En la década de 1930, un joven ingeniero eléctrico llamado Harold Edgerton comenzó a experimentar con la fotografía con flash electrónico en el Instituto de Tecnología de Massachussets (MIT, EE.UU.). Se hizo famoso por usarlo para capturar la acción de objetos cotidianos, como un chorro de agua, un globo que explota y una bala que atraviesa una manzana.

Edgerton fue pionero en una amplia gama de técnicas de flash simple y múltiple (así como en muchas otras técnicas de imagen). Un gran número de sus técnicas vienen incorporadas de serie en algunos modelos de cámaras y teléfonos inteligentes.

Desde entonces, las velocidades de obturación han ido aumentando. Algunos iPhone pueden tomar imágenes individuales con una velocidad de obturación de 1/10.000 por segundo. Las cámaras especializadas pueden hacer fotos a una velocidad de 1/40.000 por segundo. Pero este tipo de equipos son complejos y caros, lo que los vuelve inaccesibles para la mayoría de las personas.

Pero esto podría estar a punto de cambiar gracias al trabajo del investigador de la Universidad de Harvard (EE.UU.) Sam Dillavou y un par de colegas. El equipo ha desarrollado una técnica que permite que cualquier cámara electrónica ordinaria y los teléfonos inteligentes capturen imágenes a una impresionante 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 captan la intensidad, generalmente en una escala de 16 niveles, determinada por el nivel de bits de los píxeles. Así que, durante una exposición, cada píxel puede grabar 14 tonos de gris entre el blanco y el negro.

Este nivel de detalle es innecesario para muchos tipos de imágenes. Generalmente basta con una simple imagen en blanco o negro. En ese caso, el detalle gris adicional es redundante. Esto es lo que inspiró a Dillavou y sus colegas para separar las imágenes individuales en múltiples exposiciones más cortas.

El modo de hacerlo es el siguiente: imagine una pared blanca cubierta con 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 en el lado izquierdo de la imagen primero registran la cortina negra, pero luego también la pared blanca a medida que la cortina se mueve hacia el otro lado. Esto tiende a un nivel de exposición medio de un color gris claro. Pero los píxeles registrados en el lado derecho de la imagen ven la cortina negra en la mayor parte de la exposición. La pared blanca sólo aparece al final de la exposición. En ese caso, el promedio es un gris oscuro. Del mismo modo, los píxeles en el centro de la imagen registrarán un gris medio. Y la imagen final aparece como un gris graduado, que representa el movimiento de la cortina.

La idea clave de Dillavou y sus colegas es que esta imagen única puede considerarse como muchas instantáneas en blanco y negro de la cortina en movimiento, superpuestas una sobre otra. 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.

Con esta idea en mente, los investigadores desarrollaron una técnica matemática para extraer estas imágenes a partir de una sola imagen, una idea que han bautizado como técnica del fotograma virtual. En este caso, se pueden crear 16 imágenes de la cortina mientras se mueve por la pared.

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

Colocaron una lámina estirada frente a un divisor de rayos que envió la luz a las dos cámaras, de modo que ambas tenían la misma vista de la lámina. El equipo puso la iluminación de modo que la lámina apareciera negra, mientras que el fondo parecía blanco. Utilizaron un bisturí para cortar la lámina y registraron con ambas cámaras la forma en la que se dividía mientras el corte corría a través de la lámina.

Para terminar, el equipo usó la técnica del fotograma virtual para extraer imágenes de alta velocidad de los fotogramas y compararlas con las de la cámara de alta velocidad que dispara 40.000 fotogramas por segundo. El vídeo de esta comparación se puede descargar aquí.

Los resultados muestran que la técnica del fotograma virtual tiene un gran potencial. Primero, ambos conjuntos de imágenes muestran un proceso de fractura similar, lo que confirma el éxito del enfoque. Pero también tiene una serie de ventajas importantes. La técnica es capaz de grabar 1,3 megapíxeles en cada imagen frente a los 60 kilopíxeles de una cámara estándar. Esto aumenta drásticamente el campo de visión y, por lo tanto, la distancia a la cual se puede registrar la fractura. La velocidad del fotograma virtual también es mucho más rápida. "La velocidad efectiva del fotograma lograda usando [la técnica de fotograma virtual] es 1MHz", sostienen Dillavou y sus compañeros.

El equipo sigue estudiando cómo la aplicación de la nueva técnica a una variedad de cámaras diferentes aumenta su velocidad de fotogramas. Los números son reveladores. "Por ejemplo, la Nikon D850 graba fotogramas virtuales a 16MHz mientras mantiene una resolución de más de 50Mpx", explican. Un iPhone X sería capaz de grabar hasta un millón de fotogramas por segundo usando esta técnica.

Hay pocas razones para pensar que esto no se pueda implementar fácilmente, ya que todo el procesamiento de las imágenes se realiza más adelante. "Incrementar la velocidad mediante el fotograma virtual no requiere ningún cambio en el funcionamiento de la cámara", afirma el equipo.

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

Y el fenómeno en sí mismo debe ser lo que Dillavou y sus compañeros llaman monotónico. En otras palabras, cualquier cambio durante una exposición debe avanzar de negro a blanco (o viceversa) pero no puede volver de nuevo. En el ejemplo de la cortina, la técnica de fotograma virtual funciona si la cortina se mueve en una dirección pero no si se mueve hacia adelante y hacia atrás.

Aún así, la técnica del fotograma virtual es un gran avance para la fotografía. Tiene el potencial de convertir la cámara del teléfono inteligente de nuestro bolsillo trasero en una grabadora de alta velocidad, algo que hubiera impresionado incluso a Doc Edgerton.

Ref: arxiv.org/abs/1811.02936: Virtual Frame Technique: Ultrafast Imaging with Any Camera