Een van Superman se bekendste vermoëns is supervisie, wat hom toegelaat het om na atome te kyk, in die donker en oor groot afstande te sien, en selfs deur voorwerpe te sien. Hierdie vermoë word uiters selde op die skerm gewys, maar dit bestaan. In ons werklikheid is dit ook moontlik om deur byna heeltemal ondeursigtige voorwerpe te sien deur sommige wetenskaplike truuks te gebruik. Die gevolglike beelde was egter altyd in swart en wit, tot onlangs. Vandag gaan ons kyk na 'n studie waarin wetenskaplikes van die Duke Universiteit (VSA) 'n kleurfoto kon neem van voorwerpe wat agter 'n ondeursigtige muur weggesteek is deur 'n enkele ligblootstelling te gebruik. Wat is hierdie supertegnologie, hoe werk dit en in watter gebiede kan dit gebruik word? Die verslag van die navorsingsgroep sal ons hiervan vertel. Gaan.
Navorsingsbasis
Ten spyte van al die moontlike voordele van die tegnologie vir die visualisering van voorwerpe in verstrooiende media, is daar 'n aantal probleme met die implementering van hierdie tegnologie. Die belangrikste een is die feit dat die paaie van fotone wat deur die verstrooier gaan baie verander, wat lei tot ewekansige patrone spikkels* aan die ander kant.
Spikkel* is 'n ewekansige interferensiepatroon wat gevorm word deur die wedersydse interferensie van koherente golwe wat ewekansige faseverskuiwings en/of 'n ewekansige stel intensiteit het. Meestal lyk dit soos 'n stel ligte kolle (kolletjies) op 'n donker agtergrond.
In onlangse jare is verskeie beeldtegnieke ontwikkel om verstrooier-effekte te omseil en objekinligting uit die spikkelpatroon te onttrek. Die probleem met hierdie tegnieke is hul beperkings – jy moet sekere kennis oor die voorwerp hê, toegang hê tot die strooimedium of voorwerp, ens.
Terselfdertyd is daar 'n baie meer gevorderde metode, volgens wetenskaplikes - visualisering met geheue-effek (ME). Hierdie metode laat jou toe om 'n voorwerp te visualiseer sonder voorafkennis oor homself of die verstrooiingsmedium. Almal het tekortkominge, soos ons weet, en die ME-metode is geen uitsondering nie. Om spikkelpatrone met 'n hoë kontras en dienooreenkomstig meer akkurate beelde te verkry, moet die beligting smalband wees, d.w.s. minder as 1 nm.
Dit is ook moontlik om die beperkings van die ME-metode te uitoorlê, maar weereens behels hierdie truuks toegang tot die optiese bron of voorwerp voor die diffuser, of direk meet PSF*.
PSF* - 'n puntverspreidingsfunksie wat die beeld beskryf wat die beeldstelsel ontvang wanneer 'n puntligbron of 'n puntvoorwerp waargeneem word.
Navorsers noem hierdie metodes werkbaar, maar nie perfek nie, aangesien PSF-meting nie altyd moontlik is nie, byvoorbeeld as gevolg van die dinamika van die strooier of die ontoeganklikheid daarvan voor die beeldprosedure. Met ander woorde, daar is iets om aan te werk.
In hul werk stel die navorsers 'n ander benadering voor. Hulle wys vir ons 'n metode om multispektrale beelding van voorwerpe deur 'n verstrooiingsmedium te realiseer deur 'n enkele spikkelmeting met 'n monochrome kamera te gebruik. Anders as ander tegnieke, vereis dit nie voorafkennis van die PSF-stelsel of die bronspektrum nie.
Die nuwe metode produseer hoëgehaltebeelde van die teikenvoorwerp in vyf goed geskeide spektrale kanale tussen 450 nm en 750 nm, wat deur berekeninge bevestig is. In die praktyk was dit tot dusver moontlik om drie goed geskeide spektraalkanale tussen 450 nm en 650 nm en ses aangrensende spektrale kanale tussen 515 en 575 nm te visualiseer.
Hoe die nuwe metode werk
Beeld nr. 1: lamp - ruimtelike ligmodulator - diffuser (met iris diafragma) - kodering diafragma - prisma - optiese aflos (1:1 visualisering) - monochroom kamera.
Navorsers let op drie basiese elemente van enige diffuserbeelding: die voorwerp van belang (ekstern verlig of selfliggend), die diffuser en die detektor.
Soos in standaard ME-stelsels, beskou hierdie studie 'n voorwerp waarvan die hoekgrootte binne die ME-gesigveld geleë is en op 'n afstand u agter die diffuser. Na interaksie met die verspreider, beweeg die lig 'n afstand v voordat dit die detektor bereik.
Konvensionele ME-beelding gebruik standaardkameras, maar hierdie metode gebruik 'n enkoderingsdetektormodule wat bestaan uit 'n enkoderingsopening en 'n golflengte-afhanklike optiese element. Die doel van hierdie element is om elke spektrale kanaal uniek te moduleer voordat dit gekombineer en in 'n monochroom detektor omgeskakel word.
Dus, in plaas daarvan om bloot lae-kontras-spikkels te meet waarvan die spektrale kanale onlosmaaklik gemeng is, is 'n spektraal vermenigvuldigde sein opgeneem, wat goed geskik is vir skeiding.
Die navorsers beklemtoon weereens dat hul metode geen voorafbekende kenmerke of aannames oor die verspreider of ligbron vereis nie.
Nadat voorlopige metings van die vermenigvuldigde spikkel gemaak is, is die bekende waarde van Tλ (golflengte-afhanklike koderingspatroon) gebruik om die spikkel in elke spektrale band individueel te rekonstrueer.
In hul werk, in die stadium van berekeninge en modellering, het wetenskaplikes sekere masjienleermetodes gebruik wat kan help met die implementering van 'n voorheen ondeurdagte metode. Eerstens is yl matrikskenmerkleer gebruik om spikkel voor te stel.
Kenmerkleer* - laat die stelsel toe om outomaties die voorstellings te vind wat nodig is om kenmerke van die brondata te identifiseer.
Die resultaat was 'n databasis wat opgelei is op spikkelbeelde van verskillende metingskonfigurasies. Hierdie basis is redelik veralgemeen en is nie afhanklik van spesifieke voorwerpe en verstrooiers wat deelneem aan die generering van die masker Iλx, y nie. Met ander woorde, die stelsel word opgelei gebaseer op 'n diffuser wat nie in die eksperimentele opset gebruik word nie, d.w.s. die stelsel het nie toegang daartoe nie, soos die navorsers wou hê.
Die OMP-algoritme is gebruik om spikkelbeelde by elke golflengte te verkry (ortogonale bypassende strewe).
Ten slotte, deur die outokorrelasie van elke spektrale kanaal onafhanklik te bereken en die outokorrelasie by elke golflengte om te keer, is beelde van die voorwerp verkry. Die resulterende beelde by elke golflengte word dan gekombineer om 'n kleurbeeld van die voorwerp te skep.
Beeld nr. 2: die stap-vir-stap proses om 'n beeld van 'n voorwerp saam te stel.
Hierdie tegniek, volgens sy skeppers, maak geen aannames oor korrelasies tussen spektrale kanale nie en vereis slegs die aanname dat die golflengtewaarde redelik willekeurig is. Daarbenewens vereis hierdie metode slegs inligting oor die enkoderingsdetektor, wat staatmaak op voorafkalibrasie van die enkoderingsopening en 'n vooraf opgeleide databiblioteek. Hierdie eienskappe maak hierdie beeldmetode hoogs veelsydig en nie-indringend.
Simulasie resultate
Kom ons kyk eers na die simulasieresultate.
Prent #3
Die prent hierbo toon voorbeelde van 'n multispektrale beeld van twee voorwerpe wat deur 'n diffuser geneem is. Boonste ry aan 3a bevat 'n voorwerp van belang wat uit verskeie getalle bestaan, beide in vals kleur en afgebreek volgens spektrale kanaal. Wanneer 'n voorwerp in vals kleur geplot word, word die intensiteitsprofiel van elke golflengte in CIE 1931 RGB-spasie vertoon.
Gerekonstrueerde voorwerp (onderste ry aan 3a) beide in vals kleur en in terme van individuele spektrale kanale, demonstreer dat die tegniek uitstekende visualisering en slegs geringe oorspraak tussen spektrale kanale bied, wat nie 'n spesiale rol in die proses speel nie.
Na ontvangs van die gerekonstrueerde voorwerp, d.w.s. Na lewering was dit nodig om die graad van akkuraatheid te evalueer deur die spektrale intensiteit (gemiddeld oor alle helder pixels) van die werklike voorwerp en die gerekonstrueerde een te vergelyk (3b).
In die beelde 3c toon 'n werklike voorwerp (boonste ry) en 'n gerekonstrueerde beeld (onderste ry) vir 'n katoenstamsel, en in 3d 'n analise van visualisering akkuraatheid word getoon.
Om die beeldakkuraatheid te evalueer, was dit nodig om die strukturele ooreenkoms-indeks (SSIM) waardes en die piek sein-tot-geraas-verhouding (pSNR) van die werklike voorwerp vir elke spektrale kanaal te bereken.
Die tabel hierbo toon dat elk van die vyf kanale 'n SSIM-koëffisiënt van 0,8–0,9 en 'n PSNR van meer as 20 het. Dit volg dat ten spyte van die lae kontras van die spikkelsein, die superposisie van vyf spektrale bande met 'n breedte van 10 nm op die detektor maak voorsiening vir redelik akkurate rekonstruksie ruimtelik-spektrale eienskappe van die voorwerp wat bestudeer word. Met ander woorde, die tegniek werk, maar dit is slegs simulasieresultate. Om volkome vertroue in hul werk te kry, het wetenskaplikes 'n reeks praktiese eksperimente uitgevoer.
Eksperimentele resultate
Een van die belangrikste verskille tussen simulasie en werklike eksperimente is die omgewing, d.w.s. toestande waarin beide uitgevoer word. In die eerste geval is daar beheerde toestande, in die tweede is daar onvoorspelbare toestande, m.a.w. ons sal sien hoe dit gaan.
Drie spektrale kanale met 'n breedte van 8–12 nm gesentreer by 450, 550 en 650 nm is oorweeg, wat, wanneer dit gekombineer word met verskillende relatiewe magnitudes, 'n wye reeks kleure genereer.
Prent #4
Die prent hierbo toon 'n vergelyking tussen die werklike voorwerp (die veelkleurige "H") en die gerekonstrueerde een. Die ligblootstellingstyd (sluiterspoed, d.w.s. blootstelling) is op 1800 s gestel, wat dit moontlik gemaak het om 'n SNR in die reeks van 60-70 dB te verkry. Hierdie SNR-aanwyser, volgens wetenskaplikes, is nie uiters belangrik vir die eksperiment nie, maar dien as bykomende bevestiging van die prestasie van hul tegniek, veral in die geval van komplekse voorwerpe. In werklikheid, en nie in laboratoriumtoestande nie, kan hierdie metode 'n orde van grootte vinniger wees.
Die boonste ry van prent #4 wys die voorwerp by elke golflengte (van links na regs) en die werklike volkleur voorwerp.
Om 'n beeld van die werklike voorwerp as gevolg van beeldvorming te verkry, is 'n rekenaarvisiekamera met toepaslike banddeurlaatfilters gebruik om die spektrale komponente direk af te beeld en 'n volkleurbeeld te verkry deur die resulterende spektrale kanale op te som.
Die tweede ry van die beeld hierbo toon die outokorrelasiepatrone van elke gerekonstrueerde spektrale kanaal wat die vermenigvuldigde metings vorm wat die toevoer tot die dataverwerkingstadium is.
Die derde ry is die gerekonstrueerde voorwerp in elke spektrale kanaal, sowel as die gerekonstrueerde volkleur voorwerp, d.w.s. finale visualiseringsresultaat.
Die volkleurbeeld toon dat die relatiewe groottes tussen spektrale kanale ook korrek is, aangesien die kleur van die gekombineerde gerekonstrueerde beeld ooreenstem met die werklike waarde, en die SSIM-koëffisiënt meer as 0,92 vir elke kanaal bereik.
Die onderste ry bevestig hierdie stelling, wat 'n vergelyking toon van die intensiteit van die werklike voorwerp en die gerekonstrueerde een. Die data van beide val saam in alle spektrale reekse.
Dit volg hieruit dat selfs die teenwoordigheid van geraas en potensiële modelleringsfoute ons nie verhinder het om 'n hoë kwaliteit beeld te verkry nie, en die eksperimentele resultate het goed met die modelleringsresultate gekorreleer.
Die eksperiment wat hierbo beskryf is, is uitgevoer met inagneming van geskeide spektrale kanale. Die wetenskaplikes het nog 'n eksperiment uitgevoer, maar hierdie keer met aangrensende kanale, of eerder met 'n aaneenlopende spektrale omvang van 60 nm.
Prent #5
Die werklike voorwerp was die letter "X" en die teken "+" (5a). Die spektrum van die letter "X" is relatief eenvormig en kontinu - tussen 515 en 575 nm, maar die "+" het 'n gestruktureerde spektrum, hoofsaaklik geleë tussen 535 en 575 nm (5b). Vir hierdie eksperiment was die blootstelling 120 s om die verlangde (soos voorheen) SNR van 70 dB te bereik.
'n 60 nm wye banddeurlaatfilter is ook oor die hele voorwerp gebruik en 'n laagdeurlaatfilter oor die "+" teken. Tydens rekonstruksie word die 60 nm spektrum verdeel in 6 aangrensende kanale met 'n breedte van 10 nm (5b).
Soos ons kan sien uit die beelde 5s, is die gevolglike beelde in uitstekende ooreenstemming met die werklike voorwerp. Hierdie eksperiment het getoon dat die teenwoordigheid of afwesigheid van spektrale korrelasies in die gemete spikkel nie die doeltreffendheid van die beeldtegniek wat bestudeer word, beïnvloed nie. Wetenskaplikes glo self dat 'n veel groter rol in die visualiseringsproses, of eerder in die sukses daarvan, nie soseer gespeel word deur die spektrale kenmerke van die voorwerp nie, maar deur die kalibrasie van die stelsel en die besonderhede van sy enkoderingsdetektor.
Vir meer gedetailleerde inligting oor die nuanses van die studie, beveel ek aan om na te kyk и aan hom.
Epiloog
In hierdie werk het wetenskaplikes 'n nuwe metode van multispektrale beeldvorming deur 'n diffuser beskryf. Golflengte-afhanklike spikkelmodulasie met behulp van 'n koderingsopening het 'n enkele multiplekse meting en spikkelberekening moontlik gemaak deur 'n masjienleer-gebaseerde OMP-algoritme te gebruik.
Deur die veelkleurige letter "H" as voorbeeld te gebruik, het wetenskaplikes getoon dat die fokus op vyf spektrale kanale wat ooreenstem met violet, groen en drie skakerings van rooi 'n mens toelaat om 'n rekonstruksie van die beeld te verkry wat al die kleure van die oorspronklike bevat (blou, geel, ens.).
Volgens die navorsers kan hul tegniek nuttig wees in beide medisyne en sterrekunde. Kleur dra belangrike inligting in beide rigtings: in sterrekunde - die chemiese samestelling van die voorwerpe wat bestudeer word, in medisyne - die molekulêre samestelling van selle en weefsels.
Op hierdie stadium merk wetenskaplikes net een probleem op wat visualiseringsonakkuraathede kan veroorsaak: modelleringsfoute. As gevolg van die redelik lang tyd wat nodig is om die proses te voltooi, kan veranderinge in die omgewing voorkom wat aanpassings sal inbring wat nie in die voorbereidingstadium in ag geneem is nie. Ons beplan egter om in die toekoms 'n manier te vind om hierdie probleem te versag, wat die beskryfde beeldtegniek nie net akkuraat sal maak nie, maar ook onder enige toestande stabiel sal maak.
Vrydag buitekant:
Ligte, kleur, musiek en 'n trio van die wêreld se bekendste blou weirdos (Blue Man Group).
Dankie vir die lees, bly nuuskierig en geniet 'n lekker naweek ouens! 🙂
Dankie dat jy by ons gebly het. Hou jy van ons artikels? Wil jy meer interessante inhoud sien? Ondersteun ons deur 'n bestelling te plaas of by vriende aan te beveel, 30% afslag vir Habr-gebruikers op 'n unieke analoog van intreevlakbedieners, wat deur ons vir jou uitgevind is: (beskikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 kerne en tot 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 keer goedkoper? Net hier in Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - vanaf $99! Lees van
Bron: will.com