En los últimos años, han surgido varias técnicas que permiten crear imágenes en 3D de forma más barata y rápida. Algunos dispositivos de consumo, como el iPhone X y el Microsoft Kinect, pueden hacerlo. Y en la industria, métodos similares convierten las imágenes 3D en una parte clave de muchas líneas de producción donde es importante la toma de datos sin contacto.

Pero todas estas técnicas presentan importantes limitaciones, particularmente para imágenes de objetos en movimiento de alta velocidad. Estos problemas significan que los sistemas no pueden capturar imágenes a un ratio superior al de unos 1.000 fotogramas por segundo.

Pero esto podría estar a punto de cambiar gracias al trabajo del investigador de la Universidad de Tsinghua en Beijing (China) Hongwei Chen y sus colegas. Han construido un sistema simple de imágenes en 3D que graba películas a una velocidad de 500.000 fotogramas por segundo. Además, su sistema utiliza un único píxel para grabar las imágenes.

Primero, algunos antecedentes. Hay dos límites prácticos en cuanto a la rapidez con la que se pueden tomar las imágenes en 3D. El primero es el índice de repetición del sistema de iluminación, que puede congelar la acción mientras transmite 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.

La frecuencia de actualización de los chips CCD es la más restrictiva. Por ejemplo, limita el iPhone X en modo de cámara lenta a 120 fotogramas por segundo. Pero es posible lograr mayores velocidades con los sistemas de iluminación que utilizan los dispositivos digitales de procesamiento de luz, que tienen una frecuencia de actualización de alrededor de 10 kilohercios.

Chen y sus colegas han conseguido mejorar ambos factores. Su sistema de iluminación, basado en láser, utiliza un inteligente truco para codificar la información a velocidades mucho más altas que antes. La técnica primero estira cada pulso y luego codifica los patrones tanto en el tiempo como en la longitud de onda antes de comprimir nuevamente el pulso. De esta manera, los patrones se pueden actualizar 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 producen una imagen 2D. Pero su tecnología subyacente limita la frecuencia de actualización a menos de 1.000 fotogramas por segundo.

El nuevo método registra la luz utilizando los píxeles individuales producidos con una tecnología completamente diferente que se actualiza a una velocidad de 500.000 fotogramas por segundo. ¿Pero cómo crear una imagen desde un solo píxel?

Para hacerlo, Chen y sus colegas usan otra técnica fotográfica revolucionaria, llamada detección por compresión. El píxel registra una gran cantidad de mediciones consecutivas de la luz reflejada en el objeto. Esta luz se emite de forma aleatoria mediante un patrón cambiante que ilumina el objeto.

Pero, aunque estas mediciones pueden parecer aleatorias, en realidad están correlacionadas porque todas se reflejan en el mismo objeto. De hecho, la correlación da lugar a la propia imagen. Identificar esta correlación solo es cuestión de un simple procesamiento de números.

La única pregunta que queda es lo rápido que pueden proyectarse los patrones sobre el objeto. Por eso es tan importante la nueva técnica de iluminación de 50 megahercios del equipo. Significa que cada imagen puede formarse procesando la luz a partir de 100 patrones. Esto lleva a una velocidad de 500.000 fotogramas por segundo. El equipo usa varios píxeles individuales para construir una imagen 3D.

¡Voila! Un sistema de imágenes en 3D con el potencial de capturar objetos que viajan hasta 500 metros por segundo con una resolución de un milímetro. Se trata de un avance que podría tener implicaciones significativas para el control remoto de líneas de producción y otras aplicaciones de imágenes 3D. "Es una solución prometedora para la inspección industrial online de alto rendimiento y la detección automática de pilotos en la futura sociedad de la información", concluye el equipo.

El sistema debería mejorar aún más dentro de poco. Chen y sus colegas afirman que las modificaciones directas de su sistema de iluminación permitirán proyectar patrones a velocidades de gigahercio, y que esto haría que las imágenes se crearan a una velocidad de 100.000 fotogramas por segundo. "Entonces, incluso después de miles o millones de iteraciones utilizadas para la reconstrucción de un solo píxel, la velocidad de captura de imágenes también podría alcanzar más de 100 kilohercios", explican. ¡Un impresionante trabajo!

Ref: arxiv.org/abs/1901.04141:  Time-encoded single-pixel 3D imaging