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Un sencillo sistema de imágenes en 3D puede capturar objetos en movimiento a 500 000 fotogramas por segundo
En los últimos años han surgido varias técnicas que hacen que las imágenes en 3D sean más baratas y rápidas. Algunos dispositivos de consumo, como el iPhone X y Microsoft Kinect, pueden crear este tipo de imágenes. Y en la industria, enfoques similares hacen que las imágenes en 3D sean una parte clave de muchas líneas de producción donde la adquisición de datos sin contacto es importante.
Pero existen limitaciones significativas en estas técnicas, particularmente para imágenes de alta velocidad de objetos en movimiento. Estos problemas significan que los sistemas prácticos no pueden capturar imágenes más rápido que alrededor de 1000 fotogramas por segundo.
Hoy, parece que eso va a cambiar gracias al trabajo de Hongwei Chen y sus colegas de la Universidad de Tsinghua en Beijing. Estos muchachos han construido un sistema de imágenes 3D simple que graba películas a una velocidad de cuadro de 500,000 cuadros por segundo. Además, lo hacen con un sistema que utiliza píxeles individuales para grabar las imágenes.
Primero, algunos antecedentes. Hay dos límites prácticos sobre la rapidez con la que se pueden grabar imágenes en 3D. El primero es la tasa de repetición del sistema de iluminación, que puede congelar la acción mientras emite un patrón conocido sobre un objeto para revelar su forma. El segundo es la frecuencia de actualización de los chips CCD que capturan la luz.
De estos, la frecuencia de actualización de los chips CCD es la más restrictiva. Por ejemplo, limita el iPhone X en modo cámara lenta a 120 fotogramas por segundo. Pero son posibles velocidades más altas con sistemas de iluminación de alta velocidad que utilizan dispositivos de procesamiento de luz digital, que tienen una frecuencia de actualización de alrededor de 10 kilohercios.
Chen y compañía han mejorado en ambos aspectos. Su sistema de iluminación, que está basado en láser, utiliza un ingenioso truco para codificar información a velocidades mucho más altas que antes. La técnica primero estira cada pulso y luego codifica patrones tanto en tiempo como en longitud de onda antes de comprimir el pulso nuevamente. De esta forma, los patrones pueden actualizarse a una velocidad de hasta 50 megahercios.
El equipo también ha mejorado la velocidad a la que se pueden capturar las imágenes. Un chip CCD es una matriz de píxeles sensibles a la luz que juntos producen una imagen 2D. Pero su tecnología subyacente limita la frecuencia de actualización a menos de 1000 fotogramas por segundo.
El nuevo enfoque registra la luz utilizando píxeles individuales producidos con una tecnología subyacente completamente diferente que se actualiza a una velocidad de 500 000 fotogramas por segundo. Pero, ¿cómo crear una imagen a partir de un solo píxel?
Para hacer esto, Chen y compañía usan otra técnica fotográfica revolucionaria, llamada detección comprimida. El píxel registra una gran cantidad de mediciones consecutivas de la luz reflejada por el objeto. Esta luz es aleatorizada por el patrón cambiante que ilumina el objeto.
Pero aunque estas medidas puedan parecer aleatorias, en realidad están correlacionadas porque todas se reflejan en el mismo objeto. De hecho, la correlación es la imagen misma. Encontrarlo es solo una cuestión de un cálculo numérico directo.
La única pregunta que queda es qué tan rápido se pueden proyectar los patrones en el objeto. Por eso es tan importante la nueva técnica de iluminación de 50 MHz del equipo. Significa que cada imagen se puede formar procesando la luz de 100 patrones. Esto conduce a una velocidad de fotogramas de 500.000 fotogramas por segundo. Y el equipo usa varios píxeles individuales para construir una imagen 3D.
¡Voila! Un sistema de imágenes 3D con el potencial de capturar objetos que viajan a una velocidad de hasta 500 metros por segundo con una resolución de 1 milímetro. Eso podría tener implicaciones significativas para el monitoreo remoto de líneas de producción y otras aplicaciones de imágenes 3D. Es una solución prometedora para la inspección en línea industrial de alto rendimiento o la detección de piloto automático en la futura sociedad de la información, dice el equipo.
El sistema también debería ser pronto aún mejor. Chen y sus colegas dicen que las modificaciones sencillas a su sistema de iluminación le permitirán proyectar patrones a velocidades de gigahercios y que esto permitiría que las imágenes se construyan a una velocidad de 100,000 cuadros por segundo. Entonces, incluso después de miles o millones de iteraciones utilizadas para la reconstrucción de un solo píxel, la velocidad de la imagen también podría alcanzar más de 100 kHz, dicen. ¡Impresionante trabajo!
Ref: arxiv.org/abs/1901.04141 : Imágenes 3D de un solo píxel con codificación de tiempo