Investigadores alemanes han desarrollado un sistema de imágenes compacto, que puede medir la forma y las propiedades de reflexión de la luz de los objetos con alta velocidad y precisión. Este sistema de imágenes hiperespectrales 5D -llamado así porque captura múltiples longitudes de onda de luz más coordenadas espaciales en función del tiempo- podría beneficiar a una variedad de aplicaciones, incluyendo la clasificación óptica de productos y la identificación de personas en áreas seguras de los aeropuertos. Con una mayor miniaturización, el generador de imágenes podría permitir la inspección de la madurez de la fruta mediante teléfonos inteligentes o el control médico personal.
Además, «debido a que nuestro sistema de imágenes no requiere contacto con el objeto, puede ser utilizado para registrar artefactos o obras de arte de valor histórico», dijo el líder del equipo de investigación Stefan Heist de la Universidad Friedrich Schiller de Jena y el Instituto Fraunhofer de Óptica Aplicada e Ingeniería de Precisión de Alemania. Esto puede utilizarse para crear un archivo digital detallado y preciso, agregó, al tiempo que permite el estudio de la composición material del objeto.
Los generadores de imágenes hiperespectrales detectan desde docenas hasta cientos de colores, o longitudes de onda, en lugar de las tres detectadas por las cámaras normales. Cada píxel de una imagen hiperespectral tradicional contiene una intensidad de radiación dependiente de la longitud de onda en un rango específico vinculado a coordenadas bidimensionales.
El nuevo sistema de imágenes hiperespectrales, desarrollado en colaboración con el grupo de investigación de Gunther Notni de la Universidad Tecnológica de Ilmenau (Alemania), promueve este enfoque de imágenes mediante la adquisición de información de dimensiones adicionales.
En la revista Optics Express de The Optical Society (OSA), los investigadores describen cómo cada píxel adquirido por su nuevo generador de imágenes hiperespectrales 5D contiene la hora, las coordenadas espaciales x, y y z, y la información basada en la reflectancia de la luz, desde la parte visible hasta la parte infrarroja cercana del espectro electromagnético.
«Los sistemas de última generación que tienen como objetivo determinar tanto la forma de los objetos como sus propiedades espectrales, se basan en múltiples sensores, ofrecen baja precisión o requieren largos tiempos de medición», dijo Heist. «Por el contrario, nuestro enfoque combina una excelente resolución espacial y espectral, una gran precisión de profundidad y una alta frecuencia de imagen en un solo sistema compacto.»
Los investigadores crearon un sistema prototipo con una huella de sólo 200 por 425 milímetros, aproximadamente del tamaño de un ordenador portátil. Utiliza dos cámaras de instantáneas hiperespectrales para formar imágenes en 3D y obtener información de profundidad como lo hacen nuestros ojos al capturar una escena desde dos direcciones ligeramente diferentes.
Identificando puntos particulares en la superficie del objeto que están presentes en ambas vistas de la cámara, se puede crear un conjunto completo de puntos de datos en el espacio para ese objeto. Sin embargo, este enfoque sólo funciona si el objeto tiene suficiente textura o estructura para identificar puntos sin ambigüedades.
Para capturar tanto la información espectral como la forma de la superficie de objetos que pueden no estar altamente texturizados o estructurados, los investigadores incorporaron un proyector de alta velocidad especialmente desarrollado en su sistema. Utilizando un método de proyección mecánica, se utilizan una serie de patrones de luz aperiódica para texturizar artificialmente la superficie del objeto.
Esto permite una reconstrucción 3D robusta y precisa de la superficie. La información espectral obtenida por los diferentes canales de las cámaras hiperespectrales se mapea en estos puntos.
«Nuestro desarrollo anterior de un sistema que proyectaba patrones aperiódicos mediante una rueda giratoria hizo posible proyectar secuencias de patrones a velocidades de cuadro potencialmente muy altas y fuera del rango espectral visible», dijo Heist. «Las nuevas cámaras de instantáneas hiperespectrales también fueron un componente importante porque permiten capturar información espacial y espectralmente resuelta en una sola imagen, sin necesidad de escanearla».
Los investigadores caracterizaron su prototipo analizando el comportamiento espectral de las cámaras y el rendimiento 3D de todo el sistema. Demostraron que podía capturar imágenes 5D visibles en el infrarrojo cercano tan rápido como 17 fotogramas por segundo, significativamente más rápido que otros sistemas similares.
Para demostrar la utilidad del prototipo para analizar objetos culturalmente significativos, los investigadores lo utilizaron para documentar digitalmente un globo terráqueo histórico de 1885. También crearon modelos 5D de infrarrojo cercano de la mano de una persona y mostraron que el sistema podía ser utilizado como una forma simple de detectar venas.
El generador de imágenes también podría ser usado para aplicaciones agrícolas, lo que los investigadores demostraron al usarlo para capturar el cambio 5D en el espectro de reflexión de las hojas de las plantas cítricas, ya que estaban absorbiendo agua.
Los investigadores planean optimizar su prototipo utilizando cámaras hiperespectrales con una mayor relación señal/ruido o que muestren menos diafonía entre los diferentes canales espectrales.
Lo ideal sería que el sistema se adaptara a aplicaciones específicas. Por ejemplo, las cámaras con altas tasas de imágenes podrían utilizarse para analizar dinámicamente las propiedades de los objetos que cambian, mientras que el uso de sensores con alta resolución en la longitud de onda infrarroja podría ser útil para detectar fugas químicas.
Fte. Space Daily
