Cámara de un píxel con iluminación activa acelerada 50 veces

Muestras de fotografías tomadas con la nueva cámara de un solo píxel con retroiluminación para solo 50 plantillas de una distribución aleatoria de Bernoulli (M = 50)

En la fotografía digital tradicional, se acostumbra usar una lente que genera un flujo luminoso y lo dirige a una matriz de elementos fotosensibles: un sensor CCD o CMOS de una cámara digital. Se cree que cuantos más elementos haya en la matriz, mejor será la fotografía: 20 millones de elementos son mejores que 13 millones. Este es uno de los principales indicadores de la calidad de la fotografía, junto con la relación de apertura de la lente y la densidad de los elementos mismos (cuanto menor es la densidad, mayor es el tamaño físico de la matriz, menos distorsión e interferencia dan los elementos).

Pero, ¿qué sucede si la cámara no tiene lente y la matriz fotosensible consta de 1 (un) píxel? Las modernas tecnologías de procesamiento de señal digital realmente le permiten recolectar y procesar muy rápidamente el flujo luminoso con un solo elemento fotosensible. En este caso, la cámara no necesita una lente o una matriz grande. Es decir, el equipo de la cámara se reemplaza por cálculos informáticos.

La fotografía de un solo píxel es parte de un nuevo enfoque llamado fotografía computacional . Esto también incluye otros métodos computacionales innovadores para manipular el flujo de luz: pegar panoramas, expandir el rango dinámico debido a múltiples exposiciones con diferentes velocidades de obturación, cámaras de campo de luz, incluso la famosa fotografía de rendija se puede atribuir a esta categoría.

En fotografía computacional, el sujeto se somete a mediciones , que luego se decodifican para producir una imagen. Una de las tareas fundamentales es deshacerse del objetivo por completo, ya que esta es la parte más cara y pesada de la cámara. Con un procesador suficientemente potente, la lente no es necesaria.

Una de las áreas más prometedoras de la fotografía computacional es la detección de compresión. Es el uso de tal técnica lo que hace posible construir una cámara de un solo píxel, descrita por primera vez en la literatura en 2008 . El modelo original de cámara de un solo píxel es una computadora óptica que consta de un único diodo fotosensible, un micro espejo digital (DMD), dos lentes y un convertidor de analógico a digital.


El modelo original de una cámara de un solo píxel en el laboratorio (2008)

A pesar de un diseño tan primitivo con un fotodiodo, la cámara grabó objetos de forma bastante reconocible al disparar. En este caso, el micromirror digital actúa como un modulador de luz espacial (PMS), un elemento necesario de cualquier cámara de un solo píxel. En el papel del PMS, puede haber otro dispositivo que imponga una cierta modulación espacial en el haz de luz bajo el control de una computadora. Entonces, la señal se codifica, y después de su registro y grabación, se decodifica y forma una imagen.


Reconstrucción de mediciones realizadas por un fotodiodo en forma de imágenes en blanco y negro y en color de 256 × 256 píxeles (segunda y tercera fotografía) en un modelo de 2008. En la primera imagen: la imagen original

Una cámara de un solo píxel requiere miles de mediciones consecutivas, donde la velocidad es un factor clave. Cuanto más rápido se realicen las mediciones, mejor (es deseable que el objeto no se mueva durante las mediciones).

El progreso tecnológico no se detiene, y los sensores de última generación pueden registrar una señal mucho más rápido que los anteriores, lo que abre nuevas posibilidades para crear cámaras de un solo píxel de mejor calidad. Un número reciente de la revista IEEE Transactions on Computational Imaging el 20 de marzo de 2017 describe una cámara moderna de un solo píxel con iluminación de objetos , que funciona en una escala de tiempo de picosegundos.

Los autores del trabajo científico del Laboratorio de Medios del Instituto de Tecnología de Massachusetts explican que el intervalo de picosegundos nos permite distinguir los fotones individuales que ingresan al sensor desde diferentes puntos del objeto con una resolución milimétrica. Al mismo tiempo, el sensor registra más información de este fotón que solo el hecho de la llegada (a diferencia de un píxel normal), por lo que se requieren menos máscaras como PMS.

Las cámaras de un solo píxel con un intervalo de un picosegundo o menos se crearon anteriormente, pero sufrían de baja sensibilidad. El fotodiodo de avalancha de fotón único (SPAD) demostró una buena sensibilidad, a nivel de CMOS moderno, pero tenía una velocidad baja, decenas de picosegundos entre las mediciones.

En un nuevo trabajo científico, se describe un dispositivo que combina las ventajas de todas las cámaras de un solo píxel creadas anteriormente: funciona en una escala de picosegundos y demuestra sensibilidad como la de SPAD. Los experimentos mostraron que para obtener imágenes de alta calidad en una escala de tiempo de mediciones, necesitan 50 veces menos patrones de luz de fondo que en las cámaras tradicionales de un solo píxel. Es decir, puede formar una imagen 50 veces más rápido.


El principio de funcionamiento de la cámara ultrarrápida de un solo píxel de la muestra de 2017: (a) luz de fondo con modulación del frente de onda; (b) medir el tiempo de llegada de fotones reflejados por un sensor omnidireccional ultrarrápido

El principio de funcionamiento de la cámara se muestra en la ilustración. Debe entenderse que cada punto del objeto fotografiado refleja un cono de luz. Al registrar fotones de un cono, podemos concluir sobre la forma de todo el objeto y sobre la distancia a cada punto.


Registro de fotones del cono de luz en diferentes puntos del espacio (arriba) y análisis de señal (abajo)

La cámara muestra una excelente calidad fotográfica. Las siguientes muestras comparan las fotos de muestra (arriba) con una cámara convencional de un solo píxel con patrones de retroiluminación de 50 y 2500 (segunda fila), así como una cámara de un solo píxel de nuevo diseño (tercera y cuarta fila). Los patrones de luz de fondo se seleccionan de la distribución aleatoria de Bernoulli en {−1, 1}, como en el experimento con una cámara convencional de un solo píxel. Tenga en cuenta que solo se utilizan 50 patrones en las muestras de la nueva cámara.



Como puede ver, en el nuevo desarrollo, la calidad de disparo es mucho mayor incluso con una disminución dramática en los patrones de luz de fondo.

El diseño descrito de una cámara de un solo píxel con retroiluminación activa es significativamente superior a cámaras de un solo píxel similares en una serie de características técnicas. Esto hace posible esperar que en el futuro tales cámaras baratas sin partes móviles puedan encontrar aplicaciones prácticas en los electrodomésticos de todos los días.

El trabajo científico fue publicado el 20 de marzo de 2017 en la revista IEEE Transactions on Computational Imaging (doi: 10.1109 / TCI.2017.2684624, pdf ).