Des vidéos ralenties à l’extrême pour observer des phénomènes ultra-rapides

Un procédé de traitement d’images, mis au point par des chercheurs de l’Université de Harvard et de l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, permet d’accentuer le ralenti vidéo. Baptisée « Virtual frame technique », la méthode tire parti des zones de flou en sacrifiant la profondeur des couleurs au profit du nombre d’images par seconde.Ces travaux permettent d’analyser des phénomènes ultra-rapides comme un matériau qui craque ou l’impact d’une goutte d’eau sur une surface.

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Des vidéos ralenties à l’extrême pour observer des phénomènes ultra-rapides
La VFT permet, par exemple, d'étudier l'impact d'une goutte d'eau sur une surface.

Des chercheurs de l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne et de l’Université de Harvard ont mis au point un procédé de traitement d’images pour accentuer le ralenti de vidéos prises avec n’importe quelle caméra. Baptisée « Virtual frame technique » (VFT), la méthode permet d’analyser finement des comportements très rapides comme un matériau qui craque ou le contact d’une goutte d’eau sur une surface. « Les performances de la VFT dépassent celles de n’importe quelle caméra commerciale à haute vitesse, non seulement en nombre d’images mais aussi en champ visuel », affirment les chercheurs dans un article publié le 5 mars 2019 dans Optics Express, une revue de la Société d’optique américaine (OSA).

Le secret de la VFT ? Privilégier le nombre d’images par seconde à la profondeur des couleurs, en tirant parti des informations contenues dans une image floue. Là où les images successives qui composent la vidéo d’un objet en mouvement présentent des zones imprécises, la méthode VFT consiste à décomposer ces images en plusieurs autres dans lesquelles le flou n’est pas permis. Dans le cas d’une vidéo en noir et blanc, les zones floues sont faites de pixels dont la couleur varie dans des nuances de gris. Après traitement par VFT, les images sont plus nombreuses et composées de pixels noirs ou blancs. « Une caméra 16-bits a plus de 65 000 niveaux de gris, alors que seuls deux suffisent, affirment les chercheurs dans leur article. En principe, en sacrifiant les nuances de couleurs (inutiles), il est possible d’amplifier de plusieurs ordres de grandeur le nombre d’images par seconde de n’importe quelle caméra tout en gardant la même résolution spatiale. »

Appareil photo Nikon D850, caméra à haute vitesse Phantom v2512 ou à grande profondeur de couleurs Hamamatsu Orca-Flash4.0 V3, et même iPhoneX,… Les chercheurs ont évalué les performances qu’atteindrait leur procédé VFT s’il était appliqué à plusieurs types de caméras. « Les capacités de la VFT utilisées sur l’iPhone X montre la souplesse de la technique et son indépendance vis à vis de la plateforme utilisée. Elle ouvre la porte à l’imagerie à grande vitesse pour des expériences sans équipement cher et spécialisé », avancent les chercheurs.

Ci-dessous, la vidéo du craquement d'un élastomère, d'un côté traitée par VFT, de l'autre enregistrée par une caméra haute vitesse :

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