Fotocamere per smartphone in grado di scattare 1 milione di fotogrammi al secondo

Immaginate uno smartphone in grado di scattare 1 milione di fotogrammi al secondo con la propria fotocamera. Pensate, alcuni iPhone oggi possono scattare singole immagini con una velocità dell’otturatore di 1/10.000 di secondo. Si tratterebbe dunque di una vera e propria rivoluzione, esattamente quella a cui sta lavorando un gruppo di ricercatori dell’Università di Harvard capitanati dal dott. Sam Dillavou.

Le moderne fotocamere utilizzano i pixel elettronici per registrare la luce che le colpisce. Questi pixel calcolano l’intensità, di solito su una scala di 16 livelli determinata dai bit. Quindi durante un’esposizione, ogni singolo pixel può registrare 14 sfumature di grigio tra il bianco e il nero. Il punto è che, secondo la ricerca, per molte tipologie di immagini, questo livello di dettaglio è del tutto inutile, in quanto è sufficiente una semplice immagine in bianco e nero, con il dettaglio extra in grigio che diventerebbe dunque ridondante.

È un concetto molto più semplice di quanto possa sembrare. Immaginiamo un muro bianco coperto da una tenda nera. Apriamo la tenda da sinistra a destra per scoprire il muro e registriamo il movimento in un’unica esposizione (per semplificare, con l’obiettivo della fotocamera aperto in un unico intervallo di tempo).

Durante l’esposizione, i pixel sul lato sinistro dell’immagine registrano prima la tenda nera e poi il muro bianco mentre la tenda si sposta attraverso il fotogramma. L’immagine media è quella di un grigio chiaro. Al contrario, i pixel che registrano il lato destro dell’immagine vedono la tenda nera per la maggior parte dell’esposizione. Solo alla fine dell’esposizione viene rivelato il muro bianco. In tal caso, la media è un grigio scuro.

L’idea chiave del team guidato da Dillavou è che questa singola immagine può essere pensata come tante istantanee in bianco e nero della tenda mobile sovrapposte l’una sull’altra. In effetti, il numero di immagini che possono essere prese in esame da una singola immagine dipende dal numero di livelli di bit che i pixel registrano.

Armati di questa intuizione, hanno sviluppato un sistema matematico per estrarre queste immagini da un singolo scatto, un’idea che chiamano “la tecnica del frame virtuale”. Nel caso specifico, sarebbe in grado di creare 16 immagini della tenda che si muove lungo il muro, con il solo limite di tirar fuori fotografie in bianco e nero.

Questa tecnica ha il potenziale per trasformare quasi tutte le videocamere elettroniche in dispositivi ad alta velocità. I ricercatori lo hanno testato confrontando i fotogrammi virtuali con quelli presi da una telecamera ad alta velocità che registra 40.000 fotogrammi al secondo. Hanno posizionato un foglio di gomma davanti a uno splitter che ha inviato la luce a entrambe le telecamere, quindi entrambi i sensori avevano la stessa vista del foglio.

L’illuminazione è stata impostata in modo tale che il foglio di gomma apparisse nero mentre lo sfondo bianco. Hanno utilizzato un bisturi per intaccare il foglio di gomma e hanno registrato il modo in cui si è diviso con entrambe le fotocamere. Infine, il team ha utilizzato la tecnica del frame virtuale per estrarre immagini ad alto frame rate e confrontarle con quelle riprese dalle telecamere ad alta velocità a 40.000 frame al secondo. Un video di questo confronto è scaricabile a questo link.

I risultati mostrano che la tecnica del frame virtuale ha un enorme potenziale: registra infatti 1,3 Megapixel in ogni immagine, rispetto ai 60 Kilopixel della fotocamera standard e ciò aumenta notevolmente il campo visivo e quindi la distanza da cui è possibile registrare; anche il frame rate è molto più veloce, Dillavou parla di di 1 MHz.

L’attenzione degli sviluppatori si è adesso spostata nell’applicazione di questa tecnica a una varietà di telecamere differenti “Ad esempio, la Nikon D850 registra fotogrammi virtuali a 16 MHz mantenendo una risoluzione superiore a 50 Megapixel”, affermano i ricercato, e anche un iPhone X sembra essere in grado di registrare fino a un milione di fotogrammi al secondo utilizzando questo sistema.

Come sempre avviene in questi casi, dalla ricerca all’applicazione sul campo il passo non è certamente breve. Ci vorrà ovviamente del tempo affinché tutto questo possa essere implementato nei prodotti effettivamente presenti sul mercato. In ogni caso, si tratta dell’ennesima conferma di come ci sia margine di manovra per spingere ulteriormente i componenti hardware già integrati negli smartphone.