随着低成本CMOS圖像傳感器的出現，高速相機正變得越來越普及。這些相機正越來越多地出現在包括科學、運動分析和汽車碰撞測試等諸多應用中。
然而，該如何決定哪種類型的高速相機最适合特定應用呢？在此之前，我們必須仔細考慮諸如幀率、分辨率、存儲容量，以及相機到計算機之間的接口類型。同樣重要的是，還要考慮相機可以支援哪種類型的鏡頭、采用哪種類型的照明能産生最高對比度的圖像。
快門速度
由于高速成像應用通常是高度特定化的，是以需要平衡好這些技術參數，才能選出最具成本效益的相機。兩個最重要的考慮因素是相機的最小快門速度和最大幀率。
雖然快門速度是單幅圖像的曝光時間，但是最大曝光時間永遠不能超過1/幀率。1/1000秒的快門速度，并不與1000fps的幀率直接相關，因為可以在每幀1/1000秒的曝光時間下，将相機的幀率設定為較慢的速率（例如30fps）。
是以，使用1/1000秒的曝光時間和30fps幀率，與曝光時間1/500秒和相同幀率（30fps）作比較，由于每幀曝光的時間更短，運動模糊将減至最小，結果前者拍攝出的圖像相對更為清晰。
如果選擇使用快速曝光時間，很可能需要增加對被拍攝物體的照明。
“對于圖像中任意想要得到的對比度，如果曝光時間減半，無論傳感器的靈敏度如何，照明強度都需要加倍。換句話說，為了獲得同樣的成像效果，如果将曝光時間縮短一半，就必須将照明強度翻倍。你需要在一半的時間内以，相同數量的光子撞擊傳感器，以獲得同樣光照的圖像。”Vision Research公司（www.highspeedcameras.com）市場營銷副總裁RickRobinson說道。
盡管使用快速透鏡可以捕獲到更多的光，高速相機中探測器的靈敏度也是同等重要的考慮因素，因為随着靈敏度的提升，曝光時間可以減少。
ISO标準
一些高速相機制造商使用國際标準化組織（ISO）的标準來規定該靈敏度。雖然ISO12232定義了三種方法來測量ISO靈敏度，但最常用的做法是将靈敏度與相機系統飽和所需的曝光度互相關聯。于是，此項ISO值可以用來确定相機的标稱曝光時間和/或照明要求。關于如何得到該數值、其數學描述又是如何，詳情可登入網址www.bit.ly/1MMKUnN進一步了解。諸如Imatest公司（www.imatest.com），它們使用這種基于飽和度的ISO靈敏度（Ssat）标準，來測量與能讓傳感器或相機系統飽和的亮度級别相關的靈敏度。該值被Photron（www.photron.com）公司用在其FASTCAMSA-Z相機産品中（見圖1）。FASTCAM SA-Z是一款12位1024×1024分辨率的高速相機，運作幀率可達20,000fps，ISO靈敏度分别為ISO50000（單色）和ISO 20000（彩色）。Vision Research公司提供Phantomv1612高速相機，其具有ISO 32,000單色日光靈敏度。
圖1：Photron公司的FASTCAM SA-Z是一款12位1024×1024分辨率的高速相機，運作幀率可達20,000fps，ISO靈敏度分别為ISO 50,000（單色）和ISO 20,000（彩色）。
Photron公司市場營銷總監AndrewBridges表示，“一些制造商使用‘T’和‘D’來描述ISO感光靈敏度；‘T’代表鎢絲燈，移除紅外濾光片可獲得較高的值，較低的‘D’代表日光值，通過采用已釋出的ISO 12232 Ssat标準來獲得。”Bridges補充道，“通過移除IR濾光片，更多的光子可以轉換為信号，将ISO‘T’值提升到使用者無法實作的水準。”
在這種相機中，在圖像傳感器上使用色彩濾鏡陣列（CFA），将減少在每個照相位置處捕獲的光的數量，進而降低ISO等級。然而，ISO标準可以用于确定相機的靈敏度，但它與圖像品質無關，因為提高相機增益可以用于增加ISO速度，但要以增加圖像噪聲為代價。
提高靈敏度
為了提高高速相機的靈敏度，許多制造商使用具有高量子效率和高填充因子的成像器。出于這點考慮，很多高速相機制造商選用具有大像素尺寸的成像器。例如在i-Speed 726相機（見圖2）的設計中，英國iXCamera公司（www.ix-cameras.com）使用定制的CMOS 2048×1536像素成像器，像素尺寸為13.5μm，在全分辨率下拍攝，能夠以8,250fps的幀率運作，相機的最大ISO靈敏度為40,000（單色）和14,400（彩色）。
圖2：在i-Speed 726相機中，iXCameras公司使用定制化CMOS2048×1536像素成像器，像素尺寸為13.5μm。
盡管增加像素尺寸可以提高相機的靈敏度，但是它們對所捕獲圖像的分辨率具有一定的負面影響，因為是以線-對/毫米（line-pairs/mm）來測量的，那麼較大像素相對較小像素的分辨率會略低。然而在很多高速成像應用中，這點可能不做重點考慮。
幀率
當選擇一款高速相機時，除了要考慮相機的靈敏度這一重要參數外，相機的幀率也是一項需要考慮的重要參數。為了提高幀率，采用CCD或CMOS成像器的相機制造商會使用不同的技術。針對CCD相機，使用一種稱為局部掃描的技術，從成像器的中心部分讀取可變帶（variable band），減少從CCD的每個像素輸出電荷的需要，進而增加幀率。
而在使用CMOS成像器的相機中，該感興趣區域（ROI）的寬度和高度都可以變化，增加了可獲得幀率的靈活性。例如，在Q-MIZE HD v2相機的設計中，瑞士AOS Technologies公司（www.aostechnologies.com）使用一個1920×1080CMOS成像器，其允許相機在多種模式下工作——在1920×1080分辨率下，可獲得1,000fps的幀率；在1024×1024、1280×720和853×480分辨率下運作時，相機可獲得的拍攝幀率分别為2000fps、2500fps和5000fps。
捕獲圖像資料
當相機在高幀率下工作時，圖像資料要麼在相機上捕獲，要麼通過高速接口傳送到主機。在那些需要便攜相機和非連接配接相機的應用中，相機必須捕獲到相對較長時間内的圖像序列。然而在高速應用中，這種“較長時間”可能僅有幾秒鐘，因為相機可以在特定時間點被觸發、捕獲一個事件的圖像。
對于其他應用，可以在相機上捕獲更長時間段内的圖像資料。諸如Fastec Imaging公司（www.fastecimaging.com）公司推出的TS5-D便攜式高速相機，其使用2560×2048CMOS成像器，能以634fps的幀率捕獲全分辨率高清圖像，并存儲到8GB記憶體中（見圖3）。為了将這些圖像以大約20GB/min的速度存儲到相機闆卡上，相機的内部硬碟容量必須高達1TB；或者，相機直接将這些圖像資料存儲到SSD卡上（720p@520fps），這大約需要花上35分鐘的時間。相機的千兆以太網端口（GigE）允許圖像序列以高達90MB/s的速率傳輸到主機上，用于後期分析。
圖3：Fastec Imaging公司的TS5-D高速相機，使用2560×2048CMOS成像器，能以634fps的幀率拍攝全分辨率高清圖像，并将圖像資料存儲到相機的8GB記憶體中。
如同Fastec Imaging一樣，德國Mikrotron公司（www.mikrotron.de）也提供了一系列便攜和非便攜式高速相機。例如，Mikrotron公司的EoSens4CXP相機，采用CoaXPress（CXP）接口，能以超過2000fps的幀率拍攝分辨率為2336×1728的圖像（640×480 ROI模式），并以高達25Gbit/s的速率将圖像資料傳輸到位于100米以外的主機上。
自2006年以來，Vision Research公司就提供了其CineMag接口，其能在相機上實作1G像素/秒的資料存儲率。這樣，相機能以1000fps的幀率捕獲一百萬像素的圖像，然後通過10Gbit/s以太網接口将圖像資料傳輸到計算機，用于後續下載下傳。
今天，高速相機被廣泛用于許多科學、工業、航空和汽車應用領域。為了滿足這些應用需求，雖然許多高速相機制造商在其設計中使用了定制的多抽頭CMOS成像器，但是随着具有更快資料速率的成像器不斷湧現，已經使低成本的高速相機開始進入各個應用領域。
原文在英文版2016年5月刊