Com avanço na análise de dados, damos um passo importante para gerar imagens 3D em nosso cotidiano.

Toda vez que você tira uma fotografia, a câmera detecta mais de um bilhão de fótons (partícula elementar que constitui a luz). Para uma câmera básica de um megapixel, há mais de 1.000 fótons por pixel. Em um novo estudo, os pesquisadores desenvolveram um algoritmo que é tão eficiente que pode gerar imagens 3D de alta qualidade usando uma câmera de fóton único que detecta apenas um sinal de fótons por pixel.

Os pesquisadores, liderados por Jeffrey Shapiro, professor de engenharia elétrica e ciência da computação no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), juntamente com os co-autores do MIT, Politecnico di Milano, e da Universidade de Boston, publicaram um artigo sobre a nova abordagem para a imagens com uma câmera de fóton único em uma edição recente da revista Nature Communications.

"Nosso trabalho mostra que podemos usar essas novas câmeras contadora de fótons com uma eficiência muito maior do que se pensava", Shapiro disse. Em comparação com outras técnicas de imagem 3D que foram recentemente desenvolvidas, o novo quadro tem a maior eficiência de fótons até o presente, resultando em uma melhor precisão na reconstrução da imagem, e uma ordem de magnitude melhor no que diz respeito a profundidade.

Para demonstrar como o novo algoritmo de imagem funciona em ambientes de pouca luz, os pesquisadores iluminaram uma cena (um manequim e girassol), com um laser que emite pulsos de pouca luz a cada 50 nanossegundos. Um difusor de luz se espalha espacialmente os pulsos de modo que eles inundam toda a cena.

Em seguida, a câmera captura a luz refletida pelos objetos iluminados, juntamente com algum cenário que os pesquisadores acrescentaram para simular um ambiente realista. O elemento-chave da câmera é uma matriz chamada de avalanche de diodo fóton único (SPAD em inglês), que detecta os fótons e registra sua chegada com tempos precisos.

A fim de reconstruir uma cena de um número muito pequeno de fótons detectados, o novo algoritmo explica o fato de que as características de uma cena estão estatisticamente correlacionadas. Enquanto a maioria dos sistemas tratam cada pixel de forma independente, o novo algoritmo reconhece que os pontos vizinhos muitas vezes têm fortes correlações espaciais, que são pontuadas por fronteiras nítidas que separam duas características diferentes (tais como a camisa do manequim e do girassol na cena testada). Ao resolver um problema matemático de optimização convexa, o novo algoritmo explora essas correlações para gerar imagens 3D de alta resolução usando poucos fótons.

As imagens neste experimento têm uma resolução final de 384 x 384 pixels, e uma média de um fóton de sinal e um fóton de luz de fundo são detectados por pixel.

Uma outra vantagem da nova câmera é que as imagens podem ser capturadas muito rapidamente, tornando-o útil para aplicações que necessitam de imagem rápida e precisa, utilizando quantidades extremamente pequenas de luz.

Ao exigir muito menos fótons que as câmeras convencionais, câmeras de fóton único tem aplicações potenciais em condições de pouca luz, tais como para áreas biológicas, astronomia, proporcionando visão 3D para sistemas robóticos avançados de auto-navegação, tais como veículos aéreos não tripulados e robôs de exploração.

No futuro, os pesquisadores pretendem prosseguir várias aplicações, colaborando com pesquisadores de diferentes especialidades. Trabalhando com departamento de química do MIT, por exemplo, eles começaram a aplicar a sua abordagem foto-eficiente para para imagens fluorescentes, uma modalidade de imagem que tem muitas aplicações em biologia.

Eles também tentam chegar ao limite da tecnologia sob patrocínio da DARPA como parte de um programa chamado REVELAR, na sigla em inglês. O objetivo da REVELAR é utilizar toda a informação disponível no campo de luz para ver em espaços obstruídos sem o uso de espelhos.

"Nós vamos usar a luz do laser e detecção de fóton único para ver em torno de um canto," Shapiro explicou. "Nossa abordagem contará com reflexões difusas de uma parede. Porque a luz que retornou de objetos ocultos será muito fraca, eficiência na captação de fótons é essencial."

Fonte: http://www.nature.com/ncomms/2016/160624/ncomms12046/full/ncomms12046.html

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