Die Facettenaugen von Insekten können sich schnell bewegende Objekte parallel erkennen und bei schlechten Lichtverhältnissen die Empfindlichkeit erhöhen, indem sie Signale über die Zeit integrieren, um die Bewegung zu bestimmen. Inspiriert durch diese biologischen Mechanismen haben KAIST-Forscher erfolgreich eine kostengünstige Hochgeschwindigkeitskamera entwickelt, die die Einschränkungen bei Bildrate und Empfindlichkeit herkömmlicher Hochgeschwindigkeitskameras überwindet.
KAIST (vertreten durch Präsident Kwang Hyung Lee) gab am 16. Januar bekannt, dass ein Forschungsteam unter der Leitung der Professoren Ki-Hun Jeong (Abteilung für Bio- und Gehirntechnik) und Min H. Kim (School of Computing) ein neuartiges Bio- inspirierte Kamera, die Ultrahochgeschwindigkeitsaufnahmen mit hoher Empfindlichkeit ermöglicht, indem sie die visuelle Struktur von Insektenaugen nachahmt.
Eine qualitativ hochwertige Bildgebung bei hoher Geschwindigkeit und schlechten Lichtverhältnissen ist in vielen Anwendungen eine entscheidende Herausforderung. Herkömmliche Hochgeschwindigkeitskameras zeichnen sich zwar durch die Erfassung schneller Bewegungen aus, ihre Empfindlichkeit nimmt jedoch mit zunehmender Bildrate ab, da die Zeit, die zum Sammeln von Licht zur Verfügung steht, verkürzt wird.
Um dieses Problem anzugehen, wählte das Forschungsteam einen Ansatz, der dem Sehen von Insekten ähnelt und mehrere optische Kanäle und zeitliche Summierung nutzt. Im Gegensatz zu herkömmlichen monokularen Kamerasystemen verwendet die bioinspirierte Kamera eine Facettenaugen-ähnliche Struktur, die die parallele Erfassung von Bildern aus verschiedenen Zeitintervallen ermöglicht.
Während dieses Vorgangs wird Licht über überlappende Zeiträume für jedes Bild gesammelt, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis erhöht wird. Die Forscher zeigten, dass ihre bioinspirierte Kamera Objekte erfassen konnte, die bis zu 40-mal dunkler sind als die, die mit herkömmlichen Hochgeschwindigkeitskameras erkennbar sind.
Das Team führte außerdem eine „Kanalaufteilung“-Technik ein, um die Geschwindigkeit der Kamera deutlich zu erhöhen und Bildraten zu erreichen, die um ein Vielfaches schneller sind als die, die von den in der Verpackung verwendeten Bildsensoren unterstützt werden. Darüber hinaus wurde ein Algorithmus zur „komprimierten Bildwiederherstellung“ eingesetzt, um durch die Bildintegration verursachte Unschärfe zu beseitigen und scharfe Bilder zu rekonstruieren.
Die resultierende bioinspirierte Kamera ist weniger als einen Millimeter dick und äußerst kompakt. Sie kann 9.120 Bilder pro Sekunde aufnehmen und liefert gleichzeitig klare Bilder bei schlechten Lichtverhältnissen.
Das Forschungsteam plant, diese Technologie zu erweitern, um fortschrittliche Bildverarbeitungsalgorithmen für 3D-Bildgebung und hochauflösende Bildgebung zu entwickeln, mit dem Ziel, Anwendungen in der biomedizinischen Bildgebung, in mobilen Geräten und verschiedenen anderen Kameratechnologien zu finden.
Hyun-Kyung Kim, Doktorandin in der Abteilung für Bio- und Gehirntechnik am KAIST und Erstautorin der Studie, erklärte: „Wir haben experimentell bestätigt, dass die vom Insektenauge inspirierte Kamera eine hervorragende Leistung bei hoher Geschwindigkeit und schlechten Lichtverhältnissen liefert.“ Trotz ihrer geringen Größe eröffnet diese Kamera Möglichkeiten für vielfältige Anwendungen in tragbaren Kamerasystemen, Sicherheitsüberwachung und medizinischer Bildgebung.
Diese Forschung wurde in der internationalen Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte im Januar 2025.
Diese Studie wurde vom Korea Research Institute for Defence Technology Planning and Advancement (KRIT) der Defense Acquisition Program Administration (DAPA), dem Ministerium für Wissenschaft und IKT und dem Ministerium für Handel, Industrie und Energie (MOTIE) unterstützt.
