211service.com
Ett enkelt 3D-bildsystem kan fånga rörliga objekt med 500 000 bilder per sekund
Under de senaste åren har olika tekniker dykt upp som gör 3D-bilder billigare och snabbare. Vissa konsumentenheter, som iPhone X och Microsoft Kinect, kan skapa sådana bilder. Och inom industrin gör liknande tillvägagångssätt 3D-avbildning till en viktig del av många produktionslinjer där kontaktlös datainsamling är viktig.
Men det finns betydande begränsningar för dessa tekniker, särskilt för höghastighetsavbildning av rörliga föremål. Dessa problem gör att praktiska system inte kan ta bilder snabbare än runt 1 000 bilder per sekund.
Idag ser det ut att förändras tack vare Hongwei Chens och kollegors arbete vid Tsinghua University i Peking. Dessa killar har byggt ett enkelt 3D-bildsystem som spelar in filmer med en bildhastighet på 500 000 bilder per sekund. Dessutom gör de det med ett system som använder enstaka pixlar för att spela in bilderna.
Först lite bakgrund. Det finns två praktiska begränsningar för hur snabbt 3D-bilder kan spelas in. Den första är upprepningshastigheten för belysningssystemet, som kan frysa handlingen samtidigt som ett känt mönster strålar mot ett objekt för att avslöja dess form. Den andra är uppdateringsfrekvensen för CCD-chips som fångar ljus.
Av dessa är uppdateringshastigheten för CCD-chips den mest restriktiva. Till exempel begränsar det iPhone X i slow-mo-läge till 120 bilder per sekund. Men högre hastigheter är möjliga med höghastighetsbelysningssystem som använder digitala ljusbearbetningsenheter, som har en uppdateringshastighet på cirka 10 kilohertz.
Chen och co har förbättrats på båda punkter. Deras belysningssystem, som är laserbaserat, använder ett smart knep för att koda information i mycket högre hastigheter än tidigare. Tekniken sträcker först ut varje puls och kodar sedan mönster både i tid och i våglängd innan pulsen komprimeras igen. På så sätt kan mönstren uppdateras med en hastighet på upp till 50 megahertz.
Teamet har också förbättrat hastigheten med vilken bilder kan tas. Ett CCD-chip är en uppsättning ljuskänsliga pixlar som tillsammans producerar en 2D-bild. Men deras underliggande teknik begränsar uppdateringsfrekvensen till betydligt mindre än 1 000 bilder per sekund.
Det nya tillvägagångssättet registrerar ljus med enstaka pixlar som produceras med en helt annan underliggande teknik som uppdateras med en hastighet av 500 000 bilder per sekund. Men hur skapar man en bild från en enda pixel?
För att göra detta använder Chen och co en annan revolutionerande fotografisk teknik, kallad komprimerad avkänning. Pixeln registrerar ett stort antal på varandra följande mätningar av ljuset som reflekteras från objektet. Detta ljus är randomiserat av det föränderliga mönstret som lyser upp föremålet.
Men även om dessa mätningar kan verka slumpmässiga, är de faktiskt korrelerade eftersom de alla reflekteras från samma objekt. Faktum är att korrelationen är själva bilden. Att hitta det är bara en fråga om några okomplicerade siffror.
Den enda återstående frågan är hur snabbt mönstren kan projiceras på objektet. Det är därför lagets nya 50 MHz belysningsteknik är så viktig. Det betyder att varje bild kan skapas genom att bearbeta ljuset från 100 mönster. Detta leder till en bildhastighet på 500 000 bilder per sekund. Och teamet använder flera enstaka pixlar för att bygga upp en 3D-bild.
Voila! Ett 3D-bildsystem med potential att fånga objekt som färdas i upp till 500 meter per sekund med en upplösning på 1 millimeter. Det kan få betydande konsekvenser för fjärrövervakning av produktionslinjer och andra tillämpningar av 3D-avbildning. Det är en lovande lösning för industriell on-line-inspektion med hög genomströmning eller autopilotscreening i framtidens informationssamhälle, säger teamet.
Systemet borde också snart bli ännu bättre. Chen och co säger att enkla modifieringar av deras belysningssystem kommer att göra det möjligt för dem att projicera mönster med gigahertzhastighet, och att detta skulle göra det möjligt för bilderna att konstrueras med en hastighet av 100 000 bilder per sekund. Så även efter tusentals eller miljontals iterationer som använts för enpixelrekonstruktion kan bildhastigheten också nå upp till mer än 100 kHz, säger de. Imponerande arbete!
Ref: arxiv.org/abs/1901.04141 : Tidskodad enpixel 3D-bild