3D-Bilderfassung mit 500.000 Bildern pro Sekunde
Chinesische Forscher haben die Aufnahmegeschwindigkeit von Filmen mit einer einfachen Technologie erheblich gesteigert.
- TR Online
Verschiedene neue Technologien haben die 3D-Bildgebung in den letzten Jahren schneller und billiger gemacht. Auch Geräte wie das iPhone X und das Microsoft Kinect können nun solche Bilder erstellen. In der Industrie haben die Entwicklungen die 3D-Bildgebung zu einem wichtigen Bestandteil vieler Produktionslinien gemacht, bei denen die berührungslose Datenerfassung wichtig ist. All diese Techniken haben allerdings insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsaufnahmen bewegter Objekte erhebliche Schwierigkeiten. Deshalb waren bisher keine Aufnahmen mit mehr als 1.000 Bildern pro Sekunde möglich.
Hongwei Chen und seine Kollegen von der Tsinghua-Universität in Peking haben deshalb ein neues 3D-Bildgebungssystem entwickelt, das Filme mit einer Bildrate von 500.000 Bildern pro Sekunde aufzeichnet, wie die Forscher auf der Vorabdruck-Plattform „Arxiv.org“ schreiben.
Grenzen der Aufnahmegeschwindigkeit
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An dieser Stelle muss man ein bisschen ausholen. Es gibt zwei praktische Grenzen für die Aufnahmegeschwindigkeit von 3D-Bildern. Die erste ist die Wiederholungsrate des Beleuchtungssystems, mit der die Aktion eingefroren werden kann, während ein bekanntes Muster auf ein Objekt projiziert wird, um dessen Form sichtbar zu machen. Die zweite und restriktivere ist die Bildwiederholrate der CCD-Chips, die Licht einfangen. So beschränkt sich das iPhone X im langsamen Modus beispielsweise auf 120 Bilder pro Sekunde. Bei Hochgeschwindigkeitsbeleuchtungssystemen mit digitalen Lichtverarbeitungsgeräten sind jedoch höhere Geschwindigkeiten mit einer Bildwiederholungsrate von etwa zehn Kilohertz möglich.
Chen und Co. haben nun in beiden Punkten Fortschritte erzielt. Ihr Beleuchtungssystem beruht auf Lasern und verwendet einen Trick, um Informationen mit viel höheren Raten als zuvor zu kodieren. Ihre Technik streckt zuerst jeden Laserpuls und codiert dann sowohl die Phase der Lichtmuster (zeitliche Codierung) als auch ihre Frequenz (Wellenlängen-Codierung), bevor der Laserpuls erneut komprimiert wird. Dadurch können die Muster mit einer Rate von bis zu 50 Megahertz aktualisiert werden.
"Compressed Sensing" für einzelne Pixel
Das Team hat darüber hinaus auch die Bildaufnahme-Geschwindigkeit verbessert. Ein CCD-Chip besteht aus lichtempfindlichen Pixeln, die zusammen ein 2D-Bild erzeugen. Allerdings begrenzt die zugrunde liegende Technologie die Bildwiederholfrequenz auf deutlich weniger als 1.000 Bilder pro Sekunde.
Bei dem neuen Ansatz wird Licht mithilfe von einzelnen Pixeln aufgenommen, die mit einer völlig anderen Technologie erzeugt werden. Um ein Bild aus einem einzelnen Pixel zu erstellen, verwenden Chen und Co eine fotografische Technik namens „compressed sensing“.
Reflektiertes Licht aufzeichnen
Das Pixel zeichnet ganz viele aufeinanderfolgende Messungen des von dem Objekt reflektierten Lichts auf. Dieses Licht wird durch das sich ändernde Muster, das das Objekt beleuchtet, randomisiert. Obwohl diese Messungen zufällig erscheinen, sind sie tatsächlich korreliert, da sie alle vom selben Objekt reflektiert werden. So ist das Auffinden des Bildes nur eine Frage von Berechnungen.
Bleibt noch die Frage, wie schnell die Muster auf das Objekt projiziert werden können. Dafür ist die neue 50-MHz-Beleuchtungstechnik des Teams wichtig. Jedes Bild lässt sich durch die Verarbeitung des Lichts aus 100 Mustern berechnen. Dies führt zu einer Bildrate von 500.000 Bildern pro Sekunde. Das Team verwendet anschließend mehrere Einzelpixel, um ein 3D-Bild aufzubauen.
Bis zu 500 Meter pro Sekunde
Das neue 3D-Bildgebungssystem hat das Potenzial, Objekte mit einer Geschwindigkeit von bis zu 500 Metern pro Sekunde und einer Auflösung von einem Millimeter aufzunehmen. Dies könnte erhebliche Auswirkungen auf die Fernüberwachung von Produktionslinien und andere Anwendungen der 3D-Bildgebung haben. „Es ist eine vielversprechende Lösung für die industrielle Online-Inspektion mit hohem Durchsatz oder für das Autopilot-Screening in der zukünftigen Informationsgesellschaft", sagt das Team.
Die Forscher wollen das System noch weiter verbessern. Chen und Co glauben, dass durch einfache Modifikationen ihres Beleuchtungssystems sogar Muster mit Gigahertz-Geschwindigkeit projiziert und die Bilder mit einer Geschwindigkeit von 100.000 Bildern pro Sekunde erstellt werden könnten. „Selbst nach Tausenden oder Millionen von Iterationen, die für die Einzelpixelrekonstruktion verwendet werden, könnte die Abbildungsgeschwindigkeit mehr als 100 Kilohertz erreichen“, sagen die Forscher.
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