Acostumbrados como estamos a fardar de la cantidad de píxeles que gastan nuestras cámaras, parece contraintuitivo señalar como un avance las imágenes obtenidas con una cámara de un único píxel. Sin embargo, se trata de un campo de investigación que está viviendo una importante eclosión y cuyas múltiples aportaciones, desde la cirugía hasta la guerra, están definiéndose mientras leen estas líneas. Estos días acaba de hacerse público el último hito en el desarrollo de estas cámaras: un equipo de la neoyorquina Universidad de Rochester ha logrado filmar una película en movimiento, y en 3D, en una cámara de un solo píxel.
La tecnología, que surge de un artificio matemático, parte del uso de microespejos y láseres: para recoger toda la información que ofrece la luz en un único píxel, se proyectan haces a través de un grupo de microespejos que crean un patrón aleatorio sobre el objeto a filmar. Al reproducir este mecanismo miles de veces, la luz recogida termina formando una imagen fiel del objeto dentro de la cámara gracias a las matemáticas. El láser desempeña su papel a la hora de componer una imagen tridimensional, ya que los sensores determinan lo que tarda en regresar tras rebotar en el objeto.
En concreto, el objeto ha sido una pelota de béisbol que colgaba del techo con un cable. La pelota oscilaba en círculos y la cámara fue capaz de filmar su movimiento e incluso fue mucho más allá: gracias a esos complejos cálculos, pudo adelantarse a la oscilación de la esfera en el espacio. "Usamos el tiempo de vuelo de un fotón para determinar la profundidad. En realidad, dimos con una nueva forma de crear mapas de profundidad que se pueden calcular muy rápidamente, por lo que podemos seguir un objeto en 3D a la velocidad de un fotograma de vídeo", explica a esta redacción John Howell, líder del grupo que ha logrado este éxito.
"Estas ideas se basan en el compressive sensing (comprimir la información simultáneamente a su captura), que es un campo fascinante y lleno de posibilidades. En estos momentos, se está investigando mucho en materia de teleobservación y de imagen médica gracias a este campo", resume Howell, especialista en óptica cuántica, el sofisticado campo en el que se desarrolla esta tecnología y que está emparentada con las matemáticas, la física, la óptica y la fotónica. En poco tiempo, la idea de aprovechar todo el potencial de un píxel se ha vuelto más y más atractiva "gracias a un desarrollo matemático muy profundo y revolucionario", como describe el compressive sensing Jesús Lancis, catedrático de Física de la Universitat Jaume I, quien también trabaja en la actualidad en esta línea de investigación.
¿Por qué un solo píxel? "Con una cámara de un megapíxel, los fotones se dividen en millonésimas partes para cada píxel", explica Lancis. Sin embargo, cuando no puedes disponer de suficiente luz, concentrar toda la información que aportan estos fotones mejora su calidad y elimina gran cantidad de ruido. "Cuando la señal de luz es baja, normalmente tienes dos opciones. Aumentar el nivel de luz, que es algo que no podrías hacer si quieres observar cultivos sensibles porque los quemaría; o abrir más el sensor, lo que te impediría captar movimiento. Con sensores de un solo píxel, estos problemas tienen solución", resume el investigador de la Jaume I.
Aplicación en microscopios
Por eso, esta tecnología tiene una gran utilidad evidente en el ámbito de los microscopios, ya que permite recoger información visual de mucha calidad, ya comprimida, y con aparatos menos sofisticados y caros. "Esto permitiría, en cirugía, observar especies químicas en cada tejido en tiempo real, identificar una célula dañada al instante", afirma Lancis, "algo que hoy en día cuesta horas hacer". Lancis pone como ejemplo el trabajo que se está realizando para fotografiar enfermedades vasculares: "La cámara puede medir la luz en la longitud de onda del rojo de la hemoglobina, por ejemplo, y si captura poca se identifica esa dolencia".
Poco antes de que llegara el logro del equipo de la Universidad de Rochester, en la de Glasgow habían logrado desarrollar la primera cámara 3D de un sólo píxel, un trabajo que se publicó en mayo en la revista Science, pero que aún no era capaz de grabar objetos en movimiento y se quedó en el retrato de un busto. El principal investigador de aquel estudio, Miles Padgett, asegura que el logro de Howell y su equipo es "un trabajo muy bueno, aunque diferente del nuestro". Padgett explica que ellos obtuvieron la información por medio de sombras, construyendo la forma de una cara gracias registrando la sombra desde distintas direcciones.
En pocos meses, en Rochester han conseguido llegar más lejos gracias al láser y con un sistema mucho más rápido incluso con menos luz, lo que muestra la rápida evolución de este campo. "Desde 2006, hay una eclosión científica en el desarrollo de las cámaras de un píxel y todavía está por ver hasta dónde llegará", asegura Lancis, quien trata de resumir en una frase la fuerza de esta tecnología: "Si puedes comprimir una imagen es que has tomado más información de la que necesitabas".