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Estudio del DIE es publicado en Revista Open Access “Scientific Reports” del Nature Publishing Group

Estudio del DIE es publicado en Revista Open Access “Scientific Reports” del Nature Publishing Group

Estudio del DIE es publicado en Revista Open Access “Scientific Reports” del Nature Publishing Group

30.10.2017

 

  • Método de registro de imágenes, no detectable por el ojo humano, que imita la visión de los insectos, tiene aplicaciones en diversas áreas como medicina, comunicación satelital y defensa, entre otras.

Obtener imágenes sin luz es todo un desafío. Hoy existen cámaras infrarrojas que captan radiación de temperatura que permiten visualizar objetos, pero la calidad es muchas veces difusa y poco precisa. ¿Qué pasaría si, simulando ojos de insectos, se puedan tomar esas imágenes, en 3D y sin los famosos “ruidos” o defectos en la imagen? Eso se preguntó un grupo de investigadores de la Universidad de Concepción, quienes enviaron los resultados de sus estudios a la reconocida revista Open Access “Scientific Reports” del Nature Publishing Group, con su artículo Infrared light field imaging system free of fixed-pattern noise.

Sergio Torres, investigador del Departamento de Ingeniería Eléctrica (DIE) y docente de la carrera de Ingeniería Civil en Telecomunicaciones de la Facultad de Ingeniería; junto a su alumno del Doctorado en Ingeniería Eléctrica Pablo Coelho; Francisco Pérez -quien actualmente realiza su Doctorado en University of New Mexico, EE.UU.- y Carlos Saavedra, académico de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, son los autores de este interesante trabajo que mezcla varias disciplinas, con un relevante potencial de impacto en áreas tan diversas como salud, astronomía, termografía industrial, en imágenes satelital y desarrollo militar.

Contexto

El ojo humano es como una cámara y nosotros vemos por el denominado fenómeno de reflexión. La luz artificial o natural choca en distintas frecuencias y los ojos ven en distintos colores. Dicho de otra forma, sin la luz no podríamos ver y estaríamos en las penumbras totales.

Las investigaciones que se están llevando a cabo en el DIE y en especial, en la carrera de Ingeniería Civil en Telecomunicaciones, apuntan a estudiar los diversos usos que se hace de las cámaras infrarrojas en distintas actividades, planteando la creación de crear tecnologías que permitan “ver” lo que el ojo humano no puede percibir a través del desarrollo de cámaras y algoritmos que entreguen esa información. “Nuestros ojos son capaces de captar únicamente una pequeña banda, de alta energía, que es donde están todos los colores. En cambio, el infrarrojo nos permite ver en la noche, en la oscuridad total. O sea, detecta la radiación que tiene que ver con temperatura, pero bien particular porque tú puedes sacar una imagen hasta de menos 200° C”, explicó Sergio Torres.

La imagen obtenida con cámaras infrarrojas es proporcional a la radiación de temperatura del cuerpo. Esta radiación de temperatura –o, dicho de otra forma, de radiación infrarroja- tiene una energía muy débil, por eso son imágenes poco nítidas. Las cámaras infrarrojas son de alto costo, precisamente, porque la tecnología que requieren para entregar resultados óptimos es altamente sofisticada. “Las imágenes infrarrojas son muy ruidosas, producto de esta baja energía. Entonces, todos los que trabajamos en esto disfrutamos eliminando el ruido. Nosotros nos dimos cuenta que hay muchas de cosas que se pueden hacer para mejorar una imagen infrarroja dejarla con cero ruido, o noise free, y eso se puede hacer en forma natural -sin añadir otra tecnología de procesamiento- si se construye una cámara especial que genere la imagen por medio de un escaneo”, contó Sergio Torres.

Sergio Torres y Pablo Coelho en el Laboratorio de Imágenes de Telecomunicaciones

Ojos de insecto

Sergio Torres trabajó en su doctorado en Estados Unidos con imágenes de cámara infrarrojas, y este tema lo trajo de regreso a la Facultad de Ingeniería. Un proyecto suyo obtuvo financiamiento Corfo para instalar un laboratorio de Optoelectrónica y contrató al físico Pablo Coelho quien rápidamente se mostró interesado en el tema e ingresó al Magister y posterior Doctorado de Eléctrica.

“Recuerdo que un día yo le explicaba de todos los problemas que nosotros estábamos mirando y me dijo: 'sabe, hay una teoría en óptica que se llama plenoptics, que en realidad es mirar como miran los insectos'. Las cámaras tienen un lente, pero los insectos tienen un montón de lentes, es tratar de construir una cámara con hartos lentes, o hartas cámaras, escaneando las imágenes que es una mirada más panorámica”, recordó Torres.

En teoría, si se construía esa cámara o se tomaban las imágenes en varios puntos focales, ese ruido típico de imágenes del infrarrojo se podría eliminar naturalmente en la misma operación de la cámara. “Yo no le tenía mucha fe al principio”, contó el académico del DIE, pero cuando le mostraron las imágenes obtenidas desde el tercer piso de la Facultad de Ingeniería hacia donde hoy está el edificio de minas, “no lo podía creer”, señaló Torres quien inició un análisis matemático y una serie de otras pruebas, en total cuatro años para llegar a este producto, hoy patentado. “Lo implementamos y lo probamos experimentalmente”, explicó Torres, sobre el trabajo desarrollado en el Laboratorio de Telecomunicaciones del DIE.

Existen tres formas de representar las imágenes plenopticas: una cámara con varios lentes; varias cámaras unidas; y el barrido o escaneo de una cámara que trabaja con precisión. Los investigadores se decidieron por esta última opción, por la posibilidad de implementación en nuestros laboratorios, y registraron tres escenas: desde el cerro a la ciudad; la UDT y un pasillo del DIE.

El ruido presente en imágenes de baja energía radiante se denomina "de patrón fijo", este se caracteriza por la presencia de líneas que se superponen a la imagen infrarroja. Es como si estuvieran viendo a través de lentes con rayas, por lo que hacia donde se mire, las rayas persisten. “La idea surge cuando uno viaja en auto, y miro hacia la ventana lateral, veo que los árboles que están cerca se mueven muy rápido, las casas más atrás un poco más lento, las montañas se mueven muy poquito y las estrellas no se mueven. Como no se mueven, yo dije: bueno, podríamos pensar que nuestros ruidos que están en nuestros anteojos (rayas) tampoco se muevan, podrían estar lejos, en el infinito”, contó Pablo Coelho, quien entonces decidió cambiar el modelo.

Este desenfoque, que se realiza con la tecnología “plenoptics”, permite observan o perciben el entorno a través de muchas imágenes. “Eso lo hacemos sacando una foto en un punto, luego otra, en otro punto y, luego, juntando toda esa información. Eso hicimos con el escaneo. Vamos escaneando un plano y es como hacer una matriz de 20 x 20, con un movimiento de 1 cm aproximado entre cada foto y esa captura se llama “light field” y con eso se puede reenfocar”, explicó Coelho.

Por ejemplo, cuando se saca una foto normal, primero se enfoca en un punto y nos quedamos con ese enfoque y no hay forma de poder enfocar el fondo. En cambio, cuando se hace un escaneo se logran captar muchas imágenes y esa información permite reenfocar el fondo y calibrar la profundidad de campo, a través de un proceso guiado que permite decidir qué punto específico se quiere enfocar.

*Open Access “Scientific Reports” con Factor de Impacto para el 2016 de 4.259, mayor a Plus One - también importante - que presenta un Factor de Impacto 2.806. “Scientific Reports” pertenece al grupo editorial Nature Publishing Group (parte de Springer Nature).