Virtuelle time-lapse-fotos kan fange ultrahurtige fænomener med ethvert kamera

EPFL-forskere har udviklet en ny billedbehandlingsmetode, der kan fange ekstremt hurtige fænomener ved hjælp af enhver type kamera. Deres metode, kaldet Virtual Frame Technique, leverer bedre ydeevne end noget kommercielt højhastighedskamera og er overkommeligt og tilgængeligt for alle.

Mange fænomener i naturen og industrien sker meget hurtigt:en tåre, der løber gennem et stykke stof, en gummikugle, der hopper af et hårdt gulv, en dråbe vand, der befugter en tør overflade og et stykke scotch tape, der skræller af, for eksempel. At tage billeder af disse fænomener ville hjælpe forskere med bedre at forstå dem, men konventionelle kameraer er ikke hurtige nok-og højhastighedskameraer er uoverkommeligt dyre.

Men forskere ved EPFL's Engineering Mechanics of Soft Interfaces Laboratory, arbejder i samarbejde med Harvard University -forskere i SMR -laboratoriet, har udviklet en ny billeddannelsesmetode kaldet Virtual Frame Technique (VFT), der kan generere tusindvis af billeder af disse fænomener, når de opstår trin for trin ved hjælp af et foto taget fra enhver form for enhed, herunder en smartphone. Hvad mere er, VFT har vist sig at yde bedre end højhastighedskameraer.

Arbejde med et konventionelt foto

Metoden starter med at analysere et konventionelt foto. "Hvis du bruger et almindeligt kamera til at tage et billede af en dråbe vand, der rammer en tør overflade, vandets bevægelse får billedet til at være sløret. Men disse slørede områder er netop der, hvor fænomenet finder sted, både rumligt og tidsmæssigt. Det er det, vores teknik bruger til at sammensætte det underliggende fænomen, "siger John Kolinski, en professor ved EPFL's School of Engineering. Med andre ord, VFT fungerer ved at dekonstruere de slørede dele af billeder.

En metode til binære fænomener

Det første trin er at skinne lys over fænomenet, ligesom det konventionelle billede er taget, så de slørede dele kan udnyttes. "Dette indledende belysningstrin skal udføres korrekt, så de slørede dele af billedet indeholder de rigtige oplysninger og kan bruges. På dette tidspunkt, objektet skal have en kvantificerbar øjeblikkelig tilstand af enten fuldstændig at blokere lyset eller helt lade det komme igennem, "siger Kolinski. Det næste trin er at anvende avancerede billedbehandlingsmetoder til at forbedre det konventionelle billeds tidsopløsning og specifikke belysningsskema, og gør det derefter til et binært billede - det vil sige indeholder enten sorte eller hvide pixels.

Denne metode giver en fordel, fordi mange naturfænomener er binære; for eksempel, et stykke stof er enten revet eller ikke, en overflade er enten våd eller tør. Det betyder, at kun to gråtoneværdier er nødvendige for at skildre dem - ikke behov for de 15, 000+ intensitetsværdier tilgængelige med konventionelle kameraer. Ved at ofre evnen til at løse intensitet, forskerne var i stand til at bruge kamerasensorens bitdybde, eller mængden af ​​information, sensoren kan opnå, for at øge billedfrekvensen og samtidig bevare fuld rumlig opløsning. Den midlertidige opløsning kan forbedres yderligere ved at justere timingen for en lyspuls.

Time-lapse fotos over ekstremt korte perioder

VFT nedbryder derfor et konventionelt foto af et objekt i hurtig bevægelse til tusinder af billeder, der viser hvert trin i processen. "Det er som at tage time-lapse-fotos af et næsten øjeblikkeligt fænomen, "siger Kolinski. Forskerne testede deres teknik på billeder taget af alle slags enheder, fra smartphones til sofistikerede professionelle kameraer, og fandt ud af, at det konsekvent resulterede i en hurtigere billedhastighed. Selvom der kræves omhyggelig belysning, metoden er ganske generel, og er blevet brugt til at registrere en lang række fænomener, fra dråbestød til brudmekanik.