Video con billones de imágenes por segundo

ORIGINAL: MIT

Camera Culture Club

Larry Hardesty, Oficina de Noticias, MIT

13 de diciembre 2011

Mediante el uso de equipos ópticos de una manera totalmente inesperada, los investigadores del MIT han creado un sistema de imagen que hace ver lenta la luz.

Investigadores del MIT han creado un nuevo sistema de imágenes que se pueden obtener datos visuales a un ritmo de un billón de exposiciones por segundo. Eso es lo suficientemente rápido como para producir un video en cámara lenta de una explosión de luz que viaja a lo largo de una botella de un litro, rebotando en la tapa y que se refleja de nuevo al fondo de la botella.

Media Lab postdoc Andreas Velten, uno de los desarrolladores del sistema, lo llama lo "último" en cámara lenta: "No hay nada en el universo que sea rápido para  la cámara", dice.

Video: Melanie Gonick

El sistema se basa en una tecnología reciente llamada cámara por tramos, aplicada de una manera totalmente inesperada. La apertura de la cámara por tramos es una ranura estrecha. Las partículas de luz - fotones - entrar en la cámara a través de la hendidura y se convierten en electrones, que pasan a través de un campo eléctrico que los desvía en una dirección perpendicular a la ranura. Debido a que el campo eléctrico está cambiando muy rápidamente, desvía los electrones correspondientes a los fotones-que llegan más tarde de los correspondientes a los primeros que llegan.

La imagen obtenida por la cámara es, pues, dos dimensiones, pero sólo una de las dimensiones - la correspondiente a la dirección del corte - es espacial. La otra dimensión, que corresponde al grado de desviación, es el tiempo. La imagen representa, pues, el momento de la llegada de los fotones que pasan a través de una porción de una dimensión del espacio.

La cámara fue diseñado para ser utilizada en experimentos donde la luz pasa a través o se emite por una muestra de productos químicos. Dado que los químicos están interesados ​​principalmente en las longitudes de onda de luz que absorbe una muestra, o en la forma en la intensidad de los cambios de la luz emitida a través del tiempo, el hecho de que la cámara registra sólo una dimensión espacial es irrelevante.

Pero es un serio inconveniente en una cámara de vídeo. Para producir sus videos de super-cámara lenta, Velten, Media Lab Profesor Ramesh Raskar y Moungi Bawendi, el profesor de Química Lester Wolfe, deben realizar el mismo experimento - como pasar un pulso de luz a través de una botella - una y otra vez, continuamente reposicionamiento de la cámara por tramos para construir poco a poco una imagen de dos dimensiones. Sincronizando la cámara y el láser que genera el pulso, por lo que el tiempo de cada exposición es el mismo, requiere una batería de equipos ópticos sofisticado y exquisito control mecánico. Se tarda sólo un nanosegundo - una mil millonésima de un segundo - para que la luz se disperse a través de una botella, pero se necesita una hora para recoger todos los datos necesarios para el video final. Por esa razón, Raskar llama al nuevo sistema "la cámara más rápida y más lenta en el mundo."

Haciendo cuentas

Después de una hora, los investigadores se acumulan cientos de miles de conjuntos de datos, por cada uno de los tramos que corresponden a las posiciones de una dimensión de fotones en contra de su tiempo de llegada. Raskar, Velten y otros miembros del Grupo de Cultura de la Cámara de Raskar  en el Media Lab han desarrollado unos algoritmos que puede unir los datos en bruto en una serie secuencial de imágenes en dos dimensiones.

La cámara por tramos y el láser que genera los pulsos de luz - ambos dispositivos de última generación con un precio acumulado de 250.000 dólares - fueron suministrados por Bawendi, un pionero en la investigación sobre puntos cuánticos: pequeños, racimos de partículas de semiconductores emisores de luz que tienen potencial aplicaciones en

• computación cuántica, 
• video-tecnología de pantalla, 
• imágenes biológicas, 
• células solares y 
• una serie de otras áreas.

Media Lab postdoc Andreas Velten, a la izquierda, y Profesor Asociado Ramesh Raskar con el montaje experimental que utilizan para producir video en cámara lenta de la dispersión de la luz a través de una botella de plástico. Foto: M. Scott Brauer

El  sistema de imágenes de billones de marcos por segundo, que los investigadores han presentado tanto en la Conferencia sobre Registro y Detección Computacional de Imágenes Ópticas de la Optical Society y en Siggraph, es un spin-off de otro proyecto de Cultura de Cámara, una cámara que puede ver en las esquinas. Esa cámara hace rebotar la luz en una superficie reflectante - por ejemplo, la pared de enfrente de una puerta - y midiendo el tiempo que tarda fotones diferentes a regresar. Sin embargo, aunque ambos sistemas utilizan ráfagas ultracorto de luz láser y cámaras por tramos, la disposición de sus otros componentes ópticos y sus algoritmos de reconstrucción se adaptan a sus tareas dispares.

 Video en cámara lenta de la dispersión de la luz a través de una botella de plástico

Debido a que el sistema ultrarrápido de imágenes requiere de varios pasos para producir sus videos, no puede registrar los eventos que no son exactamente repetibles. Aplicaciones prácticas supondrán probablemente los casos en que la forma en que se dispersa la luz - o rebota cuando golpea superficies diferentes - que es en sí misma una fuente de información útil. Hay casos, sin embargo, pueden incluir el análisis de la estructura física de los materiales de fabricación y los tejidos biológicos - "como el ultrasonido con luz", como lo propone Raskar.

Como investigador cámara durante mucho tiempo, Raskar también ve una aplicación potencial en el desarrollo de mejores flashes de cámaras "Un sueño es, ¿cómo se puede crear iluminación como de estudio a partir de un Flash? ¿Cómo puedo llevar una cámara portátil que tiene un flash pequeño y crear la ilusión de que tengo todos estos paraguas, y las luces deportiva, y así sucesivamente ", pregunta Raskar, profesor asociado para el Desarrollo la Carrera de Artes y Ciencias Mediáticas de NEC. "Con nuestras imágenes ultrarrápidas, en realidad podemos analizar cómo los fotones viajan a través del mundo. Y luego puede volver a crear una nueva foto, creando la ilusión de que los fotones salieron de otro lugar. "

"Es un trabajo muy interesante. Estoy muy impresionado ", dice Nils Abramson, un profesor de holografía aplicada en el Royal Suecia Institute of Technology. A finales de 1970, Abramson fue pionero en una técnica llamada holografía de luz durante el vuelo, que finalmente demostró ser capaz de capturar imágenes de las ondas de luz a un ritmo de 100 mil millones fotogramas por segundo.

Sin embargo, como señala Abramson, su técnica requiere de luz coherente llamada, lo que significa que las depresiones y crestas de las ondas de luz que produce la imagen que se alinean unos con otros. "Si sucede que se destruye la coherencia cuando la luz pasa a través de diferentes objetos, entonces no funciona", dice Abramson. "Así que creo que es mucho mejor si usted puede usar la luz ordinaria, como Ramesh".

De hecho, Velten dice: "Como los fotones rebotan en los objetos de la escena o en el interior, pierden la coherencia. Sólo un método de detección incoherentes como el nuestro pueden ver los fotones" Y los fotones, dice Velten, podría dejar que los investigadores "aprendieran más acerca de las propiedades del material de los objetos, sobre lo que está bajo su superficie y sobre el diseño de la escena. Porque podemos ver los fotones, podríamos utilizarlos para observar el interior de los objetos - por ejemplo, para las imágenes médicas, o para identificar los materiales ".

"Estoy sorprendido de que el método que hemos estado utilizando no haya sido más popular", añade Abramson. "Me he sentido bastante solo. Estoy muy contento de que alguien está haciendo algo similar. Porque creo que hay muchas cosas interesantes para encontrar cuando usted pueda hacer este tipo de estudio de la luz en sí misma. "

Visualización de fotones en movimiento en un billón de fotogramas por segundo

Vídeo de una fruta iluminado por un pulso láser de femtosegundo y capturaron a billones de cuadros por segundo efectivos. La luz se mueve a menos de 1 mm por cuadro.

Hemos construido una solución de imagen que permite visualizar la propagación de la luz a una tasa efectiva de un billón de marcos por segundo. La grabación directa de la luz en una frecuencia de imagen con el suficiente brillo es casi imposible. Utilizamos un método indirecta "estroboscópico" que combina millones de mediciones repetidas mediante el escaneo cuidadoso en el tiempo y los puntos de vista.

El dispositivo ha sido desarrollado por el grupo de Cultura de Cámara del Media Lab de MIT en colaboración con Bawendi Laboratorio en el Departamento de Química en el MIT. Un pulso de láser que dura menos de una billonésima de segundo se utiliza como un flash y la luz que vuelve de la escena es recogida por una cámara a una tasa equivalente a aproximadamente un billón fotogramas por segundo. Sin embargo, debido a los tiempos de exposición son muy cortos (alrededor de una billonésima de segundo) y un estrecho campo de visión de la cámara, el vídeo se captura durante varios minutos por muestreo repetido y periódico.