Smartphone: câmeras capazes de tirar 1 milhão de quadros por segundo, uma nova pesquisa de Harvard

Imagine um smartphone capaz de fotografar 1 milhão de quadros por segundo com sua própria câmera. Pense, hoje em dia, alguns iPhones podem capturar imagens únicas com uma velocidade do obturador de 1 / 10.000 de segundo. Seria, portanto, uma verdadeira revolução, exatamente a que um grupo de pesquisadores da Universidade de Harvard liderou pelo dr. Sam Dillavou.

As câmeras modernas usam pixels eletrônicos para registrar a luz que os atinge. Esses pixels calculam a intensidade, geralmente em uma escala de 16 níveis determinado pelos bits. Portanto, durante uma exposição, cada pixel pode gravar 14 tons de cinza entre branco e preto. O ponto é que, de acordo com a pesquisa, para muitos tipos de imagens, esse nível de detalhe é completamente inútil, pois basta uma simples imagem em preto e branco, com os detalhes extras em cinza que, portanto, se tornariam redundantes.

É um conceito muito mais simples do que parece. Imagine uma parede branca coberta com uma cortina preta. Abrimos a cortina da esquerda para a direita para revelar a parede e registrar o movimento em uma única exposição (para simplificar, com a lente da câmera aberta em um único intervalo de tempo).

Durante a exposição, os pixels no lado esquerdo da imagem registram primeiro a cortina preta e depois a parede branca conforme a cortina se move pelo quadro. A imagem média é a de um cinza claro. Por outro lado, os pixels que registram o lado direito da imagem veem a cortina preta durante a maior parte da exposição. Somente no final da exposição é revelada a parede branca. Nesse caso, a média é um cinza escuro.

A idéia principal da equipe liderada por Dillavou é que essa imagem única pode ser pensada em tantos instantâneos em preto e branco da barraca móvel sobrepostos. De fato, o número de imagens que podem ser examinadas por uma única imagem isso depende do número de níveis de bits que os pixels registram.

Armado com essa intuição, eles desenvolveram um sistema matemático para extrair essas imagens de um único tiro, uma idéia que eles chamam de “A técnica de quadro virtual”. No caso específico, ele seria capaz de criar 16 imagens da cortina que se move ao longo da parede, com o único limite de tirar fotografias em preto e branco.

Essa técnica tem o potencial de transformar quase todas as câmeras de vídeo eletrônicas em dispositivos de alta velocidade. Os pesquisadores testaram-no comparando os quadros virtuais com os tirados por uma câmera de alta velocidade que registra 40.000 quadros por segundo. Eles colocaram uma folha de borracha na frente de um divisor que enviava a luz para as duas câmeras, para que ambos os sensores tivessem a mesma visão da folha.

A iluminação foi ajustada para que a folha de borracha parecesse preta enquanto o fundo branco. Eles usaram um bisturi para amassar a folha de borracha e registraram a maneira como ela se dividiu com as duas câmeras. Finalmente, a equipe usou a técnica de quadro virtual para extrair imagens com alta taxa de quadros e compará-las com as captadas de câmeras de alta velocidade a 40.000 quadros por segundo. Um vídeo dessa comparação pode ser baixado neste link.

Os resultados mostram que a técnica de quadro virtual tem um enorme potencial: registra 1,3 megapixels em cada imagem, em comparação com a câmera padrão de 60 Kilopixel e isso aumenta significativamente o campo de visão e, portanto, a distância da qual é possível gravar; a taxa de quadros também é muito mais rápida, Dillavou fala de 1 MHz.

A atenção dos desenvolvedores agora mudou para a aplicação dessa técnica em várias câmeras diferentes. “Por exemplo, a Nikon D850 grava quadros virtuais em 16 MHz, mantendo uma resolução superior a 50 megapixels”, afirmam os pesquisadores. e também um iPhone X parece capaz de gravar até um milhão de quadros por segundo usando este sistema.

Como sempre acontece nesses casos, da pesquisa à aplicação em campo, o passo certamente não é curto. Obviamente, levará algum tempo para que tudo isso seja implementado nos produtos realmente disponíveis no mercado. De qualquer forma, essa é mais uma confirmação de como há espaço para manobras para empurrar ainda mais os componentes de hardware já integrados aos smartphones.