Une caméra vidéo alimentée... par son capteur

Sous son aspect rudimentaire, la caméra vidéo qu'a conçue une équipe du département d'informatique de l'université de ColumbiaColumbia (New York, États-Unis) cache une innovation assez spectaculaire. Elle est capable de s'autoalimenter en utilisant son capteur d’images pour produire de l'électricité. Concrètement, cela signifie qu'elle peut filmer indéfiniment. Lorsqu'il n'est pas en service, ce capteurcapteur pourrait même alimenter un smartphone ou un objet connecté. Ce projet, mené par les professeurs Shree Nayar, T. C. Chang du Computer Vision Laboratory (CAVE), sera présenté la semaine prochaine à l'université Rice (Houston, États-Unis) lors de l'International Conference on Computational Photography.

Dans leur article scientifique intitulé Towards self-powered cameras, les chercheurs affirment que nous sommes à l'aubeaube d'une seconde révolution en matièrematière d'imagerie numériquenumérique. Selon eux, de grandes transformations vont se produire dans les domaines de l'Internet des objetsInternet des objets, des vêtements intelligents, des capteurs environnementaux, de la médecine ou encore de l'imagerie scientifique. « L'un des défis majeurs à relever sera de développer des systèmes qui peuvent fonctionner pour une duréedurée très longue (idéalement en permanence) sans alimentation externe », écrivent-ils. C'est ce à quoi ils se sont attelés en créant cette caméra alimentée par son capteur. Pour cela, l'équipe de l'université du CAVE s'est appuyée sur un point commun technique que partagent les capteurs d'images et les cellules photovoltaïques des panneaux solaires.

Voici le capteur d’images grâce auquel la caméra vidéo fonctionne sans alimentation externe. Il se compose d’une rangée de 30 x 40 photodiodes. Ils sont reliés à deux transistors (readout transistors), un microcontrôleur (microcontroller), un circuit de récupération d’énergie (harvestor), le tout alimentant un supercondensateur (supercap). © Computer Vision Laboratory, Columbia Engineering

Fabriqué avec des composants du commerce

Dans un appareil photo ou une caméra, le capteur se compose de millions de photodiodes qui produisent un courant électriquecourant électrique lorsqu'elles sont exposées à la lumièrelumière. C'est ce mécanisme qui permet à chacune de mesurer l'intensité lumineuse. Or, les panneaux solaires utilisent eux aussi des photodiodes pour convertir la lumière incidente en électricité. La différence entre les deux procédés tient seulement au mode de fonctionnement de la photodiode : photoconductrice pour la caméra et photovoltaïque pour le panneau solairepanneau solaire.

Partant de ce constat, les chercheurs ont donc créé un capteur d'images à l'aide de composants du commerce et fabriqué un boîtier de caméra avec une imprimante 3D. Chaque photodiode travaille en mode photovoltaïque. Le capteur est conçu pour fonctionner de la manière suivante : durant la saisie de chaque image, les pixelspixels commencent par enregistrer et lire l'image puis ensuite ils récupèrent de l'énergieénergie pour alimenter le capteur. Les pixels sont réinitialisés entre ces deux étapes. L'électricité récoltée dessert un supercondensateur (un composant intermédiaire entre une batterie et un condensateurcondensateur). Au départ, celui-ci est préchargé afin de pouvoir allumer la caméra. Mais ensuite, il est alimenté uniquement par le capteur. Et le professeur Nayar précise que le système pourrait très bien recharger une batterie.

Actuellement, le prototype fonctionne avec une luminositéluminosité ambiante de 300 luxlux et peut produire une image par seconde sans jamais s'interrompre. Cette intensité lumineuse correspond à ce que l'on trouve dans des bureaux ou appartements bien éclairés. Les chercheurs précisent qu'ils ont également développé un algorithme adaptatif gérant les variations de luminosité. Pour cela, il ajuste la fréquencefréquence d'images de la caméra en fonction de la tension du supercondensateur et de la luminosité de la scène.

Pour le moment, le capteur peut produire des images de 30 x 40 pixels, une définition médiocre, comme en témoigne cette vidéo de démonstration. Mais l'équipe de l'université Columbia, arguant que ses travaux s'appuient sur des composants existants et donc pas optimisés, il existe une marge de progression pour créer un capteur plus performant susceptible d'offrir une meilleure définition. À suivre donc...