用Arduino進行高速水滴攝影

一月 17, 2016
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這組簡單的設備可以為你捕捉精彩瞬間

文、圖:湯瑪士.伯格、約翰尼斯.高特華

以相機記錄物品掉入水面(或其他液體)的畫面,總是特別吸引人──戲劇性的入水瞬間、四處飛濺的水滴彷彿在一剎那間凝結。這些照片在廣告裡很常見,只要到附近的超市、賣場看看,可能就會看到草莓、辣椒或香蕉撞擊到水面的瞬間畫面,被以高速攝影捕捉下來。

我跟另一位業餘攝影愛好者一起研究(我們都是業餘,我的本行是物理),花了不少時間,試著拍出優秀的「水動態」照片。我們有拍出一些不錯的成品,但這個過程實在太費時費工了,這張照片可是在我們一晚上拍了幾百張照之後才精挑細選出來的,其他的照片基本上都是物件尚未入水的畫面,或是捕捉到根本已經沉到水面下的瞬間了。

在這個專題裡,我們想教大家用簡單一點的方式,拍出完美的高速水滴攝影照片。利用Arduino微控制板,設定精準無誤的物件入水、閃光啟動時間。

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掌握時機
以下三點是進行高速水滴攝影的要素:

  • 利用閃光燈「凝結動態瞬間」:現代的電子閃燈可以透過極微小的孔距瞬間閃燈(少於1毫秒),所以,如果整個拍攝空間都是黑暗的,這閃燈就能為你凝結動態瞬間。
  • 計劃好整個拍攝過程:整個動態包含什麼步驟?相機該擺在哪?燈光怎麼配置?其他細節呢?
  • 抓準時機:這是一切的關鍵。在我們發想出這個計劃前,一切都是靠嘗試與失敗建構出來的,步驟如下:
    a.把物件從手中放開
    ​b.在腦子裡估計物件撞擊水面的時間
    c.手動釋放閃燈
    d.邊祈禱邊按快門

​我們接觸Arduino也有一段時間了,所以我們在想,或許可以把整個步驟中,「估計時間」的那一部分交給Arduino。在多方嘗試後,我們想出了這個專題。感謝Arduino Uno控制的電磁螺線管,現在我們可以隨意捕捉高速水滴的畫面、想拍就拍。


這個裝置並不困難,但是需要多次調整才能得到這個裝置最好的效果。我們的步驟敘述可能不是完全精準,因為每個人的做法跟攝影器材可能有差,不過還是希望大家有興趣,而且能動手試試看!
時間:一週
成本:100~200美元

 
材料

  • Arduino Uno微控制板:Maker Shed網站商品編號#MKSP99(makershed.com)
  • 繼電器擴充板(Relay Shield for Arduino):Seesd Studio網站商品編號#SLD01101P,內含4個擴充板,你會用到2、3個。
  • 拉式電磁鐵:徑長2公分、24V DC、10W。我們使用的是Conrad#HMA3027Z.001-24VDC,如果你在美國,可以用PED#42-120-610-720(newark.com)、Digi-key 527-1018-ND(digikey.com),或是相似的產品。
  • 適用於電磁鐵的電源供應器,例如:Triad Magnetics #WDU24-300,我是在ebay上買的。
  • 麵包板
  • 電線
  • 瞬時按鈕開關
  • 供麵包板使用的保險絲座(非必須),RadioShack網站商品編號#BNC010GYRC,用以保護電磁鐵的電源供應器。
  • 保險絲(非必須):250V、1A,RadioShack網站商品編號#270-1005,強烈推薦使用。
  • 鋁板:厚1/16″、大小2’×1′
  • 廢木
  • 玻璃杯/罐
  • 用來丟入水中的小物件,例如水果、硬幣等等。
  • 水/牛奶
  • 食用色素(非必須)
  • 小水族箱(非必須):用來避免器材被潑濕

相機、配件:

  • 配備微距鏡頭的數位相機:必須支援手動(M)模式,以控制光圈及快門,最好使用單眼相機。
  • 閃燈
  • 閃燈座:將閃燈與Arduino裝置連結,可選擇Nisha HTS-T (bhphotovideo.com)
  • 閃燈同步連接線:3.5mm,用來連接閃燈座,可選擇Nero Trigger網站商品編號#CABLE-FLASH(bhphotovideo.com)

 
工具

  • 烙鐵
  • 鋸子
  • 電鑽
  • 鏤鋸(鋼絲鋸)或線鋸,用來在鋁板上切出洞來
  • 螺絲釘與/或黏膠

1.設置掉落裝置

裁剪兩片相同大小的鋁板,然後在兩片鋁板的相同位置各切出一個洞,洞的大小要足夠讓拍攝的物件穿過去,然後入水。圖片中的格子是以公分為單位(1″ =2.54cm)。

2.製作掉落裝置

再做一個簡單的木框,讓兩片鋁板都平放在上面,其中一片鋁板擺在下面不動,另一片會在上面滑動,由電磁鐵控制滑動的方向。電磁鐵的活塞上有一條縫,剛好可以讓上面那片鋁板塞進去,兩側的小邊條可以導引鋁板,現在還是「預備」的狀態,電磁鐵馬上就要「發射」了。

3.掉落裝置測試

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要測試掉落裝置,就要先將電磁鐵接上電源供應器。磁性會決定電磁鐵是會拉動還是推動活塞,我們需要的是它推動活塞。我們建議,在這個步驟裡再加上一個簡單的麵包板,用保險絲跟按鈕開關做出裝置。

逐步調整兩片鋁板,直到啟動電磁鐵時,兩片鋁板會剛剛好對準為止。這個裝置讓物件掉落的時機非常精準,圖F是啟動後的裝置。

4.組裝電路的部分

圖為我們的電路,左下方就是Arduino Uno板,上面插著擴充板。Relay#1(有綠色跳線的那個)現在還不需要,接續本文之後的專題才會使用它來控制相機快門。Relay#2(有黑與白色跳線的)連接到麵包板,控制電磁鐵。Relay#3(黑線)會啟動閃燈。

最上面是電磁鐵的電源供應器,從右邊會有交流電輸入,然後直流電從左邊輸出(白色的粗電線分成細的紅色、黑色電線,接進麵包板)。

右邊就是麵包板了,保險絲會保護電磁鐵與電源供應器。電力會從電源供應器輸出,通過Relay#2以及保險絲,最後進入到電磁鐵(圖右下的綠色跳線)。

5.編程Arduino並測試電路

接著開始編程Arduino,就可以完美結合兩者了,非常神奇。到這個網頁,下載這個專題的編碼檔案PhotoMagnet.ino。這個簡單的編程運用了Arduino的序列界面,讓你可以控制高速攝影的時間變數(以毫秒為單位):
int delay_before_magnet=1000,delay_
after_magnet=300;
int flash_duration=10;
int magnet_duration=50;
int camera_duration=0;

簡而言之,這個程式碼會讓電磁鐵啟動300毫秒之後,閃光燈閃,然後拍攝的物件開始掉落,掉落距離為20″ (0.5m)。不過你需要稍微調整這些變數,才能符合你的裝置需求。

將Arduino與電腦連接,將整組編碼上傳至Arduino,它就會提示你輸入變數。Arduino開始運作以後,就可以按下Enter鈕,讓它跑完整個流程。要確定一連串的動作(閃光燈閃、電磁鐵啟動)在你執行編程的當下就順利運作,如果不是,請重新檢查線路。

6.拍攝高速水滴照片!

將相機與閃燈擺好,設定成手動模式,選擇好光圈大小與快門時間,以及閃燈的亮度。先試拍幾張,確定曝光值是否恰當。

接著就要來抓時機了,以下是幾點建議:

  • 開啟Arduino的程式,它會提示你該輸入什麼變數。
  • 把掉落裝置上層的鋁板推進電磁鐵活塞的縫裡。
  • 將要拍攝的物件放上「掉落區」(上面那片鋁板上的洞)。
  • 確定輸入或選擇各項數值。
  • 將拍攝空間的燈關掉,按下相機快門,我們選擇的快門時間是三秒,然後動作快!
  • 按下Enter啟動裝置的所有步驟。

​仔細觀察整個進程,閃光有沒有太早閃呢?(相片中掉落的物件還沒入水)還是太晚閃了?(濺起的水花早就消失了)調整時間變數,直到準確捕捉那一瞬間。

7.更進一步

只要找到正確的時間變數,就可以拍出像圖中那樣的完美高速水滴照片了,上Make官網我們的網站就可以看到更多我們拍出來的成品。

接著我們想試著從Arduino控制相機快門,最理想的狀態是,相機及閃燈都能夠用光電耦合器去耦(decouple),然後取代擴充版(雖說擴充板已經夠方便了)。

其他的點子還有:

  • 在兩片鋁板上同時鑽出多個孔,就可以一次投放多個物件了。
  • 更大的洞與更大的掉落物件。
  • 用管子來調整物件掉落的角度

8.分享作品

請上網站與我們分享你做的裝置與拍出來的成品。
譯:孟令函
[原文]

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湯瑪士.伯格
Thomas Burg
很久以前就是科技宅了(當初還沒有人覺得科技宅帥)。過去在德國的美因茨讀物理,現在則是威斯巴登一家軟體公司的技術總監。喜歡音樂,喜歡多方嘗試各種動手做專題。


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約翰尼斯.高特華
Johannes Gottwald
十歲那年從叔叔手中接過EXAKTA Macro相機,從此跌入攝影世界不可自拔。在美因茨讀物理,後來在威斯巴登成立自己的公司(42-com.de


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