Crean una cámara digital que funciona con un solo pixel

Utilizando algoritmos matemáticos creados recientemente y un chip de silicio recubierto de centenares de miles de minúsculos espejos, ingenieros de la Universidad de Rice en Texas han concebido una cámara fotográfica multiplexada en tiempo capaz de realizar imágenes de alta resolución con un solo píxel o fotodiodo.

El multiplexado implica la transmisión de varias señales por un mismo canal. En el multiplexado en tiempo, que utiliza la nueva cámara, se asignan intervalos temporales a cada una de las señales a transmitir. Esta técnica elimina las distorsiones cromáticas conocidas como efectos de cross-color y de cross-luminancia.

A diferencia de las cámaras tradicionales, que captan un millón de puntos de luz por cada enfoque, la nueva cámara genera una imagen capturando sólo un punto de luz o píxel (un píxel es la menor unidad en que se descompone una imagen digital), varios miles de veces en una sola sucesión rápida.

Tal como se explica en un comunicado de la Universidad de Rice, las matemáticas se aplican para el ensamblaje de la imagen de alta resolución (de la misma calidad que una imagen de un megapixel) a partir de miles de tomas de un solo píxel. La tecnología se presenta la próxima semana en la International Conference on Image Processing (ICIP 2006, que se celebra en Atlanta del 8 al 11 de Octubre.

Lo más sorprendente de la nueva cámara es que funciona mejor cuando la luz del sujeto a fotografiar está aleatoriamente dispersa y transformada en ruido. Es decir, con este sistema es mejor fotografiar un objeto que emite una señal lumínica aleatoria con densidad espectral de potencia plana conocida como ruido blanco.

Según uno de sus creadores, este ruido blanco es la clave del fenómeno, ya que es a partir de medidas de luz aleatoriamente dispersas es cómo se ha conseguido una imagen útil y lógica, mediante técnicas matemáticas recientemente desarrolladas.

Prototipo

Los ingenieros han construido un prototipo de cámara que funciona con la ayuda de un dispositivo digital de microespejos, o DMD, y un píxel o fotodiodo único, que es el que transforma la luz en señales eléctricas.

Los DMD, que se utilizan principalmente en televisores y proyectores digitales, son dispositivos capaces de convertir la información digital en luz y al revés. Construido para la ocasión sobre un chasis de microchip, el DMD de la nueva cámara digital se reviste de minúsculos espejos, cada uno de ellos del tamaño de un microbio, que se orienta en dos direcciones. Aparecen luminosos por una cara y en sombra por la otra, emitiendo señales binarias equivalentes a los unos y ceros del lenguaje informático.

En una cámara de fotos actual, un objetivo focaliza la luz de un objeto durante un breve instante sobre una película o sobre una hilera de fotodiodos o pixeles llamada CCD. Sin embargo, en la cámara de píxel único, la imagen del objetivo alumbra el DMD y es reenviada sobre una segunda lentilla que focaliza la luz reflectada sobre un único fotodiodo o píxel.

Los espejos del DMD son mezclados aleatoriamente por cada muestra. Cada vez que los espejos se mueven, un nuevo valor de píxel es registrado por el fotodiodo. Es decir, las lentillas y el DMD hacen lo mismo que una cámara digital: comprimen los datos de una gran imagen en un formato más compacto mediante una técnica conocida como compressive sensing.

Limitaciones y aplicaciones

El prototipo, aunque constituye toda una proeza de ingeniería, muestra todavía importantes limitaciones: necesita alrededor de cinco minutos para tomar un foto y ocupa mucho espacio.

De momento sólo se han fotografiado con esta cámara objetos inmóviles, pero sus creadores se proponen adaptar la técnica de mutiplexado en tiempo con imágenes estándar porque los espejos de los DMD son capaces de modificar su posición millones de veces por segundo.

Las aplicaciones que por el momento tiene la nueva cámara son para investigaciones científicas en las que resulta inaccesible la fotografía digital. Según explican sus creadores, la cámara de un píxel será muy útil para investigar ciertas longitudes de onda que requieren costosos detectores.

La imageniería terahertz, de un trillón de ciclos por segundo, es otro de los campos donde la cámara de un solo píxel puede adquirir una cierta importancia. Los rayos terahertz, que superan la capacidad de los rayos X, permiten leer un libro sin abrirlo o descubrir una caries dental en su fase inicial. También distinguen las células sanas de las cancerígenas.

La imageniería terahertz podría utilizarse asimismo para examinar el contenido de sobres sospechosos, si bien el problema consiste en que el enfoque del aparato para que funcione debidamente es muy complicado. El control de un sobre tomaría media hora. Quizás la cámara de un solo píxel simplifique esta prometedora tecnología.