Cámara monofotónica permite reproducir vídeos en todas las escala de tiempo

Investigadores de procesamiento de imágenes computacionales de la Universidad de Toronto capturan una señal extraña con una cámara especial. Mientras realizaban experimentos de laboratorio con una cámara equipada con un diodo de avalancha de fotones individuales (SPAD), el Toronto Computational Imaging Group detectó una fluctuación inexplicable de 80 kilohercios (kHz).

Utilizando el poderoso sensor de imágenes de funcionamiento libre, detectaron cada fotón individual a medida que llegaba desde varias fuentes de luz y registraron su tiempo de llegada preciso, hasta una billonésima de segundo. Después de adquirir todos los datos de cada píxel, el equipo aplicó un algoritmo para crear vídeos que reconstruían la luz en un momento dado en un rango extremo, desde segundos hasta picosegundos.

El equipo de la Universidad de Toronto utilizó MATLAB^® para adquirir los datos de las marcas de tiempo de los fotones individuales y controlar los componentes móviles en sus configuraciones para su técnica de obtención de imágenes, que el grupo denominó "microscopio del tiempo".

El SPAD de un solo píxel tiene un cabezal de detección de 60 por 60 milímetros con un pequeño sensor en el medio. Cuando el SPAD detectó una extraña señal de 80 kHz, al principio los investigadores se preguntaron si habían encontrado un artefacto. Luego de una inspección detallada, el equipo descubrió el motivo.

"Tenemos LED T8 para bombillas fluorescentes de repuesto en el laboratorio. "Y tienen una fluctuación de 80 kilohercios", dijo Kutulakos. "Ni teníamos idea".

En la reciente Conferencia Internacional sobre Visión artificial (ICCV) en París, el artículo del equipo sobre imágenes pasivas de un solo fotón de banda ultra ancha recibió un prestigioso premio otorgado sólo a dos artículos entre miles presentados por expertos en visión artificial de todo el mundo.

Las posibles aplicaciones de su técnica incluyen nuevos tipos de sistemas de imágenes 3D y LiDAR, así como imágenes científicas, por ejemplo, para capturar eventos biológicos en múltiples escalas de tiempo o para la observación astronómica de breves pulsos de luz que coinciden con ráfagas de radio rápidas.

Miles de millones de fotogramas por segundo

Los diodos de avalancha de fotón único recién comenzaron a estar disponibles de forma más amplia en el mercado durante la última década. El alto coste del dispositivo significaba que muy pocos laboratorios de informática y visión artificial tenían acceso a él, señaló Kutulakos. Los recientes avances en sensores impulsaron al equipo de la Universidad de Toronto a plantear nuevas preguntas sobre problemas que los científicos de otros campos han estado abordando durante décadas.

Los astrónomos especializados en astronomía de rayos gamma, por ejemplo, desplegaron detectores para captar partículas individuales y marcarles el tiempo. Pero estos astrónomos estaban más interesados en la iluminación periódica de estrellas variables que en la función exacta variable en el tiempo que describe el brillo de las estrellas, ya que requiere la física, explicó Kutulakos.

En el laboratorio de Toronto Computational Imaging Group, el posdoctorado Sotiris Nousias y el estudiante de doctorado Mian Wei utilizaron por primera vez un SPAD para capturar información de tiempo de fotones de diodos emisores de luz.

"Los LED tenían una fluctuación y observamos el flujo de salida", dijo Nousias. "Observamos que la corriente en realidad tenía el mismo patrón que la fluctuación y tratamos de encontrar la conexión matemática. Esa fue nuestra inspiración para el proyecto".

Nousias y Wei, primeros autores del artículo de ICCV, se preguntaron qué información podrían obtener si tuvieran acceso a todos los fotones. Los científicos tienden a operar los SPAD de formas sincronizadas especiales. En lugar de ello, el equipo utilizó el sensor en modo asincrónico. A partir de ahí, los investigadores buscaron conectar las llegadas de fotones discretos con una función continua subyacente que describe la intensidad de la luz que varía en el tiempo.

A toda velocidad por el tiempo

Wei estimó que, sin acceso al software informático técnico, la integración de cada nuevo componente podría llevar días o semanas. "Verificar dos veces que los componentes funcionaron como estaba previsto agregaría aún más tiempo", dijo.

"Con nuestras configuraciones pudimos trasladar al nuevo equipo de Windows^® el código que se había estado ejecutando antes", continuó Wei. "Ahora otra persona puede utilizar código y ejecutar el sistema también".

Posibilidades de imágenes dinámicas

Los investigadores esperan que su descubrimiento inspire nuevos avances. Un área propicia para la exploración es el LiDAR flash, una técnica que produce una imagen de profundidad de alta resolución a partir de un láser pulsado difuso en lugar de un láser pulsado de escaneo. Normalmente, esto implica enviar luz a la escena, medir cuánto tiempo tarda en regresar y usar esta información de tiempo para medir la distancia.

"Uno de los aspectos a tener en cuenta es que es necesario sincronizar la fuente de luz con el sistema para que este mecanismo funcione", explicó Wei. "Dada nuestra capacidad de medir señales de forma asincrónica, nos interesa comprender si podríamos utilizar una fuente de luz asincrónica para realizar un LiDAR con flash".

En biología, eventos como el plegamiento o la unión de proteínas pueden ocurrir en escalas de tiempo que van desde nanosegundos hasta milisegundos. Lindell añadió que el equipo ha estado discutiendo sus técnicas de imágenes con expertos en biología de la universidad.

"El hecho de que estos eventos estén sucediendo en estas escalas de tiempo es interesante para nosotros, y la posibilidad de observarlos de una manera que la gente no ha podido hasta ahora es interesante", dijo.

El reenfoque computacional podría tener aplicaciones en otras ciencias. Los astrofísicos han querido comprender qué causa ráfagas de radio rápidas (FRB) desde que un radiotelescopio detectó el fenómeno por primera vez hace 20 años. Estas misteriosas explosiones de energía ocurren en el cielo y solo duran milisegundos, pero cada una es increíblemente poderosa. El reenfoque computacional podría permitir la detección de FRB en el dominio óptico.

"No sabemos cuándo ocurrirán", dijo Nousias. "Es necesario monitorear el cielo y regresar a los datos en la escala de tiempo de nanosegundos para observarlos. Ahora tenemos la herramienta para hacerlo".

Kutulakos anticipa que su método SPAD podría ayudar a detectar problemas o defectos en componentes mecánicos diseñados que las inspecciones estándar no detectan. Cuando un motor tiene problemas, las vibraciones pueden indicar un problema, pero el motivo exacto puede resultar difícil de determinar sin más información. Apuntar una cámara al motor y recopilar todos los datos, puede solucionarlo, dijo.

El grupo también está colaborando con otros investigadores en microelectrónica para ampliar lo que pueden hacer las cámaras. Una cámara de un solo píxel permite al equipo producir vídeos de movimientos repetitivos, como las aspas de un ventilador girando, pero los eventos verdaderamente dinámicos requieren un sensor 2D.

El equipo planea trabajar en mejorar su técnica. La reconstrucción de las señales sigue siendo un proceso que consume bastante tiempo y es computacionalmente ineficiente, señaló Lindell. Están trabajando en capturar eventos en todas las escalas de tiempo en tiempo real.

"Creo que habrá resultados que no podemos anticipar cuando apuntemos la cámara al laboratorio o incluso al exterior", dijo Lindell. "No veo la hora. Será una nueva forma de capturar el mundo".