Een eenvoudig 3D-beeldvormingssysteem kan bewegende objecten vastleggen met 500.000 frames per seconde

De afgelopen jaren zijn er verschillende technieken ontstaan ​​die 3D-beeldvorming goedkoper en sneller maken. Sommige consumentenapparaten, zoals de iPhone X en de Microsoft Kinect, kunnen dergelijke afbeeldingen maken. En in de industrie maken vergelijkbare benaderingen 3D-beeldvorming een belangrijk onderdeel van veel productielijnen waar contactloze data-acquisitie belangrijk is.

Maar er zijn aanzienlijke beperkingen aan deze technieken, met name voor snelle beeldvorming van bewegende objecten. Deze problemen zorgen ervoor dat praktische systemen geen beelden kunnen vastleggen die sneller zijn dan ongeveer 1.000 frames per seconde.

Vandaag lijkt dat te veranderen dankzij het werk van Hongwei Chen en collega's van de Tsinghua University in Peking. Deze jongens hebben een eenvoudig 3D-beeldvormingssysteem gebouwd dat films opneemt met een framesnelheid van 500.000 frames per seconde. Bovendien doen ze dat met een systeem dat enkele pixels gebruikt om de beelden op te nemen.

Eerst wat achtergrond. Er zijn twee praktische limieten voor hoe snel 3D-beelden kunnen worden opgenomen. De eerste is de herhalingssnelheid van het verlichtingssysteem, dat de actie kan bevriezen terwijl een bekend patroon op een object wordt gestraald om zijn vorm te onthullen. De tweede is de verversingssnelheid van de CCD-chips die licht opvangen.

Hiervan is de verversingssnelheid van CCD-chips de meest beperkende. Zo beperkt het de iPhone X in slow-mo modus tot 120 frames per seconde. Maar hogere snelheden zijn mogelijk met snelle verlichtingssystemen die gebruikmaken van digitale lichtverwerkingsapparatuur, die een verversingssnelheid van ongeveer 10 kilohertz hebben.

Chen en co zijn op beide punten verbeterd. Hun verlichtingssysteem, dat op laser is gebaseerd, gebruikt een slimme truc om informatie te coderen met veel hogere snelheden dan voorheen. De techniek rekt eerst elke puls uit en codeert vervolgens patronen zowel in tijd als in golflengte voordat de puls opnieuw wordt gecomprimeerd. Op deze manier kunnen de patronen verversen met een snelheid tot 50 megahertz.

Het team heeft ook de snelheid verbeterd waarmee beelden kunnen worden vastgelegd. Een CCD-chip is een array van lichtgevoelige pixels die samen een 2D-beeld produceren. Maar hun onderliggende technologie beperkt de verversingssnelheid tot aanzienlijk minder dan 1.000 frames per seconde.

De nieuwe aanpak registreert licht met behulp van enkele pixels die zijn geproduceerd met een geheel andere onderliggende technologie die ververst met een snelheid van 500.000 frames per seconde. Maar hoe maak je een afbeelding van een enkele pixel?

Om dit te doen, gebruiken Chen en co een andere revolutionaire fotografische techniek, genaamd gecomprimeerde waarneming. De pixel registreert een groot aantal opeenvolgende metingen van het licht dat door het object wordt gereflecteerd. Dit licht wordt willekeurig verdeeld door het veranderende patroon dat het object verlicht.

Maar hoewel deze metingen willekeurig lijken, zijn ze in feite gecorreleerd omdat ze allemaal door hetzelfde object worden weerkaatst. De correlatie is inderdaad het beeld zelf. Het vinden van het is gewoon een kwestie van wat rechttoe rechtaan cijfers kraken.

De enige resterende vraag is hoe snel de patronen op het object kunnen worden geprojecteerd. Daarom is de nieuwe 50 MHz-verlichtingstechniek van het team zo belangrijk. Het betekent dat elk beeld kan worden gevormd door het licht van 100 patronen te verwerken. Dit leidt tot een framerate van 500.000 frames per seconde. En het team gebruikt verschillende enkele pixels om een ​​3D-beeld op te bouwen.

Voila! Een 3D-beeldvormingssysteem met het potentieel om objecten vast te leggen die met een snelheid tot 500 meter per seconde reizen met een resolutie van 1 millimeter. Dat zou belangrijke implicaties kunnen hebben voor het op afstand monitoren van productielijnen en andere toepassingen van 3D-beeldvorming. Het is een veelbelovende oplossing voor industriële online-inspectie met hoge doorvoer of automatische pilootscreening in de toekomstige informatiemaatschappij, aldus het team.

Het systeem moet binnenkort ook nog beter worden. Chen en co zeggen dat eenvoudige aanpassingen aan hun verlichtingssysteem het mogelijk zullen maken om patronen met gigahertz-snelheid te projecteren en dat dit het mogelijk zou maken om de beelden te construeren met een snelheid van 100.000 frames per seconde. Dus zelfs na duizenden of miljoenen iteraties die zijn gebruikt voor reconstructie van één pixel, kan de beeldsnelheid ook oplopen tot meer dan 100 kHz, zeggen ze. Indrukwekkend werk!

Referentie: arxiv.org/abs/1901.04141 : Tijdgecodeerde 3D-beeldvorming met één pixel

zich verstoppen