Cómo modificar la cámara de un teléfono inteligente para que dispare un millón de cuadros por segundo

xiaojie2020

En la década de 1930, un joven ingeniero eléctrico llamado Harold Edgerton comenzó a experimentar con la fotografía con flash electrónico en el MIT. Lo usó para congelar la acción de objetos cotidianos, como un chorro de agua, un globo que explota y una bala que golpea una manzana.

Edgerton pasó a ser pionero en una amplia gama de técnicas de flash único y múltiple (así como en muchas otras técnicas de imagen). Muchos de estos ahora están disponibles como estándar en cámaras y teléfonos inteligentes populares.

Desde entonces, las velocidades de obturación han aumentado. Algunos iPhones pueden tomar imágenes individuales con una velocidad de obturación de 1/10,000 de segundo. Las cámaras especializadas pueden grabar imágenes a una velocidad de 40.000 por segundo. Pero este tipo de equipo es complejo y costoso, por lo que estas técnicas son inaccesibles para la mayoría de las personas.

Hoy, eso parece que va a cambiar gracias al trabajo de Sam Dillavou en la Universidad de Harvard y un par de colegas, quienes han desarrollado una técnica que permite que las cámaras electrónicas y los teléfonos inteligentes comunes graben imágenes a la asombrosa velocidad de millones de fotogramas por segundo.

Primero algunos antecedentes. Las cámaras modernas utilizan píxeles electrónicos para registrar la luz que les llega. Estos píxeles registran la intensidad, normalmente en una escala de 16 niveles. Esto está determinado por el nivel de bits de los píxeles. Entonces, durante una exposición, cada píxel puede registrar 14 tonos de gris entre blanco y negro.

Pero para muchos tipos de imágenes, este nivel de detalle es innecesario; todo lo que se necesita es una simple imagen en blanco o negro. En ese caso, el detalle extra gris es redundante.

Eso le dio a Dillavou y sus colegas una idea para dividir imágenes individuales en múltiples exposiciones más cortas.

Así es cómo. Imagina una pared blanca cubierta por una cortina negra. Ahora abra la cortina de izquierda a derecha para revelar la pared y registre el movimiento en una sola exposición.

Durante la exposición, los píxeles del lado izquierdo de la imagen registran primero la cortina negra y luego la pared blanca a medida que la cortina se mueve por el encuadre. Esto promedia a un gris claro.

Por el contrario, los píxeles que graban el lado derecho de la imagen ven la cortina negra durante la mayor parte de la exposición. Solo al final de la exposición se revela la pared blanca. En ese caso, el promedio es un gris oscuro.

De manera similar, los píxeles en el medio de la imagen registrarán un gris medio. Y la imagen final aparece como un gris degradado, que representa el movimiento de la cortina.

La idea clave de Dillavou y sus colegas es que esta imagen única se puede considerar como muchas instantáneas en blanco y negro de la cortina en movimiento superpuestas unas a otras. De hecho, la cantidad de imágenes que se pueden extraer de una sola imagen depende de la cantidad de niveles de bits que registran los píxeles.

Armados con esta idea, desarrollaron una técnica matemática para extraer estas imágenes de una sola imagen, una idea que denominan técnica de marco virtual. En este caso, puede crear 16 imágenes de la cortina moviéndose por la pared.

Esta técnica tiene el potencial de convertir casi cualquier cámara electrónica en una maravilla de alta velocidad. El equipo lo probó comparando los fotogramas virtuales con los tomados por una cámara de alta velocidad que graba a 40.000 fotogramas por segundo.

Colocaron una sábana de goma estirada frente a un divisor de haz que enviaba la luz a ambas cámaras, para que ambas tuvieran la misma vista de la sábana. El equipo instaló la iluminación de modo que la lámina de goma apareciera negra mientras que el fondo apareciera blanco. Usaron un bisturí para cortar la lámina de goma y registraron la forma en que se dividió con ambas cámaras a medida que la fractura atravesaba la lámina.

Finalmente, el equipo usó la técnica de fotogramas virtuales para extraer imágenes de alta velocidad de fotogramas y compararlas con las de la cámara de alta velocidad disparando a 40.000 fotogramas por segundo. Un video de esta comparación es descargable aquí .

Los resultados muestran que la técnica del marco virtual tiene un enorme potencial. Primero, ambos conjuntos de imágenes muestran un proceso de fractura similar, lo que confirma el mérito del enfoque. Pero también tiene una serie de ventajas significativas. Graba 1,3 megapíxeles en cada imagen, frente a los 60 kilopíxeles de la cámara estándar. Esto aumenta drásticamente el campo de visión y, por lo tanto, la distancia a la que se puede registrar la fractura.

La velocidad de fotogramas virtual también es mucho más rápida. La velocidad de cuadro efectiva lograda usando [la técnica de encuadre virtual] es de 1 MHz, dicen Dillavou y compañía.

Continúan estudiando cómo la aplicación de la nueva técnica a una variedad de cámaras diferentes aumenta sus velocidades de cuadro. Los números son reveladores. Como ejemplo, la Nikon D850 graba fotogramas virtuales a 16MHz manteniendo una resolución superior a los 50Mpx, dicen. Incluso un iPhone X es capaz de grabar hasta un millón de cuadros por segundo usando esta técnica.

Hay pocas razones para pensar que esto no se puede gestionar fácilmente, ya que todo el procesamiento se realiza más tarde. Esta velocidad de cuadro virtual mejorada no requiere ningún cambio en el funcionamiento de la cámara, dice el equipo.

Sin embargo, existen algunos límites importantes para los tipos de fenómenos que se pueden registrar de esta manera. Primero, el objeto de interés debe ser negro sobre un fondo blanco (o viceversa). Cualquier gris en la escena arruinará los resultados.

Y el fenómeno en sí debe ser lo que Dillavou y compañía llaman monótono. En otras palabras, cualquier cambio durante una exposición debe proceder de negro a blanco (o viceversa) pero no de regreso. En el ejemplo con cortina, la técnica del marco virtual funciona si la cortina se mueve en una dirección, pero no si se mueve hacia adelante y hacia atrás.

Sin embargo, la técnica del marco virtual es un avance significativo para la fotografía. Tiene el potencial de convertir la cámara del teléfono inteligente en su bolsillo trasero en una grabadora de alta velocidad, como la que habría impresionado incluso a Doc Edgerton.

Ref: arxiv.org/abs/1811.02936 : Técnica de marco virtual: imágenes ultrarrápidas con cualquier cámara

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