近日，京都大学iCeMS（物质-细胞统合系统基地）藤原敬宏特定副教授、冲绳科学技术大学院大学（OIST）楠见明弘教授、株式会社Photron竹内信司先生等人组成的研究团队，开发出了拥有识别单个荧光分子的灵敏度，能够以每秒3万帧的速度进行拍摄的显微镜相机。相关成果已刊登在《The Journal of Cell Biology》上。

人们认为细胞内的分子会进行高速移动、聚集或分离，但要想实际观察到这些运动却非常困难。研究团队花费10年时间开发出了新型超高速、超高灵敏度相机。用该相机拍摄细胞膜分子后发现，细胞膜分子虽然被限制在一个特定的区域，但其运动非常活跃，偶尔会跨越边界扩散。研究人员发现细胞膜不是单纯的液体，而是在所有面上被肌动蛋白丝分隔成多个隔室。过去，用超分辨率荧光显微技术拍摄一张图像需要5分钟，但使用本次开发的摄像头可将拍摄时间缩短至10秒左右。这使得首次以超分辨率精度观察活细胞中的细胞内结构成为可能。

细胞膜上有一种名为粘着斑的相当于细胞的脚的结构，与癌细胞的转移等密切相关。通过该摄像头，可以了解超分辨率图像时刻变化的样子，以及分子在其中群舞的样子。藤原副教授表示：“目前除京都大学、OIST、岐阜大学外，新加坡及班加罗尔（印度）也配置了该相机，未来希望更多研究人员能够使用它。”

什么是帧率？重要么？

帧率是记录设备在一秒钟内捕获的单个帧的数量，它的测量单位是每秒帧数或 fps。理解帧率的一个很好的类比是翻书，书中一张张纸上的每一幅画都像一个框架，当你以特定的速度翻页时，所有的画面看起来就像一幅移动的图像，翻页的速度就是帧率。

了解帧率的含义很重要，因为您为视频选择的帧率会影响视频的外观和为观众提供的体验。不同的帧率会产生不同的观看体验。例如，较低的帧率会使视频中的运动变得不稳定并使其看起来像快动作。更高的帧率（如 60 或 120 fps）可使运动看起来更流畅、细节更丰富，并提供更身临其境的观看体验。较高的帧率还允许您在正常速率（即 24 fps）播放场景时以慢动作显示场景，从而保持其清晰度和流畅度。比如，京都大学研发的每秒可拍摄3万帧的显微镜相机，可以高精度观察活细胞中的细胞内结构。

“大多数高速相机只能一次记录几秒钟的高帧率，因为受到相机中可提供的高速内存数量的限制。例如，在100万像素分辨率下，8位相机以1000帧/秒的速率记录图像，每秒将创建1GB的原始图像数据。”美国Fastec Imaging公司的产品经理Tim Brandt说道，“TS/IL4和TS/IL5可以直接将图像记录到内置固态硬盘[SSD]驱动器上，容量高达1TB，可记录许多分钟，具体取决于帧率和分辨率，并且保持到内部驱动器的数据速率高达450MB/s，采用8GB的内部高速内存作为缓存，以适应SSD带宽的失效。”

Brandt继续提到，“所有具有固态硬盘的Fastec IL和TS相机，可以将其内存划分为多达16段，每段依次记录高速视频，同时前序段被转移到驱动器上，这种‘FasFire’功能允许用户不断记录高速突发事件，同时节省非易失性存储器。”Brandt介绍说，将图像保存到SSD上的时间是如此之短，以至于用户几乎不需要等待相机为拍摄下一张照片清除缓存，这种对流程的改变，使得很多测试可能在非常短的时间内连续运行，扩展了高速应用的覆盖范围。

当然，帧率与分辨率紧密相关。美国Vision Research公司的Phantom Miro C-110相机，具有12位、0.5英寸的CMOS传感器（彩色或黑白），能以1280×1084的全分辨率实现800帧/秒的拍摄帧率；当以较低分辨率拍摄时，帧率能达到29,840帧/秒。借助8GB内存，用户在全分辨率和最高帧率下的记录时长可长达5秒。

CMOS传感器是高速成像的关键

每台相机都是一个完整的光电系统，包含光学原件、光机械、探测器、外壳和电子数据存储和控制组件。但在一般情况下，任何相机的性能参数都是由图像传感器决定的；因此，所有其他系统组件的设计，都是围绕图像传感器来展开的。

通常，CMOS传感器被认为是高速成像应用的最佳选择。不同于像素数量有限的CCD传感器，将输入光转换为电压信号，然后通过数量有限（一个到几个）的输出节点以模拟信号的形式发送出芯片；CMOS传感器的芯片内包含放大器和数模转换器（DAC），避开了CCD图像处理的高功耗和较慢的读出速度。

“CMOS传感器是许多高速相机的核心，主要考虑到其较高数量的传感器通道，用于实现迅速的光子/电子转换，快速将电子从传感器送走。”美国Photron公司销售和市场营销总监Andrew Bridges说，“大量的DAC可以成为大的发热体，因为这需要更多的内存。幸运的是，CMOS中理想的板载内存情况，也可以通过快速数据卸载技术来实现。”

除了减少生热和传感器噪声，“光灵敏度是高速成像应用中的一个关键因素。”Bridges说，“当FASTCAM SA5在2008年左右推出时，10000的ISO值给人们留下了深刻的印象。现在，FASTCAM SA-Z中新的传感器电子产品，为12位单色相机提供50000的ISO值，为36位Bayer彩色相机提供20000的ISO值，两者均采用20μm2的像素。”Bridges介绍说，通过开发新的电路设计，大大降低了噪声，提高了增益，从而提高了灵敏度。“我们根据真正的行业ISO Ssat 12232标准，来衡量FASTCAM相机在高帧率下的光灵敏度，在同样的照明条件下采用更快的快门/曝光速度和更大的景深，无需更多的照明。”Bridges说。

标准面阵相机的一种替代方案是线阵相机。线阵相机的速度不是以每秒帧数来衡量，而是以频率来衡量，即在被扫描的物体运动的情况下，线阵相机每秒能够扫描的线数，每条线携带数千像素信息，用于采集数据。线阵相机具有更短的曝光时间，通常与高亮度光源配合，用于工业机器视觉应用。

德国Chromasens公司的三线相机，通过布置极其接近的三条RGB传感器线，实现以高水平的颜色精确度捕获移动物体的图像。该公司的allPIXA wave相机基于四线CMOS彩色线扫描传感器，线长高达15000×4行，工作速度为150kHz，吞吐量为850 Mpixels/s。

加拿大Teledyne DALSA公司在2003年开发了定制的传感器和相机，能够实现1亿帧/秒的成像速率。该高帧率相机采用定制式像素设计，主要针对那些需要极短成像时间（爆炸式成像），以及拍摄图像的数量有限（10-15张）并且读出缓慢的应用，该相机能够提供围绕单个事件的相关情况的详细信息。

美国Specialised Imaging公司使用围绕光学分束器创建的多个超高分辨率（高达1360×1040像素）传感器，用于持续时间从几十微秒至几十纳秒的超高速事件，如激光引发的冲击、微爆炸、超高速碰撞、弹道事件和以及某些生物过程。通过以从100帧/秒到高达10亿帧/秒的任意帧率序列触发每个传感器，避免了不得不快速读出传感器数据所带来的限制。分束器将主图像分割为多达16个端口，同时保持具有>100 lp/mm的空间分辨率和近零视差的无畸变图像。

Specialised Imaging公司的相机使用增强CCD（ICCD）传感器，作为计数时间短至几纳秒的电光快门，也作为增益级将光的短曝光时间放大至CCD可记录的级别，然后光纤耦合至微通道管板。通过使用快速（300ns的衰减）荧光粉和线转移型CCD， ICCD两帧之间的捕获间隔小于550ns，最终实现16帧相机，具有1450万帧/秒的最高速率，所有均来自于8通道ICCD相机。

文章来源： 客观日本，视觉系统设计，沐禾安信