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相機大突破,實現每秒1000億幀的3D視覺

相機大突破,實現每秒1000億幀的3D視覺

科學家們已經開發出一種相機,該相機每秒可拍攝高達1000億幀的圖像,並以類似於人類視覺系統的方式進行3D觀看。

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3d-camera

這項被稱為「單鏡頭立體偏振壓縮超快攝影(single-shot stereo-polarimetric compressed ultrafast photography)」或簡稱SP-CPU的新技術可以在一次動作中快速捕獲視頻的所有幀,加上現今CPU技術,只需一次操作即可捕獲及處理所有幀,而無需重複。這使CPU相機變得非常快(市場上好的手機相機可以每秒拍攝60幀)。並且開發人員還通過使相機以類似於人的方式「觀看」事物,從而在超快圖像中增加了三維尺寸。

人類由於擁有兩隻眼睛,因此每隻眼睛都可以從略微不同的角度觀察物體及其周圍環境,從而使人類視覺中有深度感知,大腦將這兩個圖像中的信息組合成一個3D圖像。

加州理工學院的研究員王立宏說,這種相機的工作原理相同。「相機現在是立體影像的。我們有一個鏡頭,但它起著兩半的作用,提供了兩個具有偏移的視圖。兩個渠道模仿了我們的眼睛。」他說。

運行SP-CUP攝像機的計算機將來自這兩個通道的數據處理為一個三維「電影」。SP-CUP系統還具有觀察光波偏振的能力,這是光波傳播時振動的方向。

具有立體感的超快相機

當一個人看著周圍的世界時,他們會感覺到有些物體離他們更近,而有些物體離得更遠。 得益於我們的兩隻眼睛,這樣的深度感知才有可能,每隻眼睛從略微不同的角度觀察物體及其周圍環境。大腦將這兩個圖像中的信息組合成一個3D圖像。

SP-CUP
SP-CUP攝像機記錄的激光束的3D膠片穿過散射介質並從反射表面反射回來。 Credit: Caltech. Source : This ultra-fast camera allows you to film the movement and polarization of light in 3D, en24news

SP-CUP攝像機的工作原理基本相同。相機現在是立體的,只有一個鏡頭,但它作為兩個「半部」提供了兩個滯後的視圖,這樣模仿了人類眼睛的兩個視線渠道。就像我們的大腦處理從眼睛接收到的信號一樣,運行SP-CUP攝像機的計算機將來自這兩個通道的數據處理成三維電影。

原理是,普通的光有向各個方向振動的波。另一方面,偏光(Polarised light)已被改變,因此其所有波都沿相同方向振動。 這可以通過自然的方式發生,例如當光從表面反射時,或者是由於人工操作的結果(如偏振濾光片所發生的情況)。

儘管我們的眼睛無法直接檢測到光的偏振,但是這種現像已被廣泛應用,從液晶顯示屏到偏光太陽鏡,光學相機鏡頭到檢測材料中隱藏應力的設備以及分子的三維結構。

SP-CUP結合了高速三維圖像和極化信息(polarisation information)的使用,使其成為一種功能強大的工具,可適用於廣泛的科學應用。

現階段,它可以幫助研究人員更好地了解「聲致發光。(sonoluminescence)」的物理原理,即聲波在水或其他液體中產生微小氣泡的現象。隨著氣泡在形成後迅速崩潰,它們會發出一陣光。王說:「有人認為這是物理學上最大的謎團之一。」「當氣泡破裂時,其內部溫度會很高,因此會發光。造成這種情況的過程非常神秘,因為一切發生得如此之快,希望我們的相機可以幫助我們解決這一問題。」

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