Câmera inspirada nos olhos de inseto captura 9.120 quadros por segundo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/01/2025

Sistema ultrarrápido de visão de um inseto: (A) A luz refletida de objetos em movimento estimula sequencialmente os fotorreceptores ao longo dos canais ópticos individuais, chamados omatídeos, com os sinais visuais sendo processados separada e paralelamente. Cada resposta neural é somada temporalmente para melhorar os sinais visuais. (B) Na câmera, que usa uma matriz de microlentes, um sensor de imagem de obturador rolante captura simultaneamente vários quadros por divisão de canal, e a soma temporal é realizada em paralelo para obter alta velocidade e sensibilidade. Cada segmento da imagem é costurado em um único quadro desfocado, que passa então por uma reconstrução compressiva.
[Imagem: Hyun-Kyung Kim et al. - 10.1126/sciadv.ads3389]

Câmera bioinspirada

Pesquisadores coreanos desenvolveram uma câmera de alta velocidade e baixo custo que supera as limitações da taxa captura de quadros e da sensibilidade enfrentadas por câmeras convencionais de alta velocidade.

Para isso, a equipe se inspirou nos olhos compostos dos insetos, especificamente em sua capacidade de detectar objetos em movimento rápido em paralelo e, em condições de pouca luz, aumentar a sensibilidade integrando sinais ao longo do tempo para determinar o movimento.

"Nós validamos experimentalmente que a câmera inspirada no olho de inseto oferece desempenho excepcional em imagens de alta velocidade e pouca luz, apesar de seu tamanho pequeno. Esta câmera abre possibilidades para diversas aplicações em sistemas de câmeras portáteis, vigilância de segurança e imagens médicas," disse Hyun-Kyung Kim, do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia.

Imagens de alta qualidade sob condições de alta velocidade e baixa luminosidade são um desafio crítico em muitas aplicações. Enquanto câmeras convencionais de alta velocidade se destacam na captura de movimentos rápidos, sua sensibilidade diminui conforme as taxas de quadros aumentam porque o tempo disponível para coletar a luz se reduz. Isso faz com que os quadros tenham cada vez menos píxeis conforme a velocidade aumenta.

Para lidar com esse desafio, a equipe adotou uma abordagem semelhante à visão dos insetos, utilizando múltiplos canais ópticos e um processo de soma temporal. Diferentemente dos sistemas tradicionais de câmera monocular, a câmera bioinspirada emprega uma estrutura semelhante a um olho composto, que permite a aquisição paralela de quadros em diferentes intervalos de tempo.

Está é a câmera biomimética de alta velocidade e alta sensibilidade, empacotada no próprio sensor de imagem. Com uma espessura de menos de 1 mm, ela cabe em um dedo.
[Imagem: Hyun-Kyung Kim et al. - 10.1126/sciadv.ads3389]

Rápida e nítida

Durante a captura de cada imagem, a luz é acumulada em períodos de tempo sobrepostos para cada quadro, aumentando a relação sinal-ruído.

A câmera bioinspirada consegue capturar objetos até 40 vezes mais escuros do que aqueles detectáveis por câmeras convencionais de alta velocidade, fornecendo imagens nítidas em condições de pouca luz.

E ela não só é muito rápida, capturando 9.120 quadros por segundo, como é também muito fina, com menos de um milímetro de espessura. Um algoritmo de "restauração de imagem compactada" elimina o desfoque causado pela integração de quadros, reconstruindo imagens nítidas.

Placa giratória e chama capturadas usando a câmera biomimética. A placa, girando a 1.950 rpm, foi capturada com precisão a 9.120 qps. E a chama, com uma intensidade de 880 micro-lux, foi capturada com precisão a 1.020 qps.
[Imagem: Hyun-Kyung Kim et al. - 10.1126/sciadv.ads3389]

Visão de máquina

A equipe também introduziu uma técnica de "divisão de canais" para aumentar significativamente a velocidade da câmera, alcançando taxas de quadros milhares de vezes mais rápidas do que aquelas suportadas pelos sensores de imagem adequados para sistemas de visão artificial.

A equipe planeja estender essa tecnologia para desenvolver algoritmos avançados de processamento de imagem para imagens 3D e imagens de super-resolução, visando aplicações em imagens biomédicas, dispositivos móveis e diversas outras tecnologias de câmeras.

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