3. 高速相机类型与选型方法
高速图像采集的核心矛盾，是“时间分辨率”与“空间分辨率、灵敏度、记录时长”之间的取舍。不同相机用完全不同的物理机制去换取时间分辨率，因此它们适用的场景边界非常清晰。选型的第一步不是看帧率数字，而是先明确三件事：需要多高的时间分辨（曝光时间或等效帧间隔）、需要记录多长时间（连续还是单次瞬态）、以及被摄对象的光子条件（是否可补光、是否自发光）。下面按工作机理逐类说明。
旋转棱镜相机：把时间“摊开”到空间上
旋转棱镜相机（旋转反射镜相机）用一面高速旋转的反射镜，把来自同一物方的光束依次扫过一排固定的感光元件或胶片。由于镜面在旋转，不同时刻到达的光被偏转到不同位置，于是“时间”被映射成“空间”。它的等效帧间隔由镜面转速和光学杠杆决定，典型可达微秒到亚微秒量级，记录帧数等于感光元件数量（常见几十到上百帧），总记录时长等于帧数乘以帧间隔。
它的关键限制是：记录时长极短（通常毫秒级以内），且必须一次触发、单次事件，无法连续长时间拍摄；同时各帧之间存在几何畸变，需要做空间配准。因此它适合爆炸、冲击波、弹道等一次性瞬态过程。使用时的核心参数是扫描速度（mm/μs）、帧间隔和总记录时间，三者互相制约，提高帧率必然缩短总时长。
CMOS/CCD 全局快门：工程中最常用的主力
CCD 与 CMOS 的差别在读出方式：CCD 是电荷逐像素转移后统一读出，CMOS 是每像素自带放大与读出电路。对高速采集而言，真正决定成败的是快门方式。卷帘快门逐行曝光，高速运动物体在帧内会产生倾斜、弯曲（果冻效应）；全局快门所有像素同时开始、同时结束曝光，帧内无畸变，是运动测量与机器视觉的首选。
选型时要区分三个常被混淆的指标：帧率（fps）、曝光时间（快门时间）和读出时间。帧率决定采样密度，曝光时间决定运动模糊，读出时间决定帧间是否存在死区。例如一台 1280×1024 的全局快门 CMOS，满幅可达 1000 fps，曝光可短至 1 μs，但若读出时间为 800 μs，则帧间隔实际由读出主导。判断运动模糊可用简单估算：模糊像素数 ≈ 物体像面速度（pixel/s）× 曝光时间（s）。若物体在像面移动 2000 pixel/s，曝光 1 μs，则模糊约 0.002 pixel，可忽略；若曝光 500 μs，则模糊 1 pixel，已接近临界。
CMOS 全局快门适合可重复、可补光、需要较长记录时间的过程，如振动、跌落、流体、机械运动。它的边界是：受读出带宽限制，分辨率越高帧率越低；受灵敏度限制，曝光越短越需要强补光。
分幅相机与条纹相机：极端时间分辨的两条路线
分幅相机（framing camera）把一束光分成多路，用多组感光面分别记录不同时刻的图像，本质是“并行多帧”。它可实现纳秒级甚至皮秒级帧间隔，帧数通常为 4～16 帧，适合激光等离子体、爆轰、放电等超快单次事件。它的代价是帧数少、光路复杂、标定困难。
条纹相机（streak camera）不记录二维图像，而是把一维空间信息沿一个方向展开，时间沿另一个方向扫描，输出“空间—时间”二维条纹图。它的时间分辨率可达皮秒甚至飞秒，是测量超快发光时间历程的利器，但丢失了一维空间信息，只能得到沿狭缝方向的一维空间分布随时间的变化。二者常配合使用：条纹相机测时间历程，分幅相机测形态演化。
事件相机：只记录“变化”的异步传感器
事件相机（DVS）每个像素独立检测亮度变化，当变化超过阈值时异步输出一个事件（含坐标、时间戳、极性）。它没有固定帧率，等效时间分辨率可达微秒级，动态范围高（>120 dB），数据量小，特别适合高速运动、高动态场景，如无人机避障、高速目标跟踪。但它输出的是稀疏事件流而非灰度图像，无法直接得到传统图像，需要重建算法；对静态或缓慢变化场景几乎无输出。选型时要明确：需要的是“图像”还是“变化事件”。
选型决策：从需求反推类型
把上述特性整理成可操作的判断顺序：
- 先定时间尺度。若事件持续在毫秒以上且可重复，优先 CMOS 全局快门；若在微秒级且单次，考虑旋转棱镜或分幅；若在纳秒以下，只能分幅或条纹。
- 再定记录时长与帧数。需要连续记录数秒以上，只有 CMOS 全局快门可行；只需几帧到几十帧的瞬态，旋转棱镜、分幅更合适。
- 再看输出形式。需要二维灰度图像，排除条纹相机；只需要运动/变化信息，事件相机可能更高效。
- 最后校核光子预算。曝光时间越短，所需照度越高。可用估算：所需辐照度 ∝ 1/曝光时间。若曝光从 1 ms 降到 1 μs，光通量需提高约 1000 倍，必须确认补光能力或目标自发光强度。
综合来看，旋转棱镜与分幅/条纹相机解决的是“极短时间、单次事件”的记录问题，CMOS 全局快门解决的是“可重复、较长过程”的连续采集问题，事件相机解决的是“高动态、稀疏变化”的感知问题。选型时先锁定时间尺度与记录时长这两个硬约束，再在剩余类型中比较分辨率、灵敏度和数据接口，就能快速收敛到合适方案。