211service.com
Et simpelt 3D-billeddannelsessystem kan fange objekter i bevægelse med 500.000 billeder i sekundet
I de senere år er der dukket forskellige teknikker op, der gør 3D-billeddannelse billigere og hurtigere. Nogle forbrugerenheder, såsom iPhone X og Microsoft Kinect, kan oprette sådanne billeder. Og i industrien gør lignende tilgange 3D-billeddannelse til en vigtig del af mange produktionslinjer, hvor kontaktfri dataopsamling er vigtig.
Men der er betydelige begrænsninger for disse teknikker, især for højhastighedsbilleddannelse af objekter i bevægelse. Disse problemer betyder, at praktiske systemer ikke kan tage billeder hurtigere end omkring 1.000 billeder i sekundet.
I dag ser det ud til at ændre sig takket være arbejdet fra Hongwei Chen og kolleger på Tsinghua University i Beijing. Disse fyre har bygget et simpelt 3D-billeddannelsessystem, der optager film med en billedhastighed på 500.000 billeder i sekundet. Hvad mere er, de gør det med et system, der bruger enkelte pixels til at optage billederne.
Først lidt baggrund. Der er to praktiske begrænsninger for, hvor hurtigt 3D-billeder kan optages. Den første er gentagelseshastigheden af belysningssystemet, som kan fryse handlingen, mens den sender et kendt mønster på et objekt for at afsløre dets form. Den anden er opdateringshastigheden for CCD-chips, der fanger lys.
Af disse er opdateringshastigheden for CCD-chips den mest restriktive. For eksempel begrænser det iPhone X i slow-mo-tilstand til 120 billeder i sekundet. Men højere hastigheder er mulige med højhastighedsbelysningssystemer, der bruger digitale lysbehandlingsenheder, som har en opdateringshastighed på omkring 10 kilohertz.
Chen og co har forbedret sig på begge punkter. Deres belysningssystem, som er laserbaseret, bruger et smart trick til at indkode information med meget højere hastigheder end før. Teknikken strækker først hver puls og koder derefter mønstre både i tid og i bølgelængde, før den komprimerer pulsen igen. På denne måde kan mønstrene opdateres med en hastighed på op til 50 megahertz.
Holdet har også forbedret hastigheden, hvormed billeder kan tages. En CCD-chip er en række lysfølsomme pixels, der tilsammen producerer et 2D-billede. Men deres underliggende teknologi begrænser opdateringshastigheden til væsentligt mindre end 1.000 billeder i sekundet.
Den nye tilgang optager lys ved hjælp af enkeltpixel produceret med en helt anden underliggende teknologi, der opdateres med en hastighed på 500.000 billeder i sekundet. Men hvordan laver man et billede fra en enkelt pixel?
For at gøre dette bruger Chen og co en anden revolutionær fotografisk teknik, kaldet komprimeret sansning. Pixelen registrerer et stort antal på hinanden følgende målinger af lyset, der reflekteres fra objektet. Dette lys er randomiseret af det skiftende mønster, der oplyser objektet.
Men selvom disse målinger kan virke tilfældige, er de faktisk korrelerede, fordi de alle reflekteres fra det samme objekt. Korrelationen er faktisk selve billedet. At finde det er bare et spørgsmål om ligetil talknakning.
Det eneste tilbageværende spørgsmål er, hvor hurtigt mønstrene kan projiceres på objektet. Det er derfor, holdets nye 50 MHz belysningsteknik er så vigtig. Det betyder, at hvert billede kan dannes ved at behandle lyset fra 100 mønstre. Dette fører til en billedhastighed på 500.000 billeder i sekundet. Og teamet bruger flere enkelte pixels til at opbygge et 3D-billede.
Voila! Et 3D-billeddannelsessystem med potentiale til at fange objekter, der bevæger sig med op til 500 meter i sekundet med en opløsning på 1 millimeter. Det kan have betydelige konsekvenser for fjernovervågning af produktionslinjer og andre anvendelser af 3D-billeddannelse. Det er en lovende løsning til industriel on-line inspektion med høj kapacitet eller autopilotscreening i fremtidens informationssamfund, siger teamet.
Systemet skulle også snart blive endnu bedre. Chen og co siger, at enkle ændringer af deres belysningssystem vil gøre det muligt for dem at projicere mønstre med gigahertz-hastigheder, og at dette ville tillade billederne at blive konstrueret med en hastighed på 100.000 billeder i sekundet. Så selv efter tusinder eller millioner af iterationer brugt til enkeltpixel rekonstruktion, kan billedhastigheden også nå op til mere end 100 kHz, siger de. Imponerende arbejde!
Ref: arxiv.org/abs/1901.04141 : Tidskodet enkeltpixel 3D-billeddannelse