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» » » El desarrollo de las Cámaras Gigapíxel

Los investigadores están desarrollando cámaras que pueden tomar instantáneas digitales compuestas por más de mil millones de píxeles.

Los avances en tecnología son fenomenales. Basta comparar los ordenadores de hace tan sólo unos pocos años con los teléfonos inteligentes de hoy, y entre tanto, las imágenes megapíxel se han ido convirtiendo en la avanzadilla de la fotografía digital; pero las imágenes gigapíxel (compuestas de al menos mil millones de píxeles) están comenzando a aparecer en la Red con gran detalle.

Las imágenes gigapíxel tienen también una enorme y potencial aplicación en misiones civiles y militares, para reconocimiento detallado y información de vigilancia.  Las imágenes a gran distancia tomadas hoy día por los satélites o vehículos aéreos no tripulados (UAV=unmanned aerial vehicles), puede capturar detalles de un número de matrícula durante un vuelo a tal altitud que no pueden ser vistos desde el suelo. Sin embargo, estas imágenes sólo proporcionan una visión estrecha, apunta Ravi Athale, consultor de la Agencia de Investigación de Proyectos de Avanzados en Defensa (DARPA) y científico principal de MITRE Corporation en McLean, Virginia. Él compara las imágenes de UAV como cuando se ve un campo de batalla o de una ciudad a través de un "pajita de refresco", y las imágenes de satélite a través de una aguja de inyección.

 "Ya no estamos tratando con instalaciones fijas o unidades de ejército como tanques o un silo de misiles", comenta Athale. "A este nivel se requiere saber lo que está pasando en una amplia zona del tamaño de una ciudad media."

A través de un programa de explotación y reconstrucción de una arquitectura avanzada con campo de visión gran angular, DARPA, se ha estado trabajando el último año en la forma de desarrollar una cámara que pueda tomar una imagen gigapíxel de calidad, en una sola instantánea. Este enfoque es novedoso, ya que las imágenes gigapíxel de hoy, en realidad se componen de varias imágenes megapíxeles, reconstruidas digitalmente, para proporcionar un alto nivel de detalle sobre una gran área. Esto suele hacerse usando una cámara con una gran lente digital réflex de un solo objetivo (SLR) colocada encima de un motor de montaje. Un programa informático controla el movimiento de la cámara, que captura un mosaico de cientos o incluso miles de imágenes que, cuando se colocan juntas, crean una sola imagen de alta resolución que mantiene su claridad, incluso cuando el espectador hace zoom sobre un área específica. DARPA planea invertir $ 25 millones en un programa de tres años y medio de duración, que incluye un componente llamado Maximally scalable Optical Sensor Array Imaging with Computation (MOSAIC) .

El enfoque de una instantánea única para una fotografía digital gigapixel tiene sus desventajas. El equipo es voluminoso, caro y complicado. A una cámara automatizada, le puede llevar varios minutos o incluso horas, el poder disparar todas las imágenes individuales necesarias para crear un mosaico más grande, las condiciones de iluminación pueden cambiar y los objetos (coches, personas, aviones, etc) se puede mover adentro y afuera de los marcos. Además, unir las imágenes individuales requiere de un software que debe hacer coincidir los puntos superpuestos y los errores deben ser corregidos manualmente.

Estas imágenes también requieren de un software de visualización especial, como en Google Earth, 360world.eu y Gigapan.org (creados por la Carnegie Mellon University de Pittsburgh, la NASA y Google), y otros sitios Web que permiten subir, ver y compartir fotografías digitales gigapíxel en la Red.

Tampoco es que las imágenes gigapíxel sean las más propicias para ser capturadas por una cámara compacta, de bajo costo. Los procesadores digitales y la memoria utilizadas en las cámaras de hoy en día están mal equipadas para manejar imágenes gigapíxel, capaces de contener más de 1.000 veces la cantidad de información que una imagen megapíxel (una imagen de 10 gigapíxeles ocuparía más de 30 gigabytes de espacio en el disco duro). Y a pesar de que los píxeles se utilizan a menudo en referencia a la resolución de la imagen, este atributo, en realidad, sólo puede medirse tomando en cuenta el total de las dimensiones de una imagen y el número de píxeles por pulgada o por centímetro. Por ejemplo, una imagen que es de 20,3 por 25,4 centímetros, a 60 píxeles por centímetro, tiene la misma resolución que una imagen de 10,2 por 12,7 centímetros a 120 píxeles por centímetro.

Fotografías informáticas

Un equipo de investigadores de la Universidad de Columbia en Nueva York, dirigido por el profesor de informática Shree Nayar, cree una cámara instantánea gigapíxel solo es posible si se puede reducir la complejidad de tales imágenes. "En lugar de pensar en ello como la captura de la imagen final, pensar que se está capturando la información que se necesita para calcular la imagen final," dijo Nayar.

En el documento que va a ser presentado en abril en IEEE International Conference on Computational Photography (ICCP) en Pittsburgh, los investigadores de Columbia proponen tres diseños de cámara relativamente compactos (dos de los cuales han construido como prototipos), para hacer imágenes instantáneas gigapíxel, cada diseño se basa en una lente esférica y uno o más sensores digitales. Esta lente es una de las más simples, ya que tiene una simetría perfecta (con menos aberraciones) y consta de un elemento, en lugar de varias lentes que deben ser configuradas para trabajar juntas, explica Oliver Cossairt, que hace el doctorado en informática en Columbia y trabaja con Nayar.


La primera cámara que Nayar, Cossairt y su equipo de Computer Vision Laboratory han creado, tiene un solo elemento, una cámara monocéntrica, de un solo sensor, que utiliza un motor panorámico-diagonal para escanear secuencialmente, para emular una matriz de sensores cubiertos. La segunda cámara es un sistema que en realidad utiliza una matriz de cinco sensores, dispuestos de lado a lado que producen un contiguo campo de visión (FOV) . En este segundo sistema, alrededor de cada sensor se deja un poco de espacio. Para asegurar esto, los investigadores añadieron cinco lentes relé secundarios que colocaron entre la lente esférica y los sensores. Esta configuración permite al FOV de cada sensor superponerse ligeramente, de modo que no haya lagunas entre los datos que puedan distorsionar la imagen final.

El tercer diseño sujeta las lentes relé secundarias directamente a la mitad de la lente esférica (dándole una apariencia irregular en vez de lisa), e incluye un gran número de pequeños sensores en torno a la mitad de la lente. Estos sensores pueden ser fijados en el interior de la carcasa medio esférica, ligeramente más grande que la propia lente. La lente esférica se pondrá entonces dentro de su media carcasa, para que cada sensor se acople con una lente relé.  Cualquier imagen vista por la parte lisa de la lente será captada por los sensores dentro de la medio carcasa.

"Queremos demostrar que hay una forma de llegar a las cámaras gigapíxel, o de vídeo incluso, utilizando los factores de forma, peso y coste de cualquier cámara de hoy en día", señaló Nayar. "Antes se consideraba que eso no se podía hacer, a no ser que construyeras un sistema realmente complejo. Pero lo que afirmamos es que empleando cálculos y sistemas simples, se puede hacer."

Athale reconoce el potencial de este trabajo realizado por Nayar, Cossairt y su equipo, al decir que, "la fotografía informática es crucial para ofrecer una vigilancia permanente en una amplia área."

Otros enfoques de una sola instantánea

Microsoft Research Asia es uno de los otros grupos de experimentar con la imagen gigapíxel de un solo disparo. Los investigadores han venido desarrollando desde 2007 un prototipo que ellos llaman el dgCam, cuya alta potencia con lente de estilo acordeón, ofrece una configuración al dispositivo parecida a una de esas viejas cámaras de estudio de gran formato. El dgCam, recoge imágenes de 1,6 gigapíxel y no se espera su venta comercial, también utiliza un sensor mucho más grande que los utilizados en los prototipos de Columbia. El dgCam no pretende ser una cámara compacta, está diseñada para ayudar con los archivo de museos, a la gestión e investigación de antiguas pinturas y dibujos.

Las cámaras de gran formato, que en sus primeros días requerían el uso de grandes placas y películas fotográficas, ahora dependen de sensores mucho más grandes que los utilizados por los investigadores de Columbia, y están bien adaptadas para tomar imágenes detalladas de objetos pequeños, señala Moshe Ben-Ezra, un investigador del grupo de computación visual de Microsoft Research Asia, que diseñó y construyó la dgCam. "La lente no se mueve durante la captura de la imagen, algo esencial para obtener imágenes con calidad de archivo de cualquier objeto que no sea totalmente plano". La dgCam explora las imágenes y, como en el proyecto de Columbia, utiliza algoritmos computacionales para capturar la información sobre dichas imágenes.

Otro enfoque de gran formato para tomar instantáneas gigapíxel es el Proyecto Gigapixl, que ideó el físico Graham Flint hace un década. La cámara Gigapixl utiliza una película de 23 por 46 centímetros, el mismo utilizado en los aviones espía militares, como el U-2, para capturar unas imágenes, que una vez escaneadas y digitalizadas, puedan formar imágenes de hasta cuatro gigapíxeles de tamaño.

Las imágenes gigapíxel digitales están todavía en su infancia, pero la demanda crecerá tan rápido como la tecnología se desarrolle. "En 1999, las cámaras megapíxel sólo eran un sueño", comenta Christopher Hills, consultor de seguridad de los servicios de seguridad Securitas, que también maneja el sitio gigapixel360.com. Ahora las cámaras digitales de gama alta pueden tomar imágenes de 25 megapíxeles.  "Estoy totalmente convencido que esto va a ser el siguiente gran paso en la evolución de la vigilancia y el vídeo", añade. "En el mundo de las imágenes y el vídeo, el avance siempre va a ser constante hacia la más grande, más rápido y menos costoso."

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Editor del blog Pedro Donaire

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