Los ojos compuestos de los insectos pueden detectar objetos que se mueven rápidamente en paralelo y, en condiciones de poca luz, mejorar la sensibilidad al integrar señales a lo largo del tiempo para determinar el movimiento.
Inspirados por estos mecanismos biológicos, los investigadores del KAIST han desarrollado con éxito una cámara de alta velocidad y bajo costo que supera las limitaciones de velocidad de cuadros y sensibilidad que enfrentan las cámaras convencionales de alta velocidad.
KAIST (representado por el presidente Kwang Hyung Lee) anunció el 16 de enero que un equipo de investigación dirigido por los profesores Ki-Hun Jeong (Departamento de Ingeniería Biológica y Cerebral) y Min H. Kim (Facultad de Informática) ha desarrollado una novedosa cámara de inspiración biológica capaz de obtener imágenes a ultraalta velocidad con alta sensibilidad imitando la estructura visual de los ojos de los insectos.
La obtención de imágenes de alta calidad en condiciones de alta velocidad y poca luz es un desafío crítico en muchas aplicaciones. Si bien las cámaras de alta velocidad convencionales son excelentes para capturar movimientos rápidos, su sensibilidad disminuye a medida que aumenta la velocidad de fotogramas porque se reduce el tiempo disponible para captar luz.
Para abordar este problema, el equipo de investigación adoptó un enfoque similar a la visión de los insectos, utilizando múltiples canales ópticos y suma temporal. A diferencia de los sistemas de cámara monocular tradicionales, la cámara de inspiración biológica emplea una estructura similar a la de un ojo compuesto que permite la adquisición paralela de imágenes de diferentes intervalos de tiempo.
< Figura 1. (A) Visión en un insecto de ojos rápidos. La luz reflejada de objetos que se mueven rápidamente estimula secuencialmente los fotorreceptores a lo largo de los canales ópticos individuales llamados omatidios, de los cuales las señales visuales se procesan por separado y en paralelo a través de la lámina y la médula. Cada respuesta neuronal se suma temporalmente para mejorar las señales visuales. El procesamiento paralelo y la suma temporal permiten obtener imágenes rápidas y con poca luz en condiciones de poca luz. (B) Cámara de matriz de microlentes de alta velocidad y alta sensibilidad (HS-MAC). Se utiliza un sensor de imagen de obturador rotatorio para adquirir simultáneamente múltiples fotogramas por división de canal, y la suma temporal se realiza en paralelo para lograr alta velocidad y sensibilidad incluso en un entorno con poca luz. Además, los componentes del fotograma de una única imagen de matriz fragmentada se unen en un único fotograma borroso, que posteriormente se desenfoca mediante la reconstrucción de imagen por compresión. >
Durante este proceso, la luz se acumula a lo largo de períodos de tiempo superpuestos para cada fotograma, lo que aumenta la relación señal-ruido. Los investigadores demostraron que su cámara de inspiración biológica podía capturar objetos hasta 40 veces más tenues que los detectables por las cámaras convencionales de alta velocidad.
El equipo también introdujo una técnica de «división de canales» para mejorar significativamente la velocidad de la cámara, logrando velocidades de cuadro miles de veces más rápidas que las admitidas por los sensores de imagen utilizados en los envases. Además, se empleó un algoritmo de «restauración de imágenes comprimidas» para eliminar el desenfoque causado por la integración de cuadros y reconstruir imágenes nítidas.
La cámara de inspiración biológica resultante tiene menos de un milímetro de grosor y es extremadamente compacta, capaz de capturar 9.120 fotogramas por segundo y proporcionar imágenes claras en condiciones de poca luz.
< Figura 2. Una cámara biomimética de alta velocidad y alta sensibilidad dentro de un sensor de imagen. Es lo suficientemente pequeña como para caber en un dedo, con un grosor de menos de 1 mm. >
El equipo de investigación planea ampliar esta tecnología para desarrollar algoritmos avanzados de procesamiento de imágenes para imágenes en 3D e imágenes de súper resolución, con el objetivo de aplicaciones en imágenes biomédicas, dispositivos móviles y varias otras tecnologías de cámaras.
Hyun-Kyung Kim, estudiante de doctorado del Departamento de Ingeniería Biológica y Cerebral del KAIST y primer autor del estudio, afirmó: “Hemos validado experimentalmente que la cámara inspirada en el ojo de un insecto ofrece un rendimiento excepcional en imágenes a alta velocidad y con poca luz a pesar de su pequeño tamaño. Esta cámara abre posibilidades para diversas aplicaciones en sistemas de cámaras portátiles, vigilancia de seguridad e imágenes médicas”.
< Figura 3. Placa giratoria y llama captadas con la cámara biomimética de alta velocidad y alta sensibilidad. La placa giratoria a 1950 rpm se capturó con precisión a 9120 fps. Además, el desprendimiento de la llama con una intensidad tenue de 880 µ lux se capturó con precisión a 1020 fps. >
Esta investigación fue publicada en la revista internacional Science Advances en enero de 2025 (título del artículo: “Cámara de matriz de microlentes de inspiración biológica para imágenes de alta velocidad y alta sensibilidad”).
DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.ads3389
Este estudio fue apoyado por el Instituto de Investigación de Corea para la Planificación y el Avance de la Tecnología de Defensa (KRIT) de la Administración del Programa de Adquisiciones de Defensa (DAPA), el Ministerio de Ciencia y TIC y el Ministerio de Comercio, Industria y Energía (MOTIE) . KAIST News. Traducido al español
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