Una cámara capta el movimiento como si estuviera inmóvil

Relegados durante mucho tiempo a nichos científicos como la astronomía y la microscopía, los sensores que captan la cantidad mínima de luz, un solo fotón a la vez, podrían ser mejores que las cámaras digitales típicas para capturar recuerdos cotidianos en entornos desafiantes.

En una habitación oscura o una escena con mucho movimiento, las cámaras convencionales se enfrentan a una elección: una mirada rápida que congela el movimiento muy bien, pero se vuelve oscura, o una exposición más larga que captura más luz, pero difumina las partes móviles.

Para resolver este dilema, investigadores del Laboratorio de Arquitectura Cuántica Avanzada de EPFL y del Laboratorio Wision de la Universidad de Wisconsin-Madison, han desarrollado una técnica para construir imágenes nítidas de sujetos en movimiento.

Enfoque novedoso

En 2019, Edoardo Charbon, profesor de la Escuela de Ingeniería de EPFL (STI), asistía a un taller en Canadá. Fue allí donde conoció a Mohit Gupta, un profesor compañero de la Universidad de Wisconsin-Madison. «Mohit es un experto en fotografía computacional», dice Charbon en un comunicado. «Preguntó si podía tomar prestada nuestra cámara SwissSPAD para un experimento. Ahí es donde todo comenzó».

Gupta quería ver si podía tomar una fotografía de un sujeto en movimiento con calidad de naturaleza muerta. El dispositivo de imágenes SwissSPAD era solo el equipo que necesitaba para su experimento.

La cámara, que genera imágenes binarias bidimensionales con una resolución de 512 x 512 píxeles, puede capturar fotones individuales, la unidad de luz medible más pequeña. Para Charbon fue un enfoque novedoso: «no pensé que nuestra cámara fuera capaz de lo que Gupta estaba proponiendo», dice. «Pero la ciencia demostró lo contrario».

Agregar profundidad y color

La alta resolución de píxeles de la cámara y la velocidad de fotogramas ultrarrápida permitieron a los científicos crear una imagen fija de un sujeto en movimiento.

«SwissSPAD captura 100.000 imágenes binarias (en dos dimensiones) por segundo», explica Charbon. «Podemos usar un algoritmo para corregir las variaciones».

Usando esta técnica, pudieron construir una imagen de alta definición de un sujeto en movimiento: «tomamos miles de fotografías y las combinamos para crear una sola imagen».

La tecnología se basa en la capacidad de empacar un tipo de sensores de fotón único, llamados diodos de avalancha de fotón único, o SPAD, en matrices cada vez más grandes.

Los SPAD son una tecnología de sensor emergente capaz de detectar fotones incidentes individuales y capturar su hora de llegada con alta precisión de temporización.

Los investigadores están usando SPADs para lo que llaman fotografía de ráfaga de quanta: consiste en tomar muchas imágenes en ráfagas y luego procesar esas imágenes para obtener una buena imagen de un sujeto mal iluminado o de movimiento rápido.

El próximo desafío del equipo es volver a ejecutar el experimento con la cámara MegaX, también desarrollada en la EFPL, y capaz de capturar la trayectoria de los fotones individuales con una resolución de un millón de píxeles.

MegaX puede grabar hasta 24.000 fotogramas por segundo y capturar objetos muy oscuros y muy brillantes al mismo tiempo.

«MegaX es similar a SwissSPAD en muchos aspectos; también es una cámara de detección de profundidad, por lo que puede generar imágenes en 3D», dice Charbon, quien también planea introducir color a nivel de píxel muy pronto.

Este agosto, los científicos presentarán sus hallazgos en SIGGRAPH, una conferencia anual muy respetada sobre gráficos por ordenador. De un campo de más de 160 propuestas, su investigación ha sido seleccionada como uno de los seis aspectos más destacados del programa de documentos técnicos.