これ１つでハイスピードカメラがわかる！使える！ハイスピードカメラの基礎知識

これ1つでハイスピードカメラが わかる！使える！ ハイスピードカメラの 基 礎 知 識 1

■ 目次・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・P2 1. ハイスピードカメラの基礎 ■ ハイスピードカメラとは・・・・・・・・・・・・・・・・・P3 ■ ハイスピードカメラの種類と選び方・・・・・・・・・・・・P4 ■ ハイスピード撮影の流れ・・・・・・・・・・・・・・・・・P5 2. ハイスピード撮影の準備 ■ ハイスピード撮影に必要なもの・・・・・・・・・・・・・・P6 3. ハイスピードカメラの設定 ■ 撮影速度とは・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・P7 ■ 撮影速度の決め方・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・P8 ■ 空間分解能（解像度）とは・・・・・・・・・・・・・・・・P10 ■ シャッター速度とは・・・・・・・・・・・・・・・・・・・P11 ■ トリガ設定・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・P12 4. 撮影した映像の活用 ■ 画像解析・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・P13 ■ ハイスピードカメラ比較表・・・・・・・・・・・・・・・・・P14 2

1.ハイスピードカメラの基礎 ハイスピードカメラとは ■ ハイスピードカメラとは 一般に、1秒間に1,000コマ以上撮影できるカメラを「ハイスピードカメラ」といいます。 スマートフォンで撮影 (30fps相当） コマ数が足りず、インパクトの瞬間が見えない ハイスピードカメラで撮影 インパクトの瞬間のゴルフクラブの様子が (5,000fps） 詳細に観察できる！ ハイスピードカメラで撮影すると 目には留まらない高速の現象を高画質の映像で「可視化」できます。 ■ ハイスピードカメラが使われる分野 ハイスピードカメラはさまざまな分野の研究開発で使われています。 映像計測ムービーライブラリー ハイスピードカメラで撮影したさまざまな 動画を掲載しています。 https://www.nacinc.jp/analysis/demo- movie/standard_shooting-m/ 3

1.ハイスピードカメラの基礎 ハイスピードカメラの種類と選び方 ■ ハイスピードカメラの種類 ハイスピードカメラは機種によりさまざまな特長があります。 一体型・小型モデル スマートモデル MEMRECAM Q2m MEMRECAM GO 約62mm立方の小型サイズながら、 無線操作やバッテリー駆動に対応し、 フルHD画質で2,000fpsの撮影がで いつでも、どこでも、誰でもカンタ きる高い性能を持ち合わせたモデル。 ンにハイスピード撮影できるモデル。 ハイエンドモデル 超小型モデル MEMRECAM ACS-1/ACS-3 μ-Cam 10,000fpsを超える高速域でも高画 約15mm角の人差し指サイズで、 質撮影ができるモデル。「ブースト 通常設置が難しい狭い場所でも モード」で150,000fpsでも高画質。 ハイスピード撮影ができるモデル。 マルチヘッドモデル 超高速モデル MEMRECAM MX ULTRANAC Tau/Neo 最大8台のカメラヘッドで同期撮影が 最大10億fpsの超高速撮影ができる 可能。カメラヘッドの種類も豊富で 特殊なモデル。 用途に合った組み合わせで撮影できる。 ■ ハイスピードカメラの選び方 撮影したい用途に適したハイスピードカメラを選ぶことでよりよい映像を撮影できます。 ハイスピードカメラを選ぶときのポイント 現象を撮影するのに足る時間分解能(撮影速度) 撮影速度と解像度 ・空間分解能（解像度）か。 (ハイスピードカメラは撮影速度が上がると解像度が下がる特性があります） 感度 撮影したい対象が十分な明るさで撮影できる感度を 有しているか。 カラー/モノクロ 色情報を含めて計測データが必要か、 定量的な計測を高精度に行いたいか。 メモリ容量 撮影したい時間が収まるメモリ容量か。 筐体サイズ 設置する場所に適したサイズか。 4

1.ハイスピードカメラの基礎 ハイスピード撮影の流れ ■ ハイスピード撮影の基本的な流れ ハイスピードカメラは基本的に下記の流れで撮影・計測を行います。 準備 ハイスピードカメラ・レンズ・照明など、 使用する機材を揃え、セッティングします。 設定 撮影速度やシャッター速度・トリガー タイミングなどの撮影設定を設定します。 撮影 対象となる現象に対して、トリガーなどで 同期して映像を撮影します。 記録映像の 撮影した映像を確認し、保存（ダウンロード） 確認 する範囲を選択します。 保存・変換 データをカメラからダウンロードします。 また、生データをAVIやTIFFなどに変換します。 検証・解析 解析を行う場合は、映像を解析ソフトに 取り込んで解析します。 Tips ハイスピードカメラで撮影したデータのうち、変換を行っていないものを 「生データ」「LAWデータ」と言います。 （ナック製ハイスピードカメラの場合、生データの拡張子は.mcf） 生データの特徴 ・明るさなどの画質調整があとからできる ・AVIやTIFFなどの形式に変換が可能。 ・データ容量が非常に大きい。 5

2.ハイスピード撮影の準備 ハイスピードカメラ撮影に必要なもの ■ 基本的な構成 レンズ ハイスピードカメラ 照明 制御用PC (専用ソフトウェア） 固定用三脚 Tips 「MEMRECAM GO」や「MEMRECAM MX」では、 PCを使わず、スマートフォンやタブレットから無線操作 できます。 ■ 特殊な撮影で使うもの 光学系や機器と組み合わせると、通常では撮影が難しい対象も撮影できるようになります。 二分岐光学系 特定の２波長の光を取り込み、１つの映像に映し出します。 多波長計測やモノクロカメラの温度解析などによく用いられます。 4波長を同時に取り込める「アルバプリズム」もあります。 イメージインテンシファイア 微弱な光や紫外線などで作られた像の明るさを増幅する装置です。 ハイスピードカメラに取り付け、近赤外～紫外域の高速現象を可視化できます。 燃焼やプラズマなどの現象の観察に用いられます。 ボアスコープ 耐熱・耐圧仕様を備え、外部から直接可視化できない部位を撮影する ときに使われる光学系です。 エンジン燃焼室内の噴霧や火炎の状況観察などに用いられます。 6

3.ハイスピードカメラの設定 撮影速度とは ■ 撮影速度とシャッター速度 ハイスピードカメラで撮影をする時、適切な「撮影速度」と「シャッター速度」を 設定する必要があります。 撮影速度 … 1秒に記録する画像の枚数の設定。 ・・・・・・・・・・ シャッター速度 … 画像１枚あたりの露光時間(1フレームの画像を記録する時に、 センサーが光を蓄積する時間)の設定。 ■ 撮影速度 …1秒間に何枚の画像を記録できるか。 「コマ/秒」や「fps(Frames par Second)」などの単位で表記されます。 例：1,000fps=1秒間に1,000枚分の画像を撮影 Tips 撮影速度は、「何秒間隔で画像を記録できるか」とも 言い換えられます。 例： 1,000fps → 1/1,000秒=1msごとに画像を記録する ■ 撮影速度の設定 観察したい対象に応じて適切な撮影速度を設定します。 撮影速度が足りないと… 撮影速度が速すぎると… ・現象に映像が追いつかず ・ほとんど変化のない映像になり 観察ができない データ容量が無駄に増えてしまう。 ・メモリ容量によっては現象が収まらなくなる。 観察したい対象に合った 撮影速度を設定する必要がある！ 7

3.ハイスピードカメラの設定 適切な撮影速度の決め方 ここでは、撮影速度を決める際の考え方を撮影対象別にご紹介します。 ■ 現象の形状や状態が変化する場合 (溶接/変形・破壊/燃焼/メカ挙動/スポーツ など） →現象の動きを10～200分割程度で捉えられる撮影速度を目安にして 決定します。 例）10ms継続する現象を200分割（200フレーム）して観察したいとき 10ms 200分割 (200フレーム) 10ms / 200分割 = 0.05ms = 50μs = 50/1,000,000秒 = 1/20,000秒 つまり、撮影速度を20,000fpsに設定すればよい。 ■ 被写体があるスピードで移動する場合 (飛翔体/噴霧/流体/移動物体/衝撃波 など） →現象のスピードがわかっている場合、撮影範囲内で ・現象の移動量を何分割（何フレーム）程度捉えるか ・現象の移動量を何画素（pixel）とするか により決定します。 例）100m/sで飛翔する物体が1mの 範囲を通過する様子を100フレーム分 100m/s 撮影したいとき 1 1m m / 100m/s = 0.01秒 0.01s / 100フレーム = 0.0001秒(100μs） =1/10,000秒 つまり、撮影速度を10,000fpsに設定すればよい。 8

■ 回転体の場合 (切削/メカ挙動 など） →回転角度に対応して撮影速度を決定します。 例）2,000rpm(回転/分)の回転体を 1°ごとに撮影したいとき ( 2,000rpm / 60 ) × 360° = 12,000 つまり、撮影速度を 12,000fpsに設定すればよい。 Tips 回転数(rpm)に対して1°毎の撮影をしたいときは、 回転数(rpm)×6 fps で撮影速度を計算できます。 ■ 画像解析を行う場合 (DIC/PIV/運動解析 など） 画像解析を行う場合、解析の目的に応じて最適な移動量で撮影することが重要です。 DICやPIVなどの場合 粒子やランダムドットの移動量が、 最大でも7～8pixel程度となるように 決定するのが理想。 運動解析の場合 追尾するターゲット（マーカー）が 次フレームできちんと認識できる撮影 速度にするのが理想。 数10～20pixel以下の移動量を目安に します。 9

3.ハイスピードカメラの設定 空間分解能（解像度） ■ 空間分解能 ハイスピードカメラの画像は、画素（pixel)で構成されています。 たとえば1,000mmのエリアを 1,000ピクセルで撮影した場合、 1ピクセルあたり1mmに相当します。 Tips 1ピクセルに相当する大きさ以下のものは解像できません。 また、1ピクセルに相当する長さ以下は計測できません。 *解析ソフトの処理アルゴリズムで1ピクセル未満の位置を計算する場合があります。 ■ 空間分解能と記録画素数の関係 空間分解能が同じときの比較 （1画素あたりの大きさを揃えた時） 空間分解能を揃えて比較すると、 記録画素数が多いほど、広い範囲 の視野を捉えることができます。 ▲画素数が少ないときの撮影範囲 ▲画素数が多いときの撮影範囲 空間分解能 大 撮影視野範囲(画角)が 同じときの比較 ▲画素数が多いとき 記録画素数が多いほど、同一の 視野でより高い空間分解能（解 空間分解能 小 像力）が得られます。 ▲画素数が少ないとき 10

3.ハイスピードカメラの設定 シャッター速度とは ■ シャッター速度 …１コマあたりの露光時間の設定。 1フレームの画像を記録する時に、センサーが光を蓄積する時間を設定します。 シャッター速度…遅（不適切） シャッター速度…速（適切） 露光時間が長すぎて 画流れ 画がボケる（画流れする）が、 映像は暗くなるが、 映像は明るくなる。 細部まで鮮明に観察できる。 Tips シャッターが開いている間の移動量が大きいと、画像がボケる 「画流れ」という現象が起こります。 ■ 適切なシャッター速度の設定 ハイスピード撮影では、なるべく画流れをしないよう適切なシャッター速度を 設定する必要があります。 １枚の画像の中で被写体が１画素を超えて移動すると、画流れが生じる 移動量が１画素未満となる露光時間が適切な露光時間。 ※画素をまたぐボケを考慮すると、移動量が1/3～1/2程度になる露光時間が理想。 Tips 撮影速度の1/5～1/10の露光時間が１つの目安です。 11

3.ハイスピードカメラの設定 トリガー設定 ■ ハイスピードカメラの記録の仕組み ハイスピードカメラはドライブレコーダーのように、メモリの範囲内で古い映像を新しいものに 上書きしながら記録し、トリガーの入ったタイミングで保存します。 トリガータイミング 保存範囲 Tips 保存できる時間は、メモリの最大容量や、 撮影速度・解像度・濃度階調の設定値によって変わります。 ■ トリガータイミングの種類 スタートトリガー …トリガーが入ってから後の映像を記録します。 ハイスピードカメラでは、トリガーが入った タイミングからどの範囲を保存するか 設定することができます。 センタートリガー Tips …トリガーが入る前後を同じ時間記録します。 「カスタムトリガー」を使用することで トリガーの前後を任意の割合で設定できます。 エンドトリガー …トリガーが入る前の映像を記録します。 Tips ハイスピードカメラではいくつかのトリガー入力方法があります。 ■ 手動 …手押しスイッチやソフトウェアを使って ■ イメージトリガー 手動でトリガーを入力します。 …映像上の指定範囲の輝度変化を ■ 電気信号入力 認識し、自動的にトリガー入力します。 ※対応していない機種もあります。 …試験装置やセンサーから出た信号を ピックアップし、トリガー入力します。 12

4.撮影した映像の活用 画像解析 ■ 画像解析とは ハイスピードカメラで撮影した映像の輝度情報をもとに、定量的なデータを 算出することができます。 ハイスピードカメラでの画像解析のメリット ・ 映像から現象を定量化できる ・ 映像から解析するので非接触で計測できる ・ ハイスピードカメラの映像なので高い時間分解能で計測できる ・ 映像から二次元の面情報としての解析ができる ■ ハイスピードカメラを使った画像解析 ひずみ・変位解析 デジタル画像相関法（DIC=Digital Image Correlation）を用いて、 映像から表面の変位や速度、最大/最小ひずみやひずみ速度などを算出 できます。また、周波数解析にも対応しています。 材料試験や落下試験、応力計測や衝撃試験などでよく使われます。 流体解析 粒子画像流速計測（PIV=Particle Image Velocimetry）を用いて、 流れ方向や流速を定量化解析できます。トレーサーを混ぜることで、 通常肉眼視できない透明な空気を可視化できます。2台のカメラを使う ことで、三次元解析も行えます。 温度解析 ２波長の発光強度の差から、700～2,800℃の温度を解析できます。 温度分布やヒストグラム、ラインプロファイルなどの出力に対応して います。溶接時の溶融池や、ディーゼル燃料の燃焼など、非接触で 温度解析が行えます。 運動解析 対象に取り付けたマーカーを自動で追尾し、対象点の位置や変位、速 度や角度、面積などを定量解析できます。結果をグラフや数値リスト などで出力できるほか、実映像と解析データを組み合わせた 動画ファイルで出力し、映像とデータを見比べて検証ができます。 ※他にもテーマや対象に合わせて多種多様な画像解析が行われています。 13

ナック製ハイスピードカメラ比較表 一体型 高速・高感度タイプ 高速・高感度タイプ スマートタイプ 小型・高画質タイプ 小型・高感度タイプ 最大解像度(Pixel) 1,280×896 1,280×896 1,008×896 1,920×1,080 640×480 (通常モード） (通常モード） フルフレーム ～54,000 ～14,000 撮影速度 ～12,000 ～2,000 ～8,000 （ブーストモード） （ブーストモード） (fps) ～100,000 ～30,000 モノクロ ISO 100,000 モノクロ ISO 100,000 モノクロ ISO 100,000 モノクロ ISO 32,000 モノクロ ISO 50,000 ISO感度 カラーISO 20,000 カラーISO 20,000 カラーISO 20,000 カラーISO 8,000 カラーISO 8,000 約175(W)×175（H） 約128(W)×128（H） 約128(W)×128（H） 約62(W)×62（H） 約62(W)×62（H） 筐体サイズ(mm) ×206(D） ×206(D) ×135(D) ×87.5(D) ×67(D) 最大メモリ（GB) ６４/128/256 16/32/64 16/32/64 8/16 4/8 ・高速度域でも、高画質 ・約4.5kgの軽量モデル での撮影が可能 ・10,000fpsで高解像度撮影 ・手のひらサイズの小型・ ・白黒HDR機能で ・手のひらサイズの小型・ ・撮影速度や有効解像度を上げ ・バッテリー駆動・Wi-fi接続で 軽量ボディ 幅広いダイナミック 軽量ボディ ることができる「ブーストモー 無線運用可能 ・フルHDで2,000fps 特長 レンジを実現 ・ISOモノクロ50,000の ド」を搭載 ・ブラウザ「GO-Touch」で まで撮影可能 ・「V-Pad」によりPCレスで 高感度モデル ・ISO100,000の高感度 カンタンに操作 ・カメラ本体にGセンサー タッチパネル操作可能 ・Lab VIEWにも対応 ・USB3.0Bで高速データ転送 ・ISO100,000の高感度 トリガ搭載 ・SSDへ高速データ転送 が可能 n-Box マルチヘッド ・ リアルタイム 転送 ・ 超高速 マルチヘッドタイプ マルチヘッドタイプ リアルタイム転送タイプ 超高速タイプ 超高速タイプ (M-Cam/M-Cam MFT) (C-Cam/P2-Cam/S2-Cam) (C-Cam/P2-Cam/S2-Cam) 1,920×1,080 640×480 640×480 最大解像度(Pixel) 1,000×860 1,000×860 (M2-Cam/M3-Cam) (μ-Cam) (μ-Cam) 1,280×1,024 640×456 640×456 (M-Cam/M-Cam MFT) (C-Cam/P2-Cam/S2-Cam) (C-Cam/P2-Cam/S2-Cam) フルフレーム ～2,000 ～1,000 ～1,000 撮影速度 500～2億 1,000～10億 (M2-Cam/M3-Cam) (μ-Cam) (μ-Cam) (fps) ～1,000 ～500 ～500 C-Cam C-Cam M-Cam/M-Cam MFT 50,000(モノクロ）/8,000(カラー） 50,000(モノクロ）/8,000(カラー） 32,000(モノクロ)/8,000(カラー) P2-Cam/S2-Cam P2-Cam/S2-Cam ISO感度 ー ー M2-Cam/M3-Cam 4,000(モノクロ）/1,000(カラー） 4,000(モノクロ）/1,000(カラー） 10,000(モノクロ)/2,000(カラー) μ-Cam μ-Cam 8,000(モノクロ）/2,000(カラー） 8,00０(モノクロ）/2,000(カラー） 約195(W)×60（H） 約195(W)×40（H） （画像入力ボード） 約１４２(W)×１６７（H） 約2３０(W)×2００（H） 筐体サイズ(mm) ×160(D)(本体） ×125(D)(本体） PCI Express Gen 2x8 ×６８０(D) ×7２０(D) M-Cam 4GB/8GB M-Cam MFT 8GB 記録枚数 記録枚数 最大メモリ 8GB (パソコンの容量に依存） M2-Cam 4GB 24フレーム 12フレーム M3-Cam 4GB ・最大2億コマ/秒で撮影が ・最大4台のカメラヘッドが ・最大10億コマ/秒で撮影が ・4ch/8ch接続可能 ・パソコンのメモリへ 可能な超高速デジタル 接続可能 可能な超高速デジタル ・用途に合わせて選べる 直接記録 フレーミングカメラ ・６種類のカメラヘッドに フレーミングカメラ 　５種類のカメラヘッド ・SDKによる独自の ・制御ソフトウェアで残像 特長 対応 ・最短1nsの長短時間露光 ・タブレット端末での プログラム構築も可能 補正・光学歪み補正に対応 ・小型・軽量のボディで、 ・紫外発光の現象にも対応 　無線制御が可能 ・６種類のカメラヘッドに ・試験ごとに速度が違う実験 狭所などでもより多くの ・光学式ビューファインダー ・衝突試験の法規に対応 対応 でも、適切なタイミングで カメラが設置可能 を採用 撮影可能 本社 〒107-0061 東京都港区北青山2-11-3 03-3796-7900 大阪 〒531-0072 大阪市北区豊崎3-2-1 06-6359-8110 https://www.nacinc.jp 名古屋 〒464-0075 名古屋市千種区内山3-8-10 052-733-7955 14 ISO 9001 認証取得