Mexicanos desarrollan cámaras unipixel

Zacatecas, Zacs., a 06 de abril del 2018.-.A medida que la tecnología avanza y con el fin de mejorar la resolución de las imágenes, desarrolladores tecnológicos han recurrido a incrementar el número de pixeles —unidad más pequeña de una imagen— en las cámaras fotográficas. Esta acción involucra también el incremento de costos y una cada vez mayor complejidad para la fabricación de los mismos, pero ¿qué pasaría si en lugar de aumentar el número de pixeles, fueran fabricadas cámaras en donde el sensor que detecta y captura la imagen tuviera un solo pixel? 

En la búsqueda de sus propias técnicas y métodos para incrementar la calidad visual de la imagen digital y, a su vez, economizar los procesos actuales, un equipo multidisciplinario de la Universidad Autónoma de Zacatecas (UAZ) trabaja en el desarrollo de nuevos sensores de imagen, que los convierte en el único grupo en México que trabaja esta línea de investigación.

“Sabemos que los métodos utilizados actualmente consisten en cada vez utilizar una mayor cantidad de pixeles tanto para registrar la imagen deseada como para observarla en la pantalla. Nosotros planteamos disminuir el número de pixeles, pero aumentar su calidad”, indicó la doctora Ma. Auxiliadora Araiza Esquivel, docente investigadora de la Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica (UAIE) de la UAZ.

Aunque en países como España, Estados Unidos y Alemania, hay grupos de ingenieros y físicos que trabajan en el desarrollo e implemento de cámaras de un solo pixel —unipixel—, e inclusive algunos de sus resultados ya han sido comercializados, aún no han logrado reducir el tiempo de procesamiento, el costo computacional de la información todavía es muy alto y sus resultados consisten en imágenes muy pequeñas.

“Por esta razón, consideramos que aún hay mucho trabajo por hacer en investigación, para que en un futuro próximo se pueda contar con cámaras unipixel de forma comercial. En este punto estamos trabajando y somos el único grupo en México que investiga sobre estas nuevas tecnologías”, comunicó Ma. Auxiliadora Araiza.

En este trabajo, además de investigadores de la UAZ, colabora el doctor Enrique Tajahuerce, docente en la Universidad Jaume I (UJI), en Castellón, España, y miembro del Grupo de Investigación de Óptica (GROC, por sus siglas en catalán), junto con los doctores Luis Martínez León, Jesús Lancis, Fernando Soldevila, Pere Clemente y Vicente Durán, también docentes investigadores en la UJI.

El grupo de la UAIE UAZ, en donde colabora Araiza Esquivel, trabaja en este proyecto desde hace tres años, en coordinación con Susana Burnes Rudecino y Humberto González Hernández, estudiantes mexicanos que hacen sus estudios de doctorado bajo la codirección del doctor Tajahuerce. Por su participación en este proyecto, Humberto González será beneficiado con un convenio de doble cotutela por parte de estas dos universidades, debido a un convenio entre estas instituciones que permite la movilidad de estudiantes y profesores.

“Esta técnica innovadora incursiona desde el punto de vista de la óptica y procesamiento de imágenes para el desarrollo de nuevas técnicas y métodos que permitan que con un solo pixel —como sensor de imagen— se pueda grabar una gran cantidad de información y con el adecuado procesamiento de este registro se pueda proyectar en la pantalla una imagen de buena resolución, además de funcionar en el mínimo de tiempo posible. Hasta el momento, hemos obtenido varios resultados y solo se ha trabajado con luz monocromática, es decir, en escala de grises”, indicó la también miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI).

Sensores unipixel para cámaras de fase

La mayoría de las personas conoce las cámaras convencionales para el procesamiento de imágenes; sin embargo, también existen otros tipos de cámaras utilizadas en la sociedad, como las térmicas, que registran imágenes en colores que representan la temperatura a la que están los objetos capturados, y las de fase, que captan información sobre su textura o profundidad. Estos diferentes tipos de cámaras son mucho más costosas que las convencionales y, en caso de utilizar la tecnología unipixel propuesta por el grupo de investigadores de la UAZ, también se verían favorecidas.

Araiza Esquivel, doctora en ciencias aplicadas con opción en fotónica, expuso que debido a esto, el equipo de investigadores ha enfocado la primera parte de su proyecto a trabajar con modelos matemáticos que midan los sensores unipixel en las cámaras de fase, ya que esto permitirá tener un avance general en todo tipo de cámaras y no únicamente en las convencionales.

“Los objetos transparentes no pueden modificar la intensidad de la luz, por lo que no se puede apreciar su estructura a simple vista, pero estos mismos objetos sí pueden modificar la fase. En términos coloquiales, la fase está relacionada con el retardo que se produce en la luz al avanzar por un medio. Si el objeto es transparente como, por ejemplo, un vidrio, pero es corrugado o tiene un relieve suave, la fase de la luz se verá modificada de diferente forma en distintas zonas del objeto. Una cámara de fase detecta estas variaciones y, por lo tanto, permite visualizar estas texturas o formas que nosotros no detectamos a simple vista y muestra una imagen del objeto que no puede observarse con el ojo ni con cámaras convencionales”, explicó.

Esta parte del proyecto fue llevada a cabo por Humberto González, quien trabajó en una nueva técnica de detección de fase basada en “hologramas”, que son imágenes tridimensionales que funcionan con la luz y que aparentan movimiento, como las que se encuentran en los billetes. Sin embargo, a diferencia de la holografía convencional, en este nuevo sistema holográfico se utiliza un sensor fotográfico de un solo pixel y un dispositivo de microespejos digitales (DMD) para modular la luz que se estaría registrando.

La licenciada en electrónica en sistemas digitales explicó que las cámaras convencionales no capturan la fase de las imágenes; sin embargo, la técnica propuesta por este grupo de investigadores permite registrarla. La fase en las imágenes tiene diversas aplicaciones de suma importancia; por ejemplo, en la biología, en donde a través de la microscopía de fase se detectan estructuras transparentes en los tejidos biológicos y las células, sin necesidad de utilizar tintes o sustancias fluorescentes.

Captura de imágenes en diferentes áreas

Ma. Auxiliadora Araiza, también maestra en control automático, informó que entre los principales hallazgos que ha logrado este equipo multidisciplinario con este proyecto fue adquirir imágenes de fase en un tiempo menor del habitual. “Gracias al empleo de moduladores espaciales de luz basados en microespejos, en lugar de los moduladores convencionales basados en pantallas de cristal líquido (LCD, por sus siglas en inglés), se ha reducido mucho el tiempo de medida. Los moduladores de microespejos pueden modular hasta unas 20 mil imágenes por segundo, es decir, que son unas 200 veces más rápidos que los moduladores convencionales”.

¿Cómo puede este equipo de investigadores afirmar que su técnica funciona, si no se puede registrar con cámaras convencionales? Gracias a la multidisciplinariedad del equipo, en donde aplican teorías físicas, matemáticas e ingenieriles, han sido capaces de implementar esta técnica holográfica de un solo pixel en el laboratorio y han comprobado que realmente se encuentran capturando la fase de modo adecuado.

El dispositivo holográfico ha sido armado con un sistema óptico de lentes, espejos, láseres, un DMD y un único fotosensor en un cuarto oscuro, lo que les permitió corroborar que su método y técnica funcionan, aunque después también lo comprobaron utilizando una cámara Shack-Hartmann.

Luz estructurada para registrar imágenes en un solo pixel

Por su parte, el doctor Enrique Tajahuerce, quien lleva cerca de siete años trabajando en técnicas de imagen de un solo pixel, especificó que con el fin de obtener imágenes —convencionales y holográficas— una idea clave de este proyecto es utilizar técnicas de luz estructurada; es decir, en lugar de iluminar los objetos con luz uniforme, como hacen los sistemas convencionales, proyecta una secuencia de patrones —por ejemplo, líneas horizontales— de luz sobre los mismos.

Los moduladores espaciales de luz, como los microespejos digitales, se utilizan precisamente para generar estos patrones de luz estructurada. En este caso, el fotosensor —único pixel— solo registra las variaciones en la intensidad de la luz que producen los distintos patrones —en este caso, las líneas horizontales—, generando una señal eléctrica. La imagen final se reconstruye en la computadora a partir de esta señal.

“Hasta ahora, nosotros habíamos modulado la estructura de la luz solo en intensidades. Sin embargo, en este proyecto también hemos conseguido armonizar la estructura de la luz en fase utilizando distintas técnicas de difracción —‘rebote’ de la luz—. Esto tiene muchas ventajas en términos de eficiencia y nos permite generar y proyectar patrones de luz más complejos sobre el objeto. En todo caso, nuestro proyecto es más ambicioso, ya que pretendemos desarrollar nuevos métodos de proyección, mejorar los dispositivos de holografía, idear técnicas de detección de un solo pixel más eficientes y utilizar estos sistemas en nuevas aplicaciones”, explicó.

Sistemas cada vez más eficientes con cámaras de un solo pixel

A largo plazo, este equipo de investigadores busca desarrollar sistemas cada vez más eficientes con cámaras de un solo pixel que puedan competir con las cámaras convencionales. Estas cámaras pueden ser ventajosas en distintas aplicaciones, tales como algunos métodos de microscopía, técnicas de imagen a través de medios que no son claros o transparentes y técnicas de imagen multiespectral. En estas últimas, se puede capturar imágenes con una gran cantidad de colores o componentes espectrales de la luz. En general, estas cámaras pueden ser útiles en técnicas de imagen multidimensional, en donde se pueden medir distintas propiedades de la luz, que van más allá de la intensidad y el color.

“Nuestro objetivo a largo plazo es conseguir sistemas de formación de imágenes capaces de medir muchos parámetros físicos de la luz simultáneamente. No solamente la distribución espacial de la intensidad, como lo hace una cámara convencional, sino también la distribución espacial de la fase, el color, la polarización y otros parámetros físicos que describen la luz. Y todo ello con el menor número de detectores posible para poder simplificar la parte de la detección. Esta es la idea”, finalizó el doctor Enrique Tajahuerce.