100 milliard bilder per sekund – nyvinningen som setter en ny standard for høyhastighetskameraer
Slow-motion teknologi gjør det nå mulig å ta bilde av lyspartikler i bevegelse
Kameraer som kan fotografere i høy hastighet gir oss noen av verdens mest fascinerende bilder og viser oss de skjulte detaljene i de mest hverdagslige ting. Disse kameraene, som kan ta rundt 100.000 bilder i sekundet, blir helt stilt i skyggen av et nytt kamera på markedet. Dette teknologiske monsteret er nemlig i stand til å ta utrolige 100 milliarder bilder i sekundet.
De vanligste når du ønsker mange bilder i sekundet er å anvende det som kalles stroboskopisk bildebehandling. Ved ordinær filming er belysningen alltid på og lukkemekanismen opererer så raskt som mulig. Om du ønsker flere bilder i sekundet, må lukkehastigheten senkes og mindre lys treffer sensoren. Dette resulterer ofte i bilder med mye støy.
Stroboskopisk bildebehandling fungerer slik at et bilde bygges opp ved å la lukkemekanismen forbli åpen samtidig som at lyskilden pulserer. Dette lar deg fange en gjentakende begivenhet. Oppløsningen bestemmes av varigheten og tidsbestemmelsen til den pulserende lyskilden og tillater stop-motion fotografering med trillioner av bilder per sekund. Nøkkelen til suksess er at begivenheten må være repetitiv og forutsigbar, hvis ikke vil man igjen få et problem med støy i bildet.
Om det man ønsker å fotografere er mer sporadisk og impulsivt, som gammastråler eller kjernefysiske ustabiliteter, kan man dermed ikke anvende stroboskopisk bildebehandling. Det ville være en velsignelse for forskere og ingeniører i dette feltet om slike begivenheter lot seg fange med et kamera og gi dem uendelige muligheter.
Der finnes et mulig kompromiss i det som kalles et strekkamera, som er en mer imponerende versjon av et vanlig digitalkamera. I stedet for å anvende hele sensoren samtidig er det bare en kolonne med piksler som eksponeres på et gitt tidspunkt. Resultatet er et bilde som viser én romdimensjon og én tidsdimensjon. Man får tilstrekkelig med hastighet, men man får ikke med seg hele bildet, siden den andre romdimensjonen ikke kommer frem. Tidsdimensjonen er også avhengig av hastighetsmulighetene til teknologien som anvendes.
Bildekomprimering i Bakvendtland
I de senere år har de blitt oppdaget at hver piksel inneholder informasjon om bildet i sin helhet. Ved å tillate seg noen forutsetninger og gjøre noen beregninger, er det mulig å gjenskape et 2D bilde fra en eneste piksel. Denne teknikken kalles compressive sensing, røft oversatt til komprimeringssansing, med andre ord er ideen at man forutser noe ved hjelp av komprimert informasjon.
For å kunne gjøre dette må man kunne sin avanserte matrisematematikk. Ved å se bildet som en såkalt sparsom matrise, kan man representere rominformasjonen som et sett av funksjoner. Man kan enten anvende cosinuskurver, som vanligvis ikke vil gi det utvalget du er ute etter, eller lineære funksjoner, som med større sannsynlighet vil være mer behjelpelig med riktig utvalg. Om du er heldig ser du da på en enkeltstående kolonne i matrisen der de fleste verdiene er lik null.
Ved hjelp av denne fremgangsmåten reduseres altså antall piksler, og oppløsningen og detaljene hentes frem igjen gjennom en rekke kalkulasjoner. For å få frem et bilde med høy oppløsning utvikler man altså et bilde basert på gjetninger av hva det er vi faktisk ser på.
Hva skjer når man krysser komprimeringssansing med et strekkamera
Ved å krysse disse to teknikkene har forskerne utviklet et kamera som tar helhetlige bilder med 100 milliarder bilder i sekundet. Først bruker man en vanlig kameralinse for å få frem et bilde. Lyset blir så reflektert fra et speil som ikke er flatt, inn til strekkameraet. Der blir den ene romdimensjonen prosjektert og erstattet med tidsinformasjon. Bildet som registreres i strekkameraet er fordreid, men kan gjøres om til et 2D bilde ved hjelp av komprimeringssansing. I rekonstruksjonen holder man seg til det faktum at hver piksel i kolonnen tar ulik form basert på det fordreide bildet i strekkameraet.
For å demonstrere hvor bra denne teknikken faktisk fungerer har det blitt gjort tester ved å fotografere lyspartikler på flukt. Vi snakker altså om å fange noe som beveger seg, bokstavelig talt, med lysets hastighet. En pulserende laser ble brukt til å lyse mot et speil, gjennom tørris. På vei gjennom isen blir noen av lyspartiklene spredd utover og det er dette det blir tatt bilde av. Om man forsøker å se dette fenomenet med det bare øye, vil man bare kunne oppfatte en grønaktig lysstrime gjennom hele isblokken. Med det nye kameraet kan man derimot se de individuelle lyspartiklene på sin ferd gjennom blokken og faktisk kan man også observere hvordan noe av lyset lekker gjennom speilet.
På samme måte demonstrerte også forskerne hvordan det ser ut når en lysstråle brytes samtidig som den passerer fra luft og gjennom en klump av resin. De gjorde til og med et kappløp mellom to stråler, der den ene gikk gjennom luft og den andre gjennom et hinder av resin. Du kan kanskje gjette hvilken som var raskest?
