EPFL-forskare har utvecklat en ny bildbehandlingsmetod som kan fånga extremt snabba fenomen med vilken typ av kamera som helst. Deras metod, kallad Virtual Frame Technique, ger bättre prestanda än någon kommersiell höghastighetskamera och är prisvärd och tillgänglig för alla.

Många fenomen som inträffar i naturen och industrin sker mycket snabbt:en tår som rinner genom ett tygstycke, en gummiboll som studsar från ett hårt golv, en droppe vatten som blöter en torr yta och en bit tejp som lossnar, till exempel. Att ta bilder av dessa fenomen skulle hjälpa forskare att bättre förstå dem, men konventionella kameror är inte tillräckligt snabba – och höghastighetskameror är oöverkomligt dyra.

Men forskare vid EPFL:s Engineering Mechanics of Soft Interfaces Laboratory, arbetar i samarbete med forskare från Harvard University i SMR-labbet, har utvecklat en ny bildbehandlingsmetod som kallas Virtual Frame Technique (VFT) som kan generera tusentals bilder av dessa fenomen när de uppstår steg för steg med hjälp av ett foto taget från vilken typ av enhet som helst, inklusive en smartphone. Vad mer, VFT har visat sig prestera bättre än höghastighetskameror.

Arbeta med ett vanligt foto

Metoden börjar med att analysera ett konventionellt foto. "Om du använder en vanlig kamera för att ta en bild av en vattendroppe som träffar en torr yta, vattnets rörelse gör att bilden blir suddig. Men dessa suddiga områden är just där fenomenet äger rum, både rumsligt och tidsmässigt. Det är vad vår teknik använder för att sätta ihop det underliggande fenomenet, säger John Kolinski, professor vid EPFL:s tekniska högskola. Med andra ord, VFT fungerar genom att dekonstruera de suddiga delarna av bilder.

En metod för binära fenomen

Det första steget är att belysa fenomenet precis som den konventionella bilden tas, så att de suddiga delarna kan utnyttjas. "Detta initiala belysningssteg måste göras korrekt så att de suddiga delarna av bilden innehåller rätt information och kan användas. Vid det här laget, objektet måste ha ett kvantifierbart momentant tillstånd av att antingen helt blockera ljuset eller helt släppa igenom det, " säger Kolinski. Nästa steg är att använda avancerade bildbehandlingsmetoder för att förbättra den konventionella bildens tidsupplösning och specifika belysningsschema, och sedan förvandla den till en binär bild – det vill säga, som innehåller antingen svarta eller vita pixlar.

Denna metod erbjuder en fördel eftersom många naturfenomen är binära; till exempel, en bit tyg antingen är trasig eller så är den inte det, en yta är antingen våt eller torr. Det betyder att endast två gråskalevärden behövs för att avbilda dem – inget behov av 15, 000+ intensitetsvärden tillgängliga med konventionella kameror. Genom att offra förmågan att lösa intensitet, forskarna kunde använda kamerasensorns bitdjup, eller mängden information som sensorn kan få, för att öka bildhastigheten med bibehållen full rumslig upplösning. Temporell upplösning kan förbättras ytterligare genom att justera tidpunkten för en ljuspuls.

Time-lapse-bilder under extremt korta perioder

VFT bryter därför ner ett konventionellt foto av ett objekt i snabb rörelse till tusentals bilder som visar varje steg i processen. "Det är som att ta time-lapse-bilder av ett nästan ögonblickligt fenomen, " säger Kolinski. Forskarna testade sin teknik på bilder tagna med alla typer av enheter, från smartphones till sofistikerade professionella kameror, och fann att det konsekvent resulterade i en snabbare bildhastighet. Även om noggrann belysning krävs, metoden är ganska generell, och har använts för att registrera en mängd olika fenomen, från droppstötar till sprickmekanik.