Une caméra inspirée de l'œil d'un insecte capture 9 120 images par seconde

Les yeux composés des insectes peuvent détecter en parallèle des objets se déplaçant rapidement et, dans des conditions de faible luminosité, améliorer leur sensibilité en intégrant les signaux dans le temps pour déterminer le mouvement. S'inspirant de ces mécanismes biologiques, les chercheurs du KAIST (Korea Advanced Institute of Science & Technology) ont réussi à mettre au point une caméra à haute vitesse peu coûteuse qui surmonte les limites de la fréquence d'images et de la sensibilité auxquelles sont confrontées les caméras à haute vitesse conventionnelles. Leurs travaux sont publiés dans Science Advances.

(A) Vision chez un insecte aux yeux rapides. La lumière réfléchie par des objets se déplaçant rapidement stimule séquentiellement les photorécepteurs le long des canaux optiques individuels appelés ommatidies, dont les signaux visuels sont traités séparément et parallèlement via la lamelle et la moelle. Chaque réponse neuronale est additionnée dans le temps pour améliorer les signaux visuels. Le traitement parallèle et la sommation temporelle permettent une imagerie rapide et peu lumineuse dans des conditions de faible éclairage. (B) Caméra à réseau de microlentilles à haute vitesse et à haute sensibilité (HS-MAC). Un capteur d'image à obturateur roulant est utilisé pour acquérir simultanément plusieurs images par division de canal, et la sommation temporelle est effectuée en parallèle pour obtenir une vitesse et une sensibilité élevées, même dans un environnement à faible luminosité. En outre, les composantes d'une image fragmentée sont assemblées en une seule image floue, qui est ensuite débrouillée par reconstruction compressive de l'image. Crédit : Science Advances (2025). DOI : 10.1126/sciadv.ads3389

Une équipe de recherche dirigée par les professeurs Ki-Hun Jeong (Département d'ingénierie biologique et cérébrale) et Min H. Kim (École d'informatique) a donc mis au point une nouvelle caméra bio-inspirée capable de produire des images à très grande vitesse avec une sensibilité élevée en imitant la structure visuelle des yeux d'insectes.

L'imagerie de haute qualité dans des conditions de haute vitesse et de faible luminosité est un défi essentiel pour de nombreuses applications. Alors que les caméras conventionnelles à grande vitesse excellent dans la capture de mouvements rapides, leur sensibilité diminue à mesure que le nombre d'images augmente, car le temps disponible pour collecter la lumière est réduit.

Pour résoudre ce problème, l'équipe de recherche a adopté une approche similaire à la vision des insectes, en utilisant plusieurs canaux optiques et une sommation temporelle. Contrairement aux systèmes de caméra monoculaire traditionnels, la caméra bio-inspirée utilise une structure de type œil composé qui permet l'acquisition parallèle d'images provenant de différents intervalles de temps.

Au cours de ce processus, la lumière est accumulée sur des périodes qui se chevauchent pour chaque image, ce qui augmente le rapport signal-bruit. Les chercheurs ont démontré que leur caméra bio-inspirée pouvait capturer des objets jusqu'à 40 fois moins lumineux que ceux détectés par les caméras conventionnelles à grande vitesse.

Plaque tournante et flamme capturées à l'aide de la caméra biomimétique à grande vitesse et à haute sensibilité. La plaque en rotation à 1 950 tours par minute a été capturée avec précision à 9 120 images par seconde. En outre, le pincement de la flamme avec une faible intensité de 880 µlux a été capturé avec précision à 1 020 images par seconde. Crédit : Science Advances (2025). DOI : 10.1126/sciadv.ads3389

Une caméra biomimétique à haute vitesse et à haute sensibilité intégrée dans un capteur d'image. Elle est suffisamment petite pour tenir sur un doigt, avec une épaisseur inférieure à 1 mm. Crédit : Science Advances (2025). DOI : 10.1126/sciadv.ads3389

L'équipe a également introduit une technique de « séparation des canaux » pour améliorer considérablement la vitesse de la caméra et atteindre des taux de rafraîchissement des images des milliers de fois supérieurs à ceux des capteurs d'images utilisés dans les emballages. En outre, un algorithme de « restauration d'images compressées » a été utilisé pour éliminer le flou causé par l'intégration des images et reconstruire des images nettes.

La caméra bio-inspirée qui en résulte mesure moins d'un millimètre d'épaisseur et est extrêmement compacte. Elle est capable de capturer 9 120 images par seconde tout en fournissant des images claires dans des conditions de faible luminosité.

L'équipe de recherche prévoit d'étendre cette technologie au développement d'algorithmes de traitement d'image avancés pour l'imagerie 3D et l'imagerie de super-résolution, en vue d'applications dans le domaine de l'imagerie biomédicale, des appareils mobiles et de diverses autres technologies de caméra.

Hyun-Kyung Kim, doctorant au département de bio-ingénierie et d'ingénierie cérébrale du KAIST et premier auteur de l'étude, a déclaré : « Nous avons validé expérimentalement que la caméra inspirée de l'œil de l'insecte offre des performances exceptionnelles en matière d'imagerie à grande vitesse et à faible luminosité, malgré sa petite taille. Cette caméra ouvre la voie à diverses applications dans les systèmes de caméras portables, la surveillance de sécurité et l'imagerie médicale. »

https://news.kaist.ac.kr/newsen/html/news/?mode=V&mng_no=43450