攝影技術的演進 - 財團法人車輛研究測試 ... ·...

前 言

人類肉眼因為生理上的限制，只能分辨0.1秒

間隔左右的影像差異，因此早期攝影器材拍攝速度

大約維持在每秒30片左右。但往往許多事件的發

生，通常在短短0.1秒不到就已經完成所有動作，而

在這眨眼之間，卻可以是一件車禍事故的開始與結

束。

實車碰撞實驗室成立後，最主要的研測項目即

在模擬車輛高速碰撞的過程。其中車用空氣囊可在

大約0.02秒即完成空氣囊展開動作；高達時速56公

里的實車碰撞測試，整個碰撞過程也大約在0.1秒完

成，如果只依賴每秒只能拍攝30張影像的普通攝影

機或以肉眼觀察事件發生的過程，幾乎是不太容易

的事。因此為了準確紀錄整個碰撞過程中，測試車

外型潰縮變化、人偶與空氣囊相互作用，以及整個

碰撞事件發生的細節，則有賴於高速攝影系統的運

用。

攝影技術的演進

攝影Photography，是由希臘文Phos與Grapho的

結合，Phos 是光，Grapho是描繪，Photography合

字是代表利用光來描繪的意思。而照相機（攝影機）

則是來自於拉丁語"Camera"，意指晦暗的房室，也

是現今照相機暗箱的雛形。攝影技術從發明至現在

的蓬勃發展，展現出人類對於捕捉『光線』的努力

成果。

然既使演進至今，各式攝影器材的研發與製

作，皆脫離不了針孔成像的原理。早在公元前四百

多年，我國的《墨經》一書就詳細記載了光的直線

前進、反射以及平面鏡、凹面鏡、凸面鏡的成像現

象，到了宋代，在沈括所著的《夢溪筆談》一書

中，還詳細敘述了『針孔成像』的原理，但針孔成

像，只是把物體得到一個在屏幕上的投影，並無法

將影像『記錄』下來。

直到西元1839年，法國畫家達蓋爾（Louis J M

Daguerre 1789－1851）發明『達蓋爾銀版攝影技術』

2 車輛研測資訊 2006-01

財團法人車輛研究測試中心 施尚融

後，開啟了靜態照片拍攝技術之開端。從此時起，

人類成功地將影像長久的保留住，並且在西元1861

年物理學家馬克斯威努力下，成功地發明世界上第

一張彩色照片拍攝技術。

從第一張攝影照片在世界上出現至今，隨著工

業科技的進步，逐年皆有新的攝影器材被研發與應

用並持續改良，十九世紀末著名柯達公司，由喬

治．伊斯曼製造出第一架輕便相機；1935年柯達公

司推出彩色底片，但直到70年代相機才開始大眾

化。隨著彩色底片、膠捲式底片的應用，攝影技術

由單張黑白照片的拍攝，進步到栩栩如生的彩色照

片。

至於動態攝影則要追溯至西元1888年，世界上

最偉大的發明家，美國愛迪生（Edison Thomas

Alva 1847–1931）製造有史來第一部電影攝影機器

"Kinetograph"。當時愛迪生在長達50呎的軟片上，

連續地拍攝有600幅畫面影像，在一大暗箱內放

影，箱外有一個看孔，供一人可以看到約一分鐘的

景物，也就是我們所俗稱的『看西洋片』。從此刻

起，靜態的空間影像，開始多了一個時間符號，這

是人類第一次成功地將『時空』凍結在底片上，並

且可以一再重複地『再現』過去發生的事實，而影

像也開始從靜態進入了繽紛的動態世界，造就了現

代第八藝術-電影的產生。

高速攝影技術

要獲得高速影像有兩種途徑︰第一種是在感興

趣事件發生的確切瞬間，進行單張影像的曝光，有

時這個瞬間是很難，甚至是無法確定或預料的，特

別是當整個事件的持續時間較短時，想在此一瞬間

進行同步曝光就更難上加難了。

第一次高速攝影是由英國化學家、語言學家及

攝影先驅亨利·塔爾博特（Henry Talbot）完成，

1851年，塔爾博特將《倫敦時報》的一小塊版面貼

在一個輪子上，讓輪子在一個暗室裡快速旋轉，當

輪子旋轉時，塔爾博特利用來自萊頓電瓶（一種能

聚集電荷的容器，就是現在電容器的前身）的閃

光，拍攝了幾平方厘米的新聞版面，最終結果是獲

得像靜止的輪子看到清晰的新聞圖像般，但實際上

卻是運動中的動態凍結影像。圖1展示了一顆子彈

貫穿雞蛋的瞬間畫面。

車輛研測資訊 2006-01 3

專 題 報 導

圖1 子彈貫穿雞蛋的瞬間畫面

第二種辦法是在連續的膠捲底片或單張底片上，

以非常高的速率進行一系列曝光，這增加了捕捉瞬間

事件的機會，無論事件何時發生都可以捕捉到，這種

辦法同時也記錄下事件發生前後的發展過程，這種連

續影像可以逐個檢查或用適當的設備將影像放映出

來，使得『瞬間』的影像有如同慢動作的電影片般，

供我們判斷那剎那間所發生的一舉一動。

平常我們所使用的16厘米膠捲攝影，大約是以

30張/秒影像的速度拍攝。高速攝影則是一種利用特

殊設備，在極短時間內，拍攝大量片數影像的攝影

技術，拍攝速度通常可達每秒500張以上，其技術

應用，將可協助人們觀察並記錄肉眼難以辨析的

『剎那間』運動狀態，完整記錄測試過程，圖2展示

出一顆子彈撞擊的連續過程影像。

早期車輛中心安全帶動態研測所使用之高速攝

影設備，是美國REDLAKE CORPORATION出廠之

FASTAXⅡ16厘米高速攝影機(型號46-001，片速每

秒200 張至6500張，使用100 呎膠捲式底片)，攝影

機機體本身可承受50 G之振動，但一捲只能拍攝不

到五秒的連續影像，並須要花上一週的時間送至沖

片場沖洗才能獲得影像。並需搭配影片分析儀才有

辦法進一步的知曉測試過程；因此，早期執行高速

影像拍攝與分析，是一件曠日廢時的工作。但隨著

科技的發展與進步，本中心在西元2000年引進NAC

的數位式高速攝影機，在大於500張/秒的拍攝影像

中，可立即下載並看到結果；自此實驗室測試後，

可以即時地獲得過程的清晰影像，對於測試結果的

判定有莫大的助益。

數位攝影技術的發展

真正的數位影像，應該是起源於1960年代

NASA的月球登陸計劃，當時NASA送出探測器，

企圖將月球表面的影像拍攝後傳回地球，不過由於

傳回的類比訊號中雜訊太多；以至於沒有辦法從螢

光幕上看清楚上頭的影像資料。可是資料寶貴，總

不能因為看不清楚就作罷，因此NASA的鬼才們想

了一個辦法，與美國貝爾電話公司（L u c e n t

Technologies）合作研發成功了第一代電荷耦合電

路元件CCD(Charge Coupled Device)，取代當時研

究正熱門之真空管攝影，將影像轉化成數位訊號，

輸入至電腦中，然後再利用電腦運算，將雜訊濾

除，透過影像資料數位化的方式，大大的提高了影

像的清晰度以及銳利度。『影像資料數位化』在這

個階段算是真正開始。透過軍事方面的運用及發

展，數位影像的技術成長得越來越快，也越來越成

熟。到了1988年時，日本富士公司與東芝公司合作

推出第一台數位靜態照相機（Digital Still Camera,

4 車輛研測資訊 2006-01

圖2子彈撞擊的連續過程影像

DSC），攝影技術開始從傳統的底片進入了數位的

影像時代。

數位攝影的原理

傳統相機主要靠光圈和快門來控制光線進出，

光線照射到底片（含有鹵化銀的感光乳膠層）時，

底片上會留下光化學反應的痕跡，而這些痕跡就是

底片上的顯影。數位攝影技術的運作方式也是類似

傳統攝影技術，同樣利用光圈和快門控制光線，但

是顯像的媒介則由化學反應的底片換成固態物理的

『感光元件（CCD or CMOS）』。數位攝影與傳統攝

影間最大的差異性，是在於傳統攝影裡面，影像的

呈現是利用光能在底片上產生化學變化而記錄下影

像色彩資料，而數位攝影則是將光能轉換成電子訊

號而被記錄下來。相對於傳統攝影技術，數位攝影

技術具有即時影像、免沖洗底片、方便儲存與後製

作方便等優點。

CCD與COMS感光元件

電荷耦合電路元件(Charge Coupled Device，簡

稱CCD)，是一種由數千個光敏電子感應器組成表

面的晶片，這種晶片可以將光能轉變為電子訊號，

然後再轉換成數位資訊；互補性氧化金屬半導體

(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，簡稱

CMOS)，與CCD的功能類似，可以將光能轉換成電

子訊號，與CCD（圖3）外觀上幾乎無分軒輊，但

CMOS的製造技術和CCD 不同，反而比較接近一般

電腦晶片。CMOS （圖4）的材質主要是利用矽和

鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共

存著帶N級（帶負電） 和 P（帶正電）級的半導體

所組成，這兩個互補效應所產生的電流即可被處理

晶片紀錄和解讀成影像。

將光能轉變成電子訊號後，經由類比-數位轉

換器（ADC）會先計算電子訊號量，然後再透過數

位等化器將訊號以二位元方式呈現。在光線被轉換

成數位資訊後，數位相機內的微電腦晶片便會利用

一系列的數學演算法將所有資訊合成，紅綠藍三原

色光的資訊便會被重新轉換為真實的光線色彩，也

就如同真實世界所看到的色彩資料，被轉化成零與

壹的數位資料被儲存媒體儲存下來。

車輛研測資訊 2006-01 5

專 題 報 導

Pixel

微型放大鏡片入射光分色陣列

電荷儲存區

半導體感光區

電荷儲存區

(此為上視圖)

電荷通路

輔助回路

單體放大器

電荷導流通路

(圖例說明)

半導體感光區

圖3 CCD感光元件 圖4 CMOS感光元件

圖5CCD結構示意圖(擷取自網路圖片)

圖6 CMOS結構示意圖(擷取自網路圖片)

ARTC目前之高速攝影系統

車輛中心實車碰撞實驗室因應相關測試需要及

法規要求（每秒至少500片），採用由美國VRI

（Vision Research Inc.）公司所研發的Phantom高速

攝影系統，此系統共有V4.2、V5.1、V6.2e、V7s、

V9.0五大系列，各自擁有不同的尺寸與特性。其卓

越性能，在全球航太工業、汽車碰撞測試等眾多領

域得到廣泛的應用。目前中心擁有其中三大系列，

設備能量分別是V4.2系列四部，V9.0系列四部以及

四鏡頭一機身的V6.2e系列一部。其相關規格與應

用如下表1：

6 車輛研測資訊 2006-01

技術參數 型號

a.耐衝擊試驗設計、鋁合金機身。

b.可安裝於測試車上並執行動態攝影。

a.鏡頭小，可架設於有限空間內。

b.四組鏡頭可安裝於不同位置而進行同

步攝錄(四合一同步畫面)。

c.常用於空氣囊展開或人偶運動影像之

拍攝。

a.為目前最新之機種，具高解析度畫

質。

b.可搭配影像分析軟體進行空氣囊展

開面積、實車碰撞目標點位移、速

度與加速度變化分析。

V4.2 V6.2e V9.0

ARTC設備能量 4部 1部 4部

單台配置攝影機數量 1 4 1

顏色 彩色/單色 彩色/單色 彩色/單色

圖像感應器類型 SR-CMOS SR-CMOS SR-CMOS

最大分辨率(像素×像素) 512×512 512×512 1600×1200

最大解析度拍攝速度(張/秒) 2,100 1,400 1,000

最大可設定拍攝速度(張/秒) 90,000 115,385 144,175

記憶體容量(紀錄時間) 0.5G(2.1秒) 1G(1.0秒) 1.5G(1.6秒)

像素尺寸(μm ×μm) 16×16 16×16 11.5×11.5

控制器重量(Kg) 2 2.2 3.2

控制器外型尺寸(cm3) 7.5×10×20 14.5×20.3×11.5 12.5×11×25

抗衝擊能力 100g,10ms 50g,100ms 100g,10ms50g,100ms 100g,10ms 50g,100ms

電源 24VDC/1Amp 28VDC/1Amp 24VDC/1.5Amp

IRIG-B時間碼同步功能 有 有 有

外部觸發 TTL或開關 TTL或開關 TTL或開關

數據傳輸埠 10/100/Gigabit Ethernet 10/100/Gigabit Ethernet 10/100/Gigabit Ethernet

鏡頭安裝 標準C-Mount 標準C-Mount 標準F-Mount

視訊輸出 NTSC/PAL NTSC/PAL NTSC/PAL

實車碰撞應用

表1 Phantom高速攝影系統規格

圖7 V4.2 Series高速攝影機外型

圖8 V4.2 Series安裝於測試支架上

SR-CMOS技術

Phantom系列高速攝影機成功解決了限制高速

數位攝影機發展的技術難題，採用最新的

S(synchronize)R(record)-CMOS Sensor技術建立適合

用於高速攝影所需的感光元件，是真正的第二代高

速數位攝影機。SR-CMOS感光元件是專門為高速攝

影機應用而設計的新型影像紀錄感應器，此影像紀

錄感應器具有同步紀錄功能，而SR-CMOS Sensor是

利用先進科技技術讓紅、綠、藍(RGB)等色彩三顏

色，經由影像感應器同步將色彩紀錄下來，如此可

將影像更清晰的呈現出來。利用SR-CMOS的高速攝

影機能以1000張/秒的速度拍攝影像，在解析度上可

高達512 pixels × 512 pixels（V4.2、V6.2e系列）、

1600 pixels × 1200 pixels（V9.0系列）的清晰影

像。和傳統的CCD感光元件相比，SR-CMOS沒有

CCD的『光暈』現象，因此可以拍攝高速度、高解

析度清晰的圖像，並且抗干擾雜訊的能力更好。

SR-CMOS技術的另一種優點是所需之能量消耗

車輛研測資訊 2006-01 7

專 題 報 導

圖9 V4.2 Series安裝於側撞台車支架上 圖13 TEMA 影像分析軟體

圖10 V6.2e Series 四鏡頭一機身高速攝影機

圖11 V6.2e Series 安裝於車體外部上

圖12 V9.0 Series 高速攝影機

較低。這使的攝影機具有體積小、重量輕、堅固等

優點，並且其機身設計具有可高達100g的耐衝擊能

力。因此可以應用在一些條件特別嚴苛的場合，例

如V4.2與V6.2e系列即可安裝在實際碰撞測試車上

或碰撞模擬試驗的車殼上，隨測試車碰撞試驗時，

同步於車體內部拍攝測試過程中的影像。另藉由獨

特的像素級EDR曝光技術，可滿足高速攝影對於光

源強度之要求，並獲得較均勻之光源分佈，即使在

較刺眼的強光下同樣可以獲得高品質的影像。

1000張/秒拍攝速度

各國內外相關實車碰撞測試的法規，對於高速

攝影紀錄的至少皆要求需達到每秒500張以上的影

像拍攝速度，目前ARTC所擁有之高速攝影機的全

幅圖像最大拍攝速度V4.2系列可達2 ,100張 /秒

（V6.2e系列1,400張/秒、V9.0系列1,000張/秒）。除

此之外可以利用控制軟體設定在解析度減少的情況

下，獲得更高的拍攝速度，例如V4.2在低解析度影

像設定下的最大拍攝速度可達90,000張/秒。如此高

彈性的設定，可滿足於碰撞實驗室各項測試需求，

達到完整記錄測試過程的最佳利器。圖14 是利用數

位高速攝影系統拍攝車用空氣囊的展開影像。

高速攝影應用

浩瀚的宇宙充滿瞬息萬變景象是肉眼所看不盡

的，藉由高速攝影的發明讓我們更淋漓盡致剖析無

窮盡的知識，以提昇人類生活的品質，其應用領域

如下所列：

一、醫學測試領域：生物力學分析、細胞辮膜運

動、反應測試分析等。

二、國防測試領域：砲彈爆炸測試、彈道分析、座

椅彈射系統、導彈、火箭彈道分析等。

三、工程測試領域：燃燒過程或流體運動狀態分

析、力學或彈性分析、破壞衝擊分析、工業流

程中故障診斷、產品開發研究等。

四、生物學領域：昆蟲或鳥類振翅運動分析。

五、娛樂界：電影或動畫之特殊效果。

圖15~21則展示了目前高速攝影機拍攝服務實

例。

8 車輛研測資訊 2006-01

圖14 空氣囊展開攝影

圖15 衛星火工測試過程

圖16飛機鳥擊測試

然而，就實車碰撞試驗來說，各項作業皆已經

使用高速攝影系統作為測試過程的一個重要影像紀

錄工具，如安全帶、兒童座椅法規測試、座椅零組

件等強度測試，甚至是整車車殼碰撞模擬測試或著

各式實車碰撞法規測試，皆需要高速攝影系統的協

助，鉅細靡遺地在短短0.1秒不到的過程中，紀錄著

每個過程中小小變化，而有著任何細微變化過程的

整個攝影記錄，往往是測試後研判測試結果的最佳

利器，並且在很多場合扮演著決定性的關鍵證據。

除此之外，若再搭配CAE電腦輔助分析，相信

在未來的車輛研發技術領域，必能突破過往技術之

藩籬，提供廠商在設計研發上的一個比對對象，加

速並提升產品在國際上之競爭力。

車輛研測資訊 2006-01 9

專 題 報 導

圖20各式娛樂運動拍攝

圖21實車碰撞測試

圖18車用安全帶測試

圖19車用空氣囊展開測試

圖17工具機作動過程