Nueva cámara 3D hiperespectral
Las rayas están de moda esta temporada en un laboratorio de la Universidad de Rice, donde los investigadores las usan para obtener imágenes que las cámaras normales nunca podrían capturar.
Su compacto Proyector de Rayas Hiperespectrales (HSP) es un paso hacia un nuevo método para recoger la información espacial y espectral necesaria para la conducción de automóviles, la visión artificial, la vigilancia de cultivos, el desgaste de la superficie y la detección de la corrosión y otras aplicaciones.
«Puedo imaginar esta tecnología en las manos de un agricultor, o en un avión teledirigido, para examinar un campo y ver no solo los nutrientes y el contenido de agua de las plantas, sino también, debido al aspecto 3D, la altura de los cultivos», dijo Kevin Kelly, profesor asociado de ingeniería eléctrica y computacional en la Escuela de Ingeniería Brown de Rice. «O tal vez pueda mirar una pintura y ver los colores y la textura de la superficie en detalle, pero con el infrarrojo cercano ver también debajo del lienzo».
El laboratorio de Kelly podría permitir el uso de espectroscopia 3D sobre la marcha, con un sistema que combina el HSP, un conjunto de sensores monocromáticos y una programación sofisticada para dar a los usuarios una imagen más completa de la forma y composición de un objeto.
«Estamos obteniendo información cuatridimensional de una imagen, tres espaciales y una espectral, en tiempo real», dijo Kelly. «Otras personas usan múltiples moduladores y por lo tanto requieren fuentes de luz brillante para lograrlo, pero encontramos que podíamos hacerlo con una fuente de luz de brillo normal y algunos elementos ópticos inteligentes».
El trabajo de Kelly, el autor principal y ex-alumno de Rice Yibo Xu y el estudiante de postgrado Anthony Giljum se detalla en un artículo de acceso abierto en la revista Optics Express.
HSP toma como referencia las técnicas portátiles de imágenes 3D que ya están en manos de los consumidores -piense en los sistemas de identificación facial en los teléfonos inteligentes y en los rastreadores corporales en los sistemas de juegos- y añade una forma de obtener datos de amplio espectro de cada píxel capturado. Estos datos comprimidos se reconstruyen en un mapa 3D con información espectral que puede incorporar cientos de colores y ser utilizada para revelar no solo la forma de un objeto sino también su composición material.
«Las cámaras normales RGB (rojo, verde, azul) básicamente te dan solo tres canales espectrales», dijo Xu. «Pero una cámara hiperespectral nos da espectros en muchos, muchos canales. Podemos capturar el rojo a unos 700 nanómetros y el azul a unos 400 nanómetros, pero también podemos tener anchos de banda cada pocos nanómetros o menos entre ellos. Eso nos da una resolución espectral fina y una comprensión más completa de la escena. El HSP codifica simultáneamente las mediciones de profundidad e hiperespectrales de una manera muy simple y eficiente, permitiendo el uso de una cámara monocromática en lugar de una costosa cámara hiperespectral como la que se usa típicamente en sistemas similares», dijo Xu, quien obtuvo su doctorado en Rice en 2019 y es ahora ingeniero de aprendizaje automático e investigación de visión por computadora en Samsung Research America Inc. Desarrolló tanto el hardware como el software de reconstrucción como parte de su tesis en el laboratorio de Kelly.
HSP utiliza un dispositivo digital de microespejos (DMD) ya disponible para proyectar rayas con patrones que se parecen a códigos de barras de colores en una superficie. Enviando la proyección de luz blanca a través de una rejilla de difracción se separan los patrones superpuestos en colores.
Cada color se refleja en la cámara monocromática, que asigna un nivel de gris numérico a ese píxel. Cada píxel puede tener múltiples niveles, uno por cada franja de color que refleja. Estos se recombinan en un valor espectral global para esa parte del objeto.
«Usamos un solo DMD y una sola rejilla en el HSP», dijo Xu. «El novedoso diseño óptico de doblar el camino de la luz hacia la misma rejilla de difracción y lente es lo que lo hace realmente compacto. El único DMD nos permite mantener la luz que queremos y desechar el resto».
Estos espectros finamente sintonizados pueden llegar más allá de la luz visible. Lo que reflejan de vuelta al sensor como espectros de banda fina multiplexados puede ser usado para identificar la composición química del material.
Al mismo tiempo, las distorsiones del patrón se reconstruyen en nubes de puntos tridimensionales, esencialmente una imagen del objetivo, pero con muchos más datos que los que podría proporcionar una simple instantánea.
Kelly visualiza al HSP incorporado en los faros de los coches de modo que puedan ver la diferencia entre un objeto y una persona. «Nunca podría confundirse entre un vestido verde y una planta verde, porque todo tiene su propia firma espectral», dijo.
Kelly cree que el laboratorio acabará incorporando ideas de la innovadora cámara de un solo píxel de Rice para reducir aún más el tamaño del dispositivo y adaptarlo también para la captura de vídeo compresivo. La Fundación Nacional de Ciencia financió la investigación. (Fuente: NCYT Amazings)
