Способы измерительной киносъемки.

Каждый новый объект ис­следования, как правило, выдвигает новые задачи, которые могут быть решены различными способами.

Основываясь на опыте применения киносъемки в измерительных целях, мы наметим пока лишь условно четыре способа измеритель­ной киносъемки: однокамерный, многокамерный, стереоскопический и кинотеодолитный.

Однокамерный способ. Если движение изучаемого объекта про­исходит в одной плоскости, которая параллельна плоскости кино­пленки в кадровом окне киноаппарата, то по материалам киносъем­ки, полученным с одной съемочной точки, можно определить мно­гие количественные данные. Рассмотрим несколько примеров такой измерительной киносъемки.

На первом примере (рис. 18-4) показан результат анализа дви­жений спортсмена, выполняющего прыжок с шестом через рейку.

 

 

Рис.18-4

 

По изображениям ки­нокадров воспроизведены положения спортсмена че­рез равные промежутки времени и получена тра­ектория его движения. Масштабной рейкой в данном случае является шест, на котором нанесе­ны деления.

Зная масштаб изобра­жения, измеряют отрезки пути, проходимые спортсменом за известные ин­тервалы времени. По этим данным определяют ско­рость движения спортсмена и ускорения на любых участках траектории его движения, а также вычисляют другие па­раметры прыжка (мускульная сила, кинетическая энергия, работа).

Другой пример измерительной киносъемки, выполненной одним киноаппаратом, изображен на рис. 18-5. Здесь киносъемка примене­на для изучения прыжка парашютиста при малой высоте полета самолета.

Киносъемочный аппарат был установлен на определенном рас­стоянии от наземного ориентира, над которым должен пролететь самолет, а парашютист — отделиться от самолета. Главная оптическая ось объектива киноаппарата была направлена перпендикулярно курсу полета самолета. Масштаб изображения определялся по из­вестной длине самолета и фокусному расстоянию объектива кино­аппарата.

Покадровый анализ кинофильма дал возможность восстановить траекторию, по которой происходил спуск парашютиста, и измерить отрезки пути, проходимые парашютистом за известные промежутки времени.

По траектории снижения парашютиста установлена величина потери высоты до полного раскрытия парашюта и начала спуска с раскрытым парашютом. Определено время раскрытия парашюта и скорость движения парашютиста на разных участках траектории и при приземлении.

Третий пример (рис. 18-6) показывает, что данный способ из­мерительной киносъемки может быть применен также и в случае, когда изучаемый объект и киносъемочный аппарат движутся с оди­наковой скоростью в одном и том же направлении.

 

Рис. 18-5. Траектория парашютиста, полученная по материалам киносъемки

 

В данном случае измерительная киносъемка применена при испытании катапультного устройства для покидания самолета лет­чиком при большой скорости полета. Определение масштаба изображения, как и в предыдущем случае, производилось по известной длине самолета и фокусному расстоянию объектива. Разумеется, при определении истинной скорости движения катапультного крес­ла с летчиком необходимо учесть скорость полета самолетов.

Многокамерный способ измерительной киносъемки заключается в том, что она производится с двух или трех взаимно перпендику­лярных направлений двумя или тремя синхронно работающими киноаппаратами (рис. 18-7). Этот способ съемки применяется при

 

изучении полета птиц и насекомых, при исследованиях моделей самолетов в полете на режиме штопора в вертикальной аэродина­мической трубе, а также при исследованиях многих других объек­тов, движения которых не могут быть упорядочены.

Для упрощения последующего анализа кинокадров позади изучаемого объекта устанавливают щиты с координатной сеткой. Если киноаппараты имеют хорошее стояние кадра, то координат­ную сетку можно снять предварительно на ту же кинопленку, на ко­торую затем будет производиться съемка объекта.

Одновременно киносъемка с разных направлений может про­изводиться также и одним киноаппаратом с применением системы зеркал. На рис. 18-8 изображена схема установки для изучения полета двукрылых насекомых (пчел, шмелей, мух, комаров, саран­чи и т. п.). Исследования проводят в миниатюрной аэродинамиче­ской трубе, в рабочей части которой создаются условия, благопри­ятные для полета исследуемых объектов (освещенность, температу­ра, влажность). Через 15—30 мин после включения вентилятора и взлета насекомого устанавливается «стационарный» режим полета, во время которого производится киносъемка высокоскоростным ки­ноаппаратом с трех взаимно перпендикулярных направлений.

Три осветительных прибора: Л₁, Л₂ и Л₃ —с импульсными лам­пами и конденсорами, формирующими параллельные пучки свето­вых лучей, образуют на трех участках полупрозрачного экрана Э силуэтные изображения исследуемого насекомого в трех проек­циях (сбоку, снизу и сзади). Лампа Л₄ освещает щель, перекры­ваемую колеблющейся ножкой камертона. Изображение этой щели образуется на четвертой части кадра. Перекрытия щели ножкой камертона служат для отметки времени.

 

Рис. 18-7. Схема измерительной киносъемки с трех взаимно перпендикулярных направлений

 

Расшифровка материалов киносъемки и восстановление положе­ний корпуса и крыльев насекомого осуществляются путем сравне­ния силуэтных изображений, полученных на кинопленке, с силуэт­ными изображениями увеличенной модели насекомого. Измерения производятся с помощью координатника на модели. По материа­лам киносъемки определяются также временные характеристики взмахов крыла.

Стереоскопический способ. Когда объект съемки движется не параллельно плоскости кинопленки в кадровом окне киноаппарата, а по некоей.пространственной траектории, необходима стереоскопи­ческая киносъемка, которая дает возможность восстановить форму траектории и определить скорости движения объекта в простран­стве.

Стереоскопическая киносъемка, то есть одновременная съемка одного и того же объекта с двух точек (двумя одинаковыми объективами), по сравнению с обычной киносъемкой одним киноаппара­том является процессом более сложным. При стереоскопической киносъемке необходимо скомпоновать кадр в трех измерениях, и не всегда точка съемки, приемлемая для обычного кадра, может совпадать с точками съемки стереоскопической пары кадров.

Оптические оси объективов должны быть параллельны между собой и перепендикудярны линии базиса съемки. Величина съемоч­ного базиса является исходной величиной при последующих вычислениях координат объекта, а поэтому должна быть замерена точно при съемк. Обязательным условием измерительной стереоскопической киносъемки является наличие на кинокадрах главной точки картины — точки пересечения оптической оси объектива киноаппарата (главного луча перспективы) с плоскостью кадра. От степени точности, с которой определено положение главной точки картины каждого кадра, зависит непосредственно и точность производимого затем количественного анализа графическим способом.

Измерительная съемка стереокиноаппаратом, на­пример 70СКД, имеющим
максимальный базис съемки 110 мм, возможна при небольших расстояни­ях до объекта. Чем боль­ше расстояние до объекта, тем больше должен быть

базис съемки, чтобы получить в изображениях стереопары такие параллаксы, которые можно измерить с доста­точной точностью. Для съемки удаленных объектов может потре­боваться базис, равный нескольким метрам (рис. 18-9).

При базисе съемки менее 1 м можно применять киноаппарат со специальными большими стереоприставками. Если же съемоч­ный базис больше 1 м, измерительная стереокиносъемка произво­дится двумя киноаппаратами, связанными одним общим валом или приводимыми в движение синфазными электродвигателями. Установка киноаппаратов и их взаимное ориентирование произво­дится с помощью геодезических инструментов.

 

 

Рис.18-8 18-9 Схема установки для изучения полета насекомых с помощью киносъемки.

 

Метрическое дешифрирование материалов измерительной сте­реоскопической киносъемки производится геометрическим или гра­фическим способом.

Схема геометрического определения координат положения точ­ки в пространстве с помощью стереоскопической съемки изображе­на рис. 18-10. Здесь N — точка, пространственное положение которой нужно определить; В_с — базис съемки; О_а и О_в — центры объективов, образующих левый и правый кадры стереопары.

Рис. 18-10. Схема геометрического определения положе­ния точки в пространстве по изображениям стереопары кадров

 

Точку пересечения главной оптической оси объектива О_а с пер­пендикулярной ей вертикальной плоскостью, в которой лежит ис­комая точка N, примем за начало координат (X, Y, Z). Тогда ли­ния N'₁O_a (совпадающая с главной оптической осью левого объек­тива) будет являться направлением по оси Z. Вертикаль, проходя­щая через точку N (линия NN₁), будет направлением оси Y, а горизонталь, параллельная съемочному базису В_с, — станет направ­лением оси X.

Из подобия треугольников O_aN₁O_в и п_вО_вт можно определить отстояние точки N, определяемое как расстояние от центра проек­ции левого объектива О_а до вертикальной плоскости, проходящей параллельно линии базиса через точку N:

Z=В_с f /р (18-5)

где f — фокусное расстояние объектива; В_с — базис съемки; р= х – x₁ — горизонтальный параллакс точки N на изображениях стереопары. По этой формуле может быть определено отстояние любой точки снимаемого объекта от вертикальной плоскости, про­ходящей через съемочный базис.

Из подобия треугольников Nʹ₁O_aN₁ и аО_а п_а замечаем, что рас­стояние X от точки N до вертикальной плоскости, проходящей че­рез оптическую ось левого объектива, может быть определено, как

Х =Zx/f (18-6)

где х — горизонтальная координата изображения точки N на левом кадре стереопары. Подставив в полученное выражение (18-6) вели­чину Z, получим:

X = B_cx/p (18-7)

Эта формула определяет вторую пространственную координату точки N.

Аналогично из подобия треугольников NʹO_aN₁ и аО_а п_а опреде­ляется расстояние Y от точки N до горизонтальной плоскости, про­ходящей через оптическую ось левого объектива:

Y = Zy/f (18-8)

где у — вертикальная координата точки N на левом кадре сте­реопары.

Подставив в это выражение величину Z из формулы (18-6), по­лучим третью пространственную координату точки N, определяю­щую ее положение по вертикали:

Y = B_cy/p (18-9)

Таким образом, зная положение базиса съемки, его величину, фокусное расстояние объективов и измеряя параллаксы соответ­ственных точек изображений стереопары, можно определить пространственные координаты снятого объекта. Анализируя после­довательные стереопары кадров кинофильма, представляется воз­можность воспроизвести траекторию движения снятого объекта в пространстве.

Графический способ восстановления положения предмета в пространстве по изображениям стереопары кадров основан на тео­рии перспективы. При этом решается обратная задача перспекти­вы – построение ортогональных проекций предмета по двум перспективам.

Кинотеодолитньй способ применяется для определения пространственных координат и восстановления траектории движения объектовна большом удалении и имеющих боль­шую скорость (самолеты, вертолеты и др.).

Кадры кинотеодолитной съемки пока­заны на рис. 18-11.

Два или три кинотеодолита, установленных на определенном расстоянии друг от друга и соединенных электрическими кабелями

 

Рис. 18-12. Схема кинотеодолитной съемки

Рис. 18-11. Кадры кинотеодолитной съемки

 

между собой и центральным пунктом управления, составляют кинотеодолитную станцию (рис. 18-12). Нормальное расстояние меж­ду кинотеодолитами (базис) обычно равно ¼…1/5 среднего расстоя­ния до объекта. Необходимо, чтобы кинотеодолиты были установ­лены на одном уровне, так как неодинаковое расположение их по высоте значительно усложняет вычисление координат объекта в пространстве.

Для определения пространственных координат объекта доста­точно двух кинотеодолитов. Однако в кинотеодолитную станцию,

 

Рис. 18-13. Схема определения координат точки Р с помощью кинотеодолитной съемки

Рис. 18-14. Кадр теодо­литной съемки с кодом

 

как правило, входят три кинотеодолита. Во время работы объект съемки для одного из кинотеодолитов может оказаться против солн­ца или за облаком. Кроме того, может быть такое положение объ­екта относительно точек базиса, при котором оси визирования пе­ресекаются под острым углом. В этом случае даже небольшие неточности определения углов могут привести к значительным ошибкам в определении координат объекта.

Во время работы все кинотеодолиты непрерывно наводятся на объект и производится синхронная съемка с двух точек. Если пре­следуемая цель несколько уйдет с точки пересечения нитей в визи­ре, то это будет зафиксировано на кинопленке и в дальнейшем учтено при анализе материалов съемки.

Вычисление координат и построение траектории движения объ­екта в пространстве производится на основе следующей схемы (рис. 18-13). Если объект, координаты которого нужно определить, находится в точке Р и засечки его произведены кинотеодолитами из точек S₁ и S ₂, то пространственные координаты точки Р опреде­ляются из уравнений.

Имеются кинотеодолиты, в которых регистрация углов азимута и места, а также номеров кадров производится в кодированном ви­де (рис. 18-14). Дешифрирование такого фильма выполняется на киноанализаторе, связанном со счетно-решающим устройством и перфоратором, который автоматически считывает кодированные данные и поправку допущенной при съемке неточности визирова­ния. Дешифровщик устанавливает легко скользящую сетку экрана киноанализатора на нужную точку изображения и нажимает ногой на педаль, включающую перфоратор, на что затрачивается не бо­лее 2 с. Перфокарты поступают затем в электронно-вычислитель­ную машину, которая выполняет расчетные операции по определе­нию пространственных координат объекта.