Câmera de pixel único com iluminação ativa acelerada 50 vezes

Amostras de fotografias tiradas com a nova câmera de pixel único com luz de fundo para apenas 50 modelos de uma distribuição aleatória de Bernoulli (M = 50)

Na fotografia digital tradicional, é comum o uso de uma lente que gera um fluxo luminoso e o direciona para uma matriz de elementos fotossensíveis - um sensor CCD ou CMOS de uma câmera digital. Acredita-se que quanto mais elementos na matriz, melhor a fotografia: 20 milhões de elementos são melhores que 13 milhões. Esse é um dos principais indicadores da qualidade da fotografia, juntamente com a taxa de abertura da lente e a densidade dos próprios elementos (quanto menor a densidade, maior o tamanho físico da matriz, menor distorção e interferência os elementos geram).

Mas e se a câmera não possuir lente e a matriz fotossensível consistir em 1 (um) pixel? As modernas tecnologias de processamento de sinal digital permitem realmente coletar e processar rapidamente o fluxo luminoso com um único elemento fotossensível. Nesse caso, a câmera não precisa de uma lente ou uma matriz grande. Ou seja, o equipamento da câmera é substituído por cálculos de computador.

A fotografia com um único pixel faz parte de uma nova abordagem chamada fotografia computacional . Isso também inclui outros métodos computacionais inovadores para manipular o fluxo de luz: colar panoramas, expandir a faixa dinâmica devido a múltiplas exposições com diferentes velocidades de obturador, câmeras de campo de luz e até a notória fotografia de fenda pode ser atribuída a esta categoria.

Na fotografia computacional, o sujeito é submetido a medições , que são decodificadas para produzir uma imagem. Uma das tarefas fundamentais é livrar-se completamente da lente, já que esta é a parte mais cara e pesada da câmera. Com um processador suficientemente poderoso, a lente não é necessária.

Uma das áreas mais promissoras da fotografia computacional é a detecção compressiva. É o uso dessa técnica que possibilita a construção de uma câmera de pixel único, descrita pela primeira vez na literatura em 2008 . O modelo original da câmera de pixel único é um computador óptico que consiste em um único diodo fotossensível, um micro espelho digital (DMD), duas lentes e um conversor de analógico para digital.


O modelo original de uma câmera de pixel único em laboratório (2008)

Apesar de um design tão primitivo com um fotodiodo, a câmera reconheceu objetos gravados ao fotografar. Nesse caso, o micro-espelho digital atua como um modulador de luz espacial (PMS) - um elemento necessário de qualquer câmera de pixel único. No papel do PMS, pode haver outro dispositivo que impõe uma certa modulação espacial no feixe de luz sob o controle de um computador. Assim, o sinal é codificado e, após seu registro e gravação, é decodificado de volta e forma uma imagem.


Reconstrução de medições feitas por um fotodiodo na forma de imagens em preto e branco e coloridas de 256 × 256 pixels (segunda e terceira fotografias) em um modelo de 2008. Na primeira imagem - a imagem original

Uma câmera de pixel único requer milhares de medições consecutivas, onde a velocidade é um fator chave. Quanto mais rápidas as medições são realizadas, melhor (é desejável que o objeto não se mova durante as medições).

O progresso tecnológico não pára e os sensores de última geração conseguem registrar um sinal muito mais rapidamente que os anteriores, o que abre novas possibilidades para a criação de câmeras de pixel único de melhor qualidade. Uma edição recente da revista IEEE Transactions on Computational Imaging , em 20 de março de 2017, descreve uma moderna câmera de pixel único com iluminação de objeto , que funciona em uma escala de tempo de picossegundos.

Os autores do trabalho científico do Media Lab do Massachusetts Institute of Technology explicam que o intervalo de picossegundos nos permite distinguir os fótons individuais que entram no sensor de diferentes pontos do objeto com resolução milimétrica. Ao mesmo tempo, o sensor registra mais informações desse fóton do que apenas o fato de chegar (ao contrário de um pixel comum), portanto, são necessárias menos máscaras como PMS.

Câmeras de pixel único com intervalo de picossegundo ou menos foram criadas anteriormente, mas sofriam de baixa sensibilidade. O fotodiodo de avalanche de fóton único (SPAD) demonstrou boa sensibilidade - no nível do CMOS moderno, mas tinha uma velocidade baixa, dezenas de picossegundos entre as medições.

Um novo trabalho científico descreve um dispositivo que combina as vantagens de todas as câmeras de pixel único criadas anteriormente: ele funciona em escala de picossegundos e demonstra sensibilidade como a do SPAD. Os experimentos mostraram que, para obter imagens de alta qualidade em uma escala de tempo dessas medições, eles precisam de 50 vezes menos padrões de luz de fundo do que nas câmeras tradicionais de pixel único. Ou seja, você pode formar uma imagem 50 vezes mais rápido.


O princípio de operação da câmera ultra-rápida de pixel único da amostra de 2017: (a) luz de fundo com modulação da frente de onda; (b) medir o tempo de chegada dos fótons refletidos por um sensor omnidirecional ultra-rápido

O princípio de operação da câmera é mostrado na ilustração. Deve-se entender que cada ponto do objeto fotografado reflete um cone de luz. Registrando fótons a partir de um cone, podemos concluir sobre a forma de todo o objeto e sobre a distância de cada ponto.


Registro de fótons do cone de luz em diferentes pontos do espaço (acima) e análise de sinais (abaixo)

A câmera mostra uma excelente qualidade fotográfica. As amostras a seguir comparam as fotos de amostra (em cima) com uma câmera convencional de pixel único com 50 e 2500 padrões de luz de fundo (segunda linha), bem como uma câmera de pixel único de novo design (terceira e quarta linha). Os padrões de luz de fundo são selecionados da distribuição aleatória de Bernoulli em {−1, 1}, como no experimento com uma câmera convencional de pixel único. Observe que apenas 50 padrões são usados ​​nas amostras da nova câmera.



Como você pode ver, no novo desenvolvimento, a qualidade do disparo é muito maior, mesmo com uma redução drástica nos padrões de luz de fundo.

O design descrito de uma câmera de pixel único com luz de fundo ativa é significativamente superior às câmeras de pixel único semelhantes em várias características técnicas. Isso permite esperar que, no futuro, essas câmeras baratas, sem partes móveis, possam encontrar aplicações práticas em aparelhos domésticos comuns.

O trabalho científico foi publicado em 20 de março de 2017 na revista IEEE Transactions on Computational Imaging (doi: 10.1109 / TCI.2017.2684624, pdf ).