Soha nem látott minőségű filmek egy új kamerával

A CCD-kamerákban alkalmazott digitális technikát továbbfejlesztve új képrögzítési eljárást dolgoztak ki, mely nagyfelbontású állóképek és nagysebességű mozgóképek szimultán felvételét teszi lehetővé. Az új technológia olcsó és kis kapacitásigényű, ezért széleskörű tudományos felhasználása mellett várható, hogy a fogyasztók számára is hamarosan elérhetővé válik.

Az Oxfordi Egyetem dr. Peter Kohl vezette kutatócsapata szívizomsejtek működését tanulmányozza. Az ilyen típusú biológiai vizsgálatok komoly képrögzítő és -feldolgozó apparátust igényelnek: a sejtfunkciók megértéséhez egyszerre kell feltérképezni a sejt és környezete részletes térbeli struktúráját és követni a sejtaktivitás nagysebességű dinamikáját, vagyis egyszerre kell látni a sejttevékenység térbeli és időbeli részleteit, ehhez pedig mind térben, mind időben nagy felbontású képfelvételekre van szükség.

A jelenleg rendelkezésre álló képrögzítési technikák mellett ez nem könnyű feladat, mert a (térben) nagyfelbontású detektorok képrögzítési sebességét erősen korlátozzák bizonyos adatkiolvasási  paraméterek (zajszint, sávszélesség, stb.). Ezért a kutatók általában két kamerát használnak egyidejűleg: a mintáról kilépő fényt kettéosztják, s egyik részét egy nagyfelbontású, kissebességű fényképezőgép, másik részét egy nagysebességű, alacsony felbontású videokamera lencséire bocsájtják. A két felvétel összehangolása, a kapott két adatsor összeillesztése, kiértékelése azonban igen nehézkes, nem beszélve arról, hogy a két kamera kétszeres költséggel, memóriaigénnyel, stb. jár.

Az oxfordi kutatócsoport  egy olyan ötlettel állt elő, amely lehetővé teszi a nagyfelbontású állóképek és a nagysebességű videók szimultán rögzítését egyetlen hagyományos nagyfelbontású, kissebességű digitális kamera képkockáira (lásd a mellékelt filmen, ahol egy tejcsepp hull vízbe). Az új módszer, amellett, hogy megoldja az összeillesztéssel kapcsolatos problémákat, a nagysebességű videók készítésének egyszerűbb és olcsóbb technikáját kínálja, mint amelyek jelenleg a piacon - igen drágán - elérhetők.

Az új eljárás, melyet időbeli pixel-multiplexelésnek (TPM, Temporal Pixel Multiplexing) neveznek, a következőképpen működik. A CCD és CMOS alapú digitális fényképezőgépek érzékelőit kicsiny fotodetektorok (pixelek) rendszere alkotja, melyeken töltés halmozódik fel, ha fény éri felületüket. Amikor egy hagyományos digitális kamerával fényképet készítünk, minden pixel egyszerre, valamely t_i ideig (integrációs, expozíciós vagy záridő) nyeli el a fényképezőgép nyitott zárszerkezetén beáramló fényt.

A TPM-kamera pixelrendszere, ezzel szemben, pixel-csoportokra van felosztva, amelyek a kamera teljes t_i  zárideje alatt különböző időpontokban, t_i-nél rövidebb ideig (t_e) gyűjtik a fényt. Ezáltal egyetlen felvett kép - két különböző módon kiolvasva - két különböző típusú információt szolgáltat:  egyrészt - mivel a t_i integrációs idő alatt végül az összes pixel felületét éri fény - a pixelek tartalmát egyszerre megjelenítve a standard nagyfelbontású állóképhez jutunk, amelyen a nyugvó tárgyak képe éles, a t_i-n belül elmozduló objektumok képe homályos, csakúgy mint a hagyományos, TPM nélküli felvételen; másrészt, e t_i időtartam alatti nagysebességű mozgások követhetők, ha az egyszerre exponálódó pixeleket külön képekként jelenítjük meg, s e kisebb felbontású képeket egymás után, nagysebességű videoként lejátszuk. Így a nagy térbeli és időbeli felbontású felvételek egyetlen eszköz segítségével, egyszeres kapacitásigénnyel, szimultán rögzíthetők.

    

A TPM-technika szemléltetése: a 36 pixeles érzékelőlapka négy, egyenként 9 pixelt tartalmazó pixel-csoportra van felosztva, melyek a kamera teljes t_i  integrációs ideje alatt különböző időpontokban, t_e=t_i/4 ideig gyűjtik a fényt. Először az 1-es, majd a 2-es,  3-as, végül a 4-es sorszámú pixelek exponálódnak

A TPM-kamera prototípusát fogyasztói szintű hardverek felhasználásával építette meg a brit csapat: az 1000x1000 pixel felbontású, 25 kép/másodperc sebességű digitális kamera lencséje és érzekelőlapkája közé egy házimozi projektor digitális chipjét szerelték be. A chipen lévő mikro-tükrök rendszere, szelektív zárként funkcionálva, kitakarta a fény elől az érzékelőlapka egy részét, úgy, hogy minden időpillanatban a pixelek 1/16-át érje fény. Az egyszerre exponálódó pixelek 16 "alképet" alkottak, melyeket egymás után lejátszva, egy 250x250 pixel felbontású, 400  kép/másodperc sebességű videófelvétel állt elő - jóval olcsóbban, mintha ugyanezt a piacon kapható nagysebességű videokamerával rögzítették volna.
           
Az új technológia az Isis Innovation szabadalma alatt áll, gyártásának beindításáról már folynak a tárgyalások. A TPM jelentős előrelépést jelenthet a tudományos célú képalkotás területén, s emellett - a biztonságtechnikától a sportfotózásig - jónéhány alkalmazásra találhat majd az ipari és fogyasztói szektorban is.

Gömöri Márton