Un simple système d'imagerie 3D peut capturer des objets en mouvement à 500 000 images par seconde

Ces dernières années, diverses techniques ont vu le jour qui rendent l'imagerie 3D moins chère et plus rapide. Certains appareils grand public, tels que l'iPhone X et Microsoft Kinect, peuvent créer de telles images. Et dans l'industrie, des approches similaires font de l'imagerie 3D un élément clé de nombreuses lignes de production où l'acquisition de données sans contact est importante.

Mais il existe des limites importantes à ces techniques, en particulier pour l'imagerie à grande vitesse d'objets en mouvement. Ces problèmes signifient que les systèmes pratiques ne peuvent pas capturer des images plus rapidement qu'environ 1 000 images par seconde.

Aujourd'hui, cela semble sur le point de changer grâce au travail de Hongwei Chen et de ses collègues de l'Université Tsinghua de Pékin. Ces gars-là ont construit un système d'imagerie 3D simple qui enregistre des films à une fréquence d'images de 500 000 images par seconde. De plus, ils le font avec un système qui utilise des pixels uniques pour enregistrer les images.

Tout d'abord, un peu de contexte. Il existe deux limites pratiques à la vitesse d'enregistrement des images 3D. Le premier est le taux de répétition du système d'éclairage, qui peut figer l'action tout en projetant un motif connu sur un objet pour révéler sa forme. Le second est le taux de rafraîchissement des puces CCD qui captent la lumière.

Parmi ceux-ci, le taux de rafraîchissement des puces CCD est le plus restrictif. Par exemple, il limite l'iPhone X en mode ralenti à 120 images par seconde. Mais des vitesses plus élevées sont possibles avec des systèmes d'éclairage à grande vitesse utilisant des dispositifs numériques de traitement de la lumière, qui ont un taux de rafraîchissement d'environ 10 kilohertz.

Chen et co se sont améliorés sur les deux plans. Leur système d'éclairage, basé sur le laser, utilise une astuce astucieuse pour coder les informations à des taux beaucoup plus élevés qu'auparavant. La technique étire d'abord chaque impulsion, puis encode les motifs à la fois dans le temps et en longueur d'onde avant de comprimer à nouveau l'impulsion. De cette façon, les modèles peuvent se rafraîchir à une fréquence allant jusqu'à 50 mégahertz.

L'équipe a également amélioré la vitesse à laquelle les images peuvent être capturées. Une puce CCD est un ensemble de pixels sensibles à la lumière qui produisent ensemble une image 2D. Mais leur technologie sous-jacente limite le taux de rafraîchissement à nettement moins de 1 000 images par seconde.

La nouvelle approche enregistre la lumière à l'aide de pixels uniques produits avec une technologie sous-jacente complètement différente qui se rafraîchit à un rythme de 500 000 images par seconde. Mais comment créer une image à partir d'un seul pixel ?

Pour ce faire, Chen et co utilisent une autre technique photographique révolutionnaire, appelée détection compressée. Le pixel enregistre un grand nombre de mesures consécutives de la lumière réfléchie par l'objet. Cette lumière est rendue aléatoire par le motif changeant qui illumine l'objet.

Mais bien que ces mesures puissent sembler aléatoires, elles sont en fait corrélées car elles sont toutes réfléchies par le même objet. En effet, la corrélation est l'image elle-même. Le trouver n'est qu'une question de calcul simple.

La seule question qui reste est de savoir à quelle vitesse les motifs peuvent être projetés sur l'objet. C'est pourquoi la nouvelle technique d'éclairage à 50 MHz de l'équipe est si importante. Cela signifie que chaque image peut être formée en traitant la lumière à partir de 100 motifs. Cela conduit à une fréquence d'images de 500 000 images par seconde. Et l'équipe utilise plusieurs pixels simples pour créer une image 3D.

Voila ! Un système d'imagerie 3D avec le potentiel de capturer des objets se déplaçant jusqu'à 500 mètres par seconde avec une résolution de 1 millimètre. Cela pourrait avoir des implications importantes pour la surveillance à distance des lignes de production et d'autres applications de l'imagerie 3D. Selon l'équipe, il s'agit d'une solution prometteuse pour l'inspection en ligne industrielle à haut débit ou le contrôle du pilote automatique dans la future société de l'information.

Le système devrait également être bientôt encore meilleur. Chen et co affirment que des modifications simples de leur système d'éclairage lui permettront de projeter des motifs à une vitesse de gigahertz, et que cela permettrait de construire les images à une vitesse de 100 000 images par seconde. Ainsi, même après des milliers ou des millions d'itérations utilisées pour la reconstruction d'un seul pixel, la vitesse d'imagerie pourrait également atteindre plus de 100 kHz, disent-ils. Travail impressionnant !

Réf : arxiv.org/abs/1901.04141 : Imagerie 3D à pixel unique encodée dans le temps

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