпульсного диодного лазера.
2ГГц полосы и 2гигасемпла - это всё-таки немного разные вещи.
График выглядит мохнатым из-за того, что-то результат наложения множества реализаций, без этого была бы кривулина как на следующей картинке.
Осциллограф на 2ГГц, если он действительно на 2ГГц - не обычный, а ОЧЕНЬ дорогой прибор.
tklim
Где и зачем вы взяли 2кгц ? Что такое "частота измерений"?
В остальных видео автора (также в первой версии ролика, где 1М кадров в секунду) используется относительно простой осциллограф с 1Gsps (долларов 500 стоит всего). И при такой частоте дискретизации получается 1 кадр/нс. Сами процессы процессы включения/выключения лазера, регистрация приемником действительно медленнее, но это абсолю не мешает тому что итоговое видео получается именно с такой частотой кадров.
Kircore Автор
Измерений чего? Осциллограф сэмлирует сигнал аналогового прибора с частотой 2 ГГц, всё на видео.
От 50 тысяч на озоне. Немного выше минимальной стоимости настольного осциллографа.
Не знаю к чему остальная вода, если вся конструкция не заявлялась измерительным прибором и вполне работает с указанными характеристиками (снимает с частотой 2 миллиарда кадров в секунду).
Aelliari
Вероятно человек спутал полосу пропускания и частоту семплирования. 2 ГГц на полосу пропускания - доорого, 2 Гигасемпла - вполне подъемно. Тут второе
Aelliari
Не учитывалось, там в видео с другим ракурсами видно что при отдалении-приближении от камеры луч меняет скорость. Чем ближе к «детектору» - тем быстрее