211service.com
Et enkelt 3D-bildesystem kan fange objekter i bevegelse med 500 000 bilder per sekund
I løpet av de siste årene har det dukket opp ulike teknikker som gjør 3D-bilder billigere og raskere. Noen forbrukerenheter, som iPhone X og Microsoft Kinect, kan lage slike bilder. Og i industrien gjør lignende tilnærminger 3D-bildebehandling til en sentral del av mange produksjonslinjer der innhenting av data uten kontakt er viktig.
Men det er betydelige begrensninger på disse teknikkene, spesielt for høyhastighetsavbildning av objekter i bevegelse. Disse problemene gjør at praktiske systemer ikke kan ta bilder raskere enn rundt 1000 bilder per sekund.
I dag ser det ut til å endre seg takket være arbeidet til Hongwei Chen og kolleger ved Tsinghua University i Beijing. Disse karene har bygget et enkelt 3D-bildesystem som tar opp filmer med en bildefrekvens på 500 000 bilder per sekund. Dessuten gjør de det med et system som bruker enkeltpiksler for å ta opp bildene.
Først litt bakgrunn. Det er to praktiske begrensninger for hvor raskt 3D-bilder kan tas opp. Den første er repetisjonshastigheten til belysningssystemet, som kan fryse handlingen mens du sender et kjent mønster på et objekt for å avsløre formen. Den andre er oppdateringsfrekvensen til CCD-brikkene som fanger opp lys.
Av disse er oppdateringsfrekvensen til CCD-brikker den mest restriktive. For eksempel begrenser den iPhone X i slow-mo-modus til 120 bilder per sekund. Men høyere hastigheter er mulig med høyhastighets belysningssystemer som bruker digitale lysbehandlingsenheter, som har en oppdateringsfrekvens på rundt 10 kilohertz.
Chen og co har forbedret seg på begge punkter. Belysningssystemet deres, som er laserbasert, bruker et smart triks for å kode informasjon med mye høyere hastigheter enn før. Teknikken strekker først hver puls og koder deretter mønstre både i tid og bølgelengde før den komprimerer pulsen igjen. På denne måten kan mønstrene oppdateres med en hastighet på opptil 50 megahertz.
Teamet har også forbedret hastigheten som bilder kan tas med. En CCD-brikke er en rekke lysfølsomme piksler som sammen produserer et 2D-bilde. Men deres underliggende teknologi begrenser oppdateringsfrekvensen til betydelig mindre enn 1000 bilder per sekund.
Den nye tilnærmingen registrerer lys ved hjelp av enkeltpiksler produsert med en helt annen underliggende teknologi som oppdateres med en hastighet på 500 000 bilder per sekund. Men hvordan lage et bilde fra en enkelt piksel?
For å gjøre dette bruker Chen og co en annen revolusjonerende fotografisk teknikk, kalt komprimert sansing. Pikselen registrerer et stort antall påfølgende målinger av lyset som reflekteres fra objektet. Dette lyset er randomisert av det skiftende mønsteret som lyser opp objektet.
Men selv om disse målingene kan virke tilfeldige, er de faktisk korrelert fordi de alle reflekteres fra det samme objektet. Faktisk er korrelasjonen selve bildet. Å finne det er bare et spørsmål om en enkel tallknusing.
Det eneste gjenværende spørsmålet er hvor raskt mønstrene kan projiseres på objektet. Dette er grunnen til at teamets nye 50 MHz belysningsteknikk er så viktig. Det betyr at hvert bilde kan dannes ved å behandle lyset fra 100 mønstre. Dette fører til en bildefrekvens på 500 000 bilder per sekund. Og teamet bruker flere enkeltpiksler for å bygge opp et 3D-bilde.
Voila! Et 3D-bildesystem med potensial til å fange objekter som beveger seg i opptil 500 meter per sekund med 1 millimeters oppløsning. Det kan ha betydelige implikasjoner for fjernovervåking av produksjonslinjer og andre applikasjoner for 3D-bilder. Det er en lovende løsning for høykapasitets industriell online-inspeksjon eller autopilotscreening i fremtidens informasjonssamfunn, sier teamet.
Systemet skal også snart bli enda bedre. Chen og co sier at enkle modifikasjoner av belysningssystemet deres vil tillate det å projisere mønstre med gigahertz-hastighet, og at dette vil tillate bildene å bli konstruert med en hastighet på 100 000 bilder per sekund. Så selv etter tusenvis eller millioner av iterasjoner brukt til enkeltpikselrekonstruksjon, kan bildehastigheten også nå opp til mer enn 100 kHz, sier de. Imponerende arbeid!
Ref: arxiv.org/abs/1901.04141 : Tidskodet 3D-bilde med én piksel