Gli scienziati dell'EPFL hanno sviluppato un nuovo metodo di elaborazione delle immagini in grado di catturare fenomeni estremamente rapidi utilizzando qualsiasi tipo di fotocamera. Il loro metodo, chiamata la tecnica della cornice virtuale, offre prestazioni migliori rispetto a qualsiasi telecamera commerciale ad alta velocità ed è conveniente e accessibile a chiunque.

Molti fenomeni che si verificano in natura e nell'industria accadono molto rapidamente:uno strappo che attraversa un pezzo di tessuto, una palla di gomma che rimbalza su un pavimento duro, una goccia d'acqua che bagna una superficie asciutta e un pezzo di scotch che si stacca, Per esempio. Catturare immagini di questi fenomeni aiuterebbe gli scienziati a comprenderli meglio, ma le fotocamere convenzionali non sono abbastanza veloci e le fotocamere ad alta velocità sono proibitive.

Ma gli scienziati dell'Engineering Mechanics of Soft Interfaces Laboratory dell'EPFL, lavorando in associazione con i ricercatori dell'Università di Harvard nel laboratorio SMR, hanno sviluppato un nuovo metodo di imaging chiamato Virtual Frame Technique (VFT) in grado di generare migliaia di immagini di questi fenomeni man mano che si verificano passo dopo passo utilizzando una foto scattata da qualsiasi tipo di dispositivo, compreso uno smartphone. Cosa c'è di più, È stato dimostrato che il VFT ha prestazioni migliori rispetto alle telecamere ad alta velocità.

Lavorare con una foto convenzionale

Il metodo inizia analizzando una foto convenzionale. "Se usi una normale fotocamera per scattare una foto di una goccia d'acqua che colpisce una superficie asciutta, il movimento dell'acqua renderà l'immagine sfocata. Ma queste aree sfocate sono proprio dove si sta verificando il fenomeno, sia spazialmente che temporalmente. Questo è ciò che la nostra tecnica usa per mettere insieme il fenomeno sottostante, "dice John Kolinski, un professore alla School of Engineering dell'EPFL. In altre parole, VFT funziona decostruendo le parti sfocate delle immagini.

Un metodo per i fenomeni binari

Il primo passo è far luce sul fenomeno proprio come viene scattata l'immagine convenzionale, in modo che le parti sfocate possano essere sfruttate. "Questa fase di illuminazione iniziale deve essere eseguita correttamente in modo che le parti sfocate dell'immagine contengano le informazioni corrette e possano essere utilizzate. A questo punto, l'oggetto deve avere uno stato istantaneo quantificabile di bloccare completamente la luce o lasciarla passare completamente, " afferma Kolinski. Il passo successivo consiste nell'utilizzare metodi avanzati di elaborazione delle immagini per migliorare la risoluzione temporale dell'immagine convenzionale e lo schema di illuminazione specifico, e poi trasformarlo in un'immagine binaria, cioè contenente pixel neri o bianchi.

Questo metodo offre un vantaggio perché molti fenomeni naturali sono binari; Per esempio, un pezzo di stoffa o si strappa o non lo è, una superficie è bagnata o asciutta. Ciò significa che sono necessari solo due valori in scala di grigi per rappresentarli:non è necessario il 15, Più di 000 valori di intensità disponibili con le fotocamere convenzionali. Sacrificando la capacità di risolvere l'intensità, gli scienziati sono stati in grado di utilizzare la profondità di bit del sensore della fotocamera, o la quantità di informazioni che il sensore può ottenere, per aumentare la frequenza dei fotogrammi mantenendo la piena risoluzione spaziale. La risoluzione temporale può essere ulteriormente migliorata regolando la temporizzazione di un impulso luminoso.

Foto in time-lapse su periodi estremamente brevi

VFT scompone quindi una foto convenzionale di un oggetto in rapido movimento in migliaia di immagini che mostrano ogni fase del processo. "È come scattare foto in time-lapse di un fenomeno quasi istantaneo, " dice Kolinski. Gli scienziati hanno testato la loro tecnica su immagini scattate da tutti i tipi di dispositivi, dagli smartphone alle sofisticate fotocamere professionali, e ha scoperto che ha costantemente portato a un frame rate più veloce. Sebbene sia necessaria un'attenta illuminazione, il metodo è abbastanza generale, ed è stato utilizzato per registrare una ricca varietà di fenomeni, dagli impatti delle goccioline alla meccanica della frattura.