Roberta Machado
Estado de MInas: 24/05/2013
B rasília –
Pesquisadores do Reino Unido desenvolveram uma técnica de baixo custo
para produzir imagens em três dimensões. Em vez de uma câmera carregada
de megapixels, os britânicos escolheram um sistema de sensores de um
único pixel que trabalha em conjunto para registrar diferentes ângulos
de um objeto. No lugar da lente, um projetor manipula a luz sobre o
objeto, invertendo os papéis habituais da fotografia. A técnica, baseada
num princípio da física quântica chamado ghost imaging (imagem
fantasma, em inglês), está descrita na revista Science desta semana como
uma forma barata de fazer reconstruções em 3D de objetos e elementos
invisíveis – se desenvolvido, o método pode ser usado para localizar
gases ou até mesmo tumores.
Uma cabeça de manequim comum serviu como modelo para a técnica. Um projetor iluminou o alvo com uma série de combinações binárias de luzes que lembram tabuleiros de xadrez. Cada vez que o equipamento mudava a projeção – ele piscava 660 vezes por minuto –, os raios refletiam no rosto de plástico e indicavam para os sensores em que estavam as curvas e saliências do objeto. A intensidade do raio detectado era proporcional ao número de quadrados brancos que cobriam a superfície de plástico.
O manequim foi bombardeado por alguns segundos, tempo suficiente para produzir quatro fotos de baixa resolução em preto e branco. Um computador combinou as informações das luzes enviadas e recebidas pelo sistema, montando quatro fotos fantasmagóricas. As fotografias obtidas no experimento tinham 266 por 192 pixels, um valor que depende do número de quadrados marcados na luz usada pelo projetor. Se toda a capacidade da máquina for usada em padrões mais complicados de iluminação inteligente, a resolução da foto sem lentes pode chegar a 1.024 por 758 pixels. O processo, no entanto, levaria mais tempo para ser feito.
Cada uma das fotos retratava a cabeça de um ângulo diferente, correspondente à localização do sensor. O diodo que ficava sob o projetor mostrou o manequim com uma luz que parecia surgir de baixo, enquanto o sensor de cima registrou a cabeça de um ângulo superior, como se a luz também viesse do topo dela. O mesmo ocorreu com os sensores que estavam à esquerda e à direita da fonte de luz: cada um mostrou o objeto como se uma lâmpada iluminasse o manequim do seu ponto de vista.
De acordo com um dos autores da pesquisa, Matthew Edgar, da Universidade de Glasgow, os sensores tomam o papel de luz nessa inversão da física comum. “O projetor de luz se comporta como câmera, mesmo que não seja uma, e que a luz parta do projetor. Imagine que, basicamente, o sistema faz o exato oposto de uma câmera comum”, compara.
As fotos do manequim foram combinadas com uma técnica chamada shape from shade (forma da sombra, em inglês), que usou um algoritmo para produzir um modelo em três dimensões da cabeça. “Escrevemos um algoritmo especial para unir as quatro imagens dos detectores. Ele compara a diferença de intensidade de cada pixel em uma equação e resolve essa equação para obter a informação 3D”, explica Baoqing Sun, principal autor do trabalho e estudante de doutorado da Universidade de Glasgow.
Na prática Até então, a técnica do ghost imaging era mais vista como um tipo de experimento que buscava confirmar teorias da física quântica, pois a produção de imagens não conseguia superar as câmeras comuns em praticidade. A adaptação da ideia para a reconstrução de um objeto com volume pode finalmente dar vida às imagens fantasmas fora dos laboratórios. “Os sistemas de câmeras 3D existentes normalmente são baseados em várias câmeras. E um equipamento desses custa uns mil dólares. Mas esse novo sistema é bem barato, não custa quase nada se comparado a outras técnicas 3D”, aponta Sun.
Outra grande vantagem da nova técnica sobre os métodos de imagem em três dimensões é que os pixels fantasmas podem capturar frequências invisíveis. Câmeras digitais comuns, com sensores de silício, ou modelos que usam filmes fotográficos só conseguem registrar a luz vista pelo olho humano, entre o infravermelho e o ultravioleta. A técnica criada, no entanto, pode ser adaptada para mostrar esses espectros em três dimensões.
A qualidade pode ser aproveitada, apontam os pesquisadores, em pesquisas na área da biomedicina ou no mapeamento de gases em plataformas petrolíferas. Se for aperfeiçoada para a escala de terahertz, a tecnologia pode até mesmo resultar numa nova – e mais barata – forma de localizar tumores. O possível equipamento de imagem médica seria de baixo custo, portátil e capaz de mostrar modelos precisos em três dimensões em questão de segundos. Os autores do trabalho ainda buscam parceiros para financiar a nova fase da pesquisa.
Limitações Para especialistas, a pesquisa mostra um avanço significativo na experimentação de um campo de estudos que é alvo de experimentos há mais de 20 anos. “Tudo isso já foi bolado de uma forma teórica, mas é uma implementação interessante. É uma execução difícil. Eles tiveram de ajustar as ideias da teoria, e isso leva muito tempo. (A pesquisa) tem um valor razoável”, avalia o brasileiro Geraldo Alexandre Barbosa, professor da Universidade Northwestern e especialista em ótica quântica.
Essa foi a primeira vez que a imagem fantasma foi usada com sensores combinados para criar uma imagem em 3D. “Ele poderia, agora, aumentar a resolução e a velocidade da coleta de análise para coisas dinâmicas”, aponta o especialista, um dos primeiros a trabalhar no campo das imagens quânticas no mundo. O modelo proposto pelos pesquisadores ainda não pode ser usado para registrar objetos em movimento, e a precisão do modelo 3D deixa a desejar quando o alvo da fotografia não tem uma superfície com fácil reação à luz, como o plástico.
Aparência
O termo ghost imaging surgiu em 1995, quando um grupo russo liderado pelo físico David Klyshko conseguiu usar o princípio para registrar uma imagem de um objeto. O nome é normalmente relacionado à aparência sobrenatural das fotos registradas sem câmeras, mas também faz referência aos primeiros experimentos que deram início à técnica. A princípio, usavam-se duas luzes idênticas: enquanto uma iluminava o objeto num padrão aleatório e tinha os reflexos medidos por um projetor, a outra era registrada por uma câmera. Depois, os pesquisadores notaram que apenas um raio de luz era necessário, desde que o padrão dele fosse programado e não completamente aleatório.
Origem em Minas Gerais
A pesquisa que descreveu a primeira imagem quântica do mundo foi feita há 20 anos por uma equipe do Laboratório de Óptica Quântica da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). O trabalho foi publicado em 1994 na revista especializada Physical Review. A tese, do então estudante de doutorado Paulo Henrique Souto Ribeiro, recebeu o Prêmio Melhor Tese do Ano da Sociedade Brasileira de Física.
Duas perguntas para...
Matthew Edgar
pesquisador da Universidade de Glasgow, no Reino Unido
O que é o método de ghost imaging?
Ghost imaging é uma forma de capturar imagens com um dispositivo detector de um único pixel. Ele projeta uma série de padrões de luz aleatórios em um objeto e mede em um único diodo a luz refletida para cada padrão. O que se faz é rever o sinal da imagem no único diodo e, com esses padrões projetados, usá-los num algoritmo de computador, que gradualmente produz a imagem do objeto. Então, diferentemente de uma câmera, esse sistema só tem um pixel, um único diodo. Dependendo da resolução que queremos, pode levar alguns segundos ou vários minutos.
Como os senhores usaram essa técnica para produzir uma imagem em 3D?
O que fizemos foi usar, em vez de um pixel, vários pixels em diferentes localizações. E as imagens que produzimos em cada um desses pixels são um pouco diferentes. A informação espacial, a forma do objeto, é idêntica em todas as imagens, mas as sombras das imagens dependem de onde o detector está. Então, isso significa que nosso detector, que grava a luz, está se comportando como uma fonte de luz. E o projetor, que projeta luz, comporta-se como uma câmera. O que fizemos foi efetivamente tornar o projetor uma câmera e tornar o detector uma fonte de luz.
Uma cabeça de manequim comum serviu como modelo para a técnica. Um projetor iluminou o alvo com uma série de combinações binárias de luzes que lembram tabuleiros de xadrez. Cada vez que o equipamento mudava a projeção – ele piscava 660 vezes por minuto –, os raios refletiam no rosto de plástico e indicavam para os sensores em que estavam as curvas e saliências do objeto. A intensidade do raio detectado era proporcional ao número de quadrados brancos que cobriam a superfície de plástico.
O manequim foi bombardeado por alguns segundos, tempo suficiente para produzir quatro fotos de baixa resolução em preto e branco. Um computador combinou as informações das luzes enviadas e recebidas pelo sistema, montando quatro fotos fantasmagóricas. As fotografias obtidas no experimento tinham 266 por 192 pixels, um valor que depende do número de quadrados marcados na luz usada pelo projetor. Se toda a capacidade da máquina for usada em padrões mais complicados de iluminação inteligente, a resolução da foto sem lentes pode chegar a 1.024 por 758 pixels. O processo, no entanto, levaria mais tempo para ser feito.
Cada uma das fotos retratava a cabeça de um ângulo diferente, correspondente à localização do sensor. O diodo que ficava sob o projetor mostrou o manequim com uma luz que parecia surgir de baixo, enquanto o sensor de cima registrou a cabeça de um ângulo superior, como se a luz também viesse do topo dela. O mesmo ocorreu com os sensores que estavam à esquerda e à direita da fonte de luz: cada um mostrou o objeto como se uma lâmpada iluminasse o manequim do seu ponto de vista.
De acordo com um dos autores da pesquisa, Matthew Edgar, da Universidade de Glasgow, os sensores tomam o papel de luz nessa inversão da física comum. “O projetor de luz se comporta como câmera, mesmo que não seja uma, e que a luz parta do projetor. Imagine que, basicamente, o sistema faz o exato oposto de uma câmera comum”, compara.
As fotos do manequim foram combinadas com uma técnica chamada shape from shade (forma da sombra, em inglês), que usou um algoritmo para produzir um modelo em três dimensões da cabeça. “Escrevemos um algoritmo especial para unir as quatro imagens dos detectores. Ele compara a diferença de intensidade de cada pixel em uma equação e resolve essa equação para obter a informação 3D”, explica Baoqing Sun, principal autor do trabalho e estudante de doutorado da Universidade de Glasgow.
Na prática Até então, a técnica do ghost imaging era mais vista como um tipo de experimento que buscava confirmar teorias da física quântica, pois a produção de imagens não conseguia superar as câmeras comuns em praticidade. A adaptação da ideia para a reconstrução de um objeto com volume pode finalmente dar vida às imagens fantasmas fora dos laboratórios. “Os sistemas de câmeras 3D existentes normalmente são baseados em várias câmeras. E um equipamento desses custa uns mil dólares. Mas esse novo sistema é bem barato, não custa quase nada se comparado a outras técnicas 3D”, aponta Sun.
Outra grande vantagem da nova técnica sobre os métodos de imagem em três dimensões é que os pixels fantasmas podem capturar frequências invisíveis. Câmeras digitais comuns, com sensores de silício, ou modelos que usam filmes fotográficos só conseguem registrar a luz vista pelo olho humano, entre o infravermelho e o ultravioleta. A técnica criada, no entanto, pode ser adaptada para mostrar esses espectros em três dimensões.
A qualidade pode ser aproveitada, apontam os pesquisadores, em pesquisas na área da biomedicina ou no mapeamento de gases em plataformas petrolíferas. Se for aperfeiçoada para a escala de terahertz, a tecnologia pode até mesmo resultar numa nova – e mais barata – forma de localizar tumores. O possível equipamento de imagem médica seria de baixo custo, portátil e capaz de mostrar modelos precisos em três dimensões em questão de segundos. Os autores do trabalho ainda buscam parceiros para financiar a nova fase da pesquisa.
Limitações Para especialistas, a pesquisa mostra um avanço significativo na experimentação de um campo de estudos que é alvo de experimentos há mais de 20 anos. “Tudo isso já foi bolado de uma forma teórica, mas é uma implementação interessante. É uma execução difícil. Eles tiveram de ajustar as ideias da teoria, e isso leva muito tempo. (A pesquisa) tem um valor razoável”, avalia o brasileiro Geraldo Alexandre Barbosa, professor da Universidade Northwestern e especialista em ótica quântica.
Essa foi a primeira vez que a imagem fantasma foi usada com sensores combinados para criar uma imagem em 3D. “Ele poderia, agora, aumentar a resolução e a velocidade da coleta de análise para coisas dinâmicas”, aponta o especialista, um dos primeiros a trabalhar no campo das imagens quânticas no mundo. O modelo proposto pelos pesquisadores ainda não pode ser usado para registrar objetos em movimento, e a precisão do modelo 3D deixa a desejar quando o alvo da fotografia não tem uma superfície com fácil reação à luz, como o plástico.
Aparência
O termo ghost imaging surgiu em 1995, quando um grupo russo liderado pelo físico David Klyshko conseguiu usar o princípio para registrar uma imagem de um objeto. O nome é normalmente relacionado à aparência sobrenatural das fotos registradas sem câmeras, mas também faz referência aos primeiros experimentos que deram início à técnica. A princípio, usavam-se duas luzes idênticas: enquanto uma iluminava o objeto num padrão aleatório e tinha os reflexos medidos por um projetor, a outra era registrada por uma câmera. Depois, os pesquisadores notaram que apenas um raio de luz era necessário, desde que o padrão dele fosse programado e não completamente aleatório.
Origem em Minas Gerais
A pesquisa que descreveu a primeira imagem quântica do mundo foi feita há 20 anos por uma equipe do Laboratório de Óptica Quântica da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). O trabalho foi publicado em 1994 na revista especializada Physical Review. A tese, do então estudante de doutorado Paulo Henrique Souto Ribeiro, recebeu o Prêmio Melhor Tese do Ano da Sociedade Brasileira de Física.
Duas perguntas para...
Matthew Edgar
pesquisador da Universidade de Glasgow, no Reino Unido
O que é o método de ghost imaging?
Ghost imaging é uma forma de capturar imagens com um dispositivo detector de um único pixel. Ele projeta uma série de padrões de luz aleatórios em um objeto e mede em um único diodo a luz refletida para cada padrão. O que se faz é rever o sinal da imagem no único diodo e, com esses padrões projetados, usá-los num algoritmo de computador, que gradualmente produz a imagem do objeto. Então, diferentemente de uma câmera, esse sistema só tem um pixel, um único diodo. Dependendo da resolução que queremos, pode levar alguns segundos ou vários minutos.
Como os senhores usaram essa técnica para produzir uma imagem em 3D?
O que fizemos foi usar, em vez de um pixel, vários pixels em diferentes localizações. E as imagens que produzimos em cada um desses pixels são um pouco diferentes. A informação espacial, a forma do objeto, é idêntica em todas as imagens, mas as sombras das imagens dependem de onde o detector está. Então, isso significa que nosso detector, que grava a luz, está se comportando como uma fonte de luz. E o projetor, que projeta luz, comporta-se como uma câmera. O que fizemos foi efetivamente tornar o projetor uma câmera e tornar o detector uma fonte de luz.
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