يُعد التصوير فائق السرعة في ظروف الإضاءة المنخفضة تحدياً بالغ الأهمية في مجالات مثل البصريات الحيوية (مثل مراقبة ديناميكيات الخلايا) والموائع الدقيقة. تواجه أجهزة الاستشعار التقليدية ذات البكسلات مثل CCD وCMOS مفاضلة أساسية بين معدل الإطارات والحساسية. تتطلب المتغيرات عالية السرعة إضاءة قوية، مما قد يتلف العينات الحساسة. تقدم هذه الورقة البحثية طريقة مبتكرة باستخدام التصوير أحادي البكسل (SPI) مع مصفوفة LED ملونة سريعة لتحقيق تصوير فيديو بمعدل 1.4 ميجاهرتز في ظروف الإضاءة المنخفضة، متجاوزةً بذلك قيود أجهزة الاستشعار التقليدية.
يكمن الابتكار الأساسي في دمج مبادئ التصوير الشبحية الحسابية مع مصدر تعديل عالي السرعة.
لا يحل التصوير أحادي البكسل (SPI) الصورة مكانياً بشكل مباشر. بدلاً من ذلك، يستخدم سلسلة من أنماط الضوء المنظمة والمعروفة (مثل تلك الصادرة عن مصفوفة LED) لإضاءة الجسم. يقوم كاشف واحد عالي الحساسية من نوع "الدلو" (مثل أنبوب مضاعف الفوتون أو ديود الانهيار الضوئي الأحادي) بجمع شدة الضوء الكلية المنعكسة أو المنقولة لكل نمط. تتم إعادة بناء الصورة حسابياً من هذه السلسلة من القياسات العددية والأنماط المعروفة.
المكون المادي الرئيسي المُمكن هو مصفوفة LED ملونة (RGB) مخصصة قادرة على توليد أنماط إضاءة منظمة بمعدل إطارات كامل يصل إلى 100 ميجاهرتز. وهذا يحل محل معدلات الضوء المكانية (SLMs) الأبطأ مثل أجهزة المرايا الدقيقة الرقمية (DMDs)، والتي تكون محدودة عادةً بعشرات الكيلوهرتز. يسمح التبديل السريع لمصابيح LED بإسقاط الأنماط بسرعة، مما يتيح مباشرة سرعة التصوير على مستوى الميجاهرتز.
للتشغيل في الإضاءة المنخفضة، يُستخدم كاشف الفوتون الواحد (SPD) ككاشف الدلو، مما يوفر كفاءة كشف قريبة من المثالية. تعتمد خوارزمية إعادة البناء على التصوير الشبحية الحسابي، حيث تحل لمصفوفة الانعكاسية/النفاذية للجسم $O(x, y)$ بمعلومية سلسلة القياسات $B_i$ ومصفوفات الأنماط المعروفة $P_i(x, y)$: $B_i = \sum_{x,y} P_i(x, y) \cdot O(x, y) + \text{noise}$. يمكن تطبيق تقنيات مثل الاستشعار الانضغاطي إذا كان عدد القياسات أقل من عدد البكسلات.
تم إثبات قدرة النظام من خلال تصوير مروحة دوارة عالية السرعة. نجح معدل الإطارات البالغ 1.4 ميجاهرتز في التقاط حركة المروحة دون ضبابية حركية، وهو ما كان مستحيلاً باستخدام الكاميرات عالية السرعة التقليدية في سيناريوهات الإضاءة المنخفضة المماثلة. وهذا بمثابة تحقق ملموس ومباشر من أداء التصوير فائق السرعة للنظام.
من خلال دمج كاشفات الفوتون الواحد، تم تعزيز حساسية النظام بشكل كبير، مما مكن من التصوير عند مستويات نادرة الفوتونات. تقارن الورقة البحثية هذا مع تقنية تمديد الوقت الضوئي (PTS)، مشيرة إلى أنه بينما تستخدم PTS أيضاً كاشفاً أحادي البكسل، إلا أنها لا تحسن الحساسية بشكل جوهري لأنها تقوم فقط بتشفير المعلومات المكانية في الزمن. بينما تستغل طريقة التصوير الشبحية، مع كاشف الدلو الخاص بها، جمع الضوء إلى أقصى حد من الناحية المعمارية.
إعادة بناء الصورة هي في الأساس مسألة عكسية. بالنسبة لـ $N$ قياس وصورة بدقة $M \times M$ بكسل، يمكن صياغة العملية على أنها حل للمعادلة $\mathbf{b} = \mathbf{A}\mathbf{o} + \mathbf{n}$، حيث:
الفكرة الأساسية: هذا العمل ليس مجرد زيادة تدريجية في السرعة؛ بل هو مناورة استراتيجية لتجاوز فيزياء أشباه الموصلات التي تحد من مستشعرات CMOS/CCD. من خلال فصل الدقة المكانية (التي تتم معالجتها حسابياً) عن جمع الضوء (الذي يتولاه كاشف واحد مثالي)، يستغل المؤلفون المجال الوحيد الذي يمكن فيه للكاشفات أن تكون سريعة وحساسة في آن واحد. العبقرية الحقيقية تكمن في اختيار مصفوفة LED ملونة كمعدل للضوء المكاني. على عكس أجهزة DMDs المستخدمة في أعمال الكاميرا أحادية البكسل الرائدة (مثل تلك من جامعة رايس)، يمكن لمصابيح LED أن تتبدل بسرعات النانوثانية، مما يهاجم مباشرة عنق الزجاجة التقليدي في SPI. وهذا يعكس التحول النموذجي الذي شوهد في التصوير الحسابي في أماكن أخرى، مثل مجالات الإشعاع العصبية (NeRF)، حيث يتم نقل تمثيل المشهد من الالتقاط المباشر إلى إعادة بناء قائمة على نموذج متعلم.
التسلسل المنطقي والمزايا: المنطق لا تشوبه شائبة: 1) تحديد مفاضلة السرعة-الحساسية كمشكلة أساسية. 2) اختيار SPI لميزته المعمارية في الحساسية. 3) تحديد سرعة المُعدِّل كعنق الزجاجة الجديد. 4) استبدال المُعدِّل البطيء (DMD) بآخر سريع (مصفوفة LED). 5) التحقق من خلال هدف عالي السرعة كلاسيكي (مروحة). المزايا واضحة: معدلات إطارات على مستوى الميجاهرتز في الإضاءة المنخفضة هي أمر غير مسبوق. استخدام مصابيح LED الملونة هو حل عملي وفعال للتصوير متعدد الأطياف، أكثر مباشرة من نهج المسح الطيفي.
العيوب والفجوات النقدية: ومع ذلك، تتغاضى الورقة البحثية عن عقبات عملية كبيرة. أولاً، متطلبات الأنماط المعروفة والمتكررة تعني أنها غير مناسبة حالياً للمشاهد غير المتوقعة وغير الثابتة ما لم تُقرن بتوليد أنماط تكيفية - وهو تحدٍ حسابي كبير عند هذه السرعات. ثانياً، بينما يكون كاشف الدلو حساساً، فإن إجمالي كمية الضوء لا تزال محدودة بالمصدر. يظل تصوير جسم خافت سريع الحركة من على بُعد إشكالياً. ثالثاً، لم يتم معالجة زمن الوصل والتكلفة الحسابية لخوارزمية إعادة البناء للفيديو عالي الدقة في الوقت الفعلي بسرعة 1.4 ميجاهرتز. هذه ليست "كاميرا" بعد؛ إنها نظام تصوير عالي السرعة مع معالجة محتملة خارج الخط. مقارنةً بمتانة الكاميرات القائمة على الأحداث (المستوحاة من شبكية العين البيولوجية) للتتبع عالي السرعة، فإن طريقة SPI هذه أكثر تعقيداً وتعتمد على السيناريو.
رؤى قابلة للتنفيذ: بالنسبة للباحثين والمهندسين، فإن الاستفادة ذات شقين. 1. ابتكار المُعدِّل هو المفتاح: يكمن مستقبل SPI عالي السرعة في تطوير مصادر ضوء قابلة للبرمجة أسرع وأعلى دقة (مثل مصفوفات micro-LED). 2. التصميم المشترك للخوارزمية والمكونات المادية أمر غير قابل للتفاوض: للانتقال إلى ما هو أبعد من العروض التوضيحية المعملية، يجب توجيه الاستثمار نحو إنشاء دوائر ASICs مخصصة أو مسارات FPGA يمكنها إجراء إعادة بناء الاستشعار الانضغاطي في الوقت الفعلي، على غرار التطور المادي للتعلم العميق. يجب أن يتطلع المجال نحو إعادة البناء المعجَّل بتعلم الآلة، على غرار كيفية تحويل الذكاء الاصطناعي لإعادة بناء صور الرنين المغناطيسي، لمعالجة عنق الزجاجة الحسابي. هذا العمل هو دليل مفهوم رائع يعيد تعريف الممكن، لكن الطريق إلى أداة تجارية أو قابلة للنشر على نطاق واسع يتطلب حل تحديات هندسة الأنظمة التي يكشف عنها بوضوح.