Una di l'abilità più famose di Superman hè a supervisione, chì li hà permessu di fighjà l'atomi, vede in u bughju è à grande distanza, è ancu vede attraversu l'uggetti. Questa capacità hè raramente mostrata nantu à u screnu, ma esiste. In a nostra realità, hè ancu pussibule di vede à traversu l'ogetti guasi cumplettamente opachi usendu certi trucchi scientifichi. Tuttavia, l'imaghjini resultanti eranu sempre in biancu è neru, finu à pocu tempu. Oghje fighjemu un studiu in quale i scientisti di l'Università di Duke (USA) anu pussutu piglià una fotografia di culore di l'uggetti ammucciati daretu à un muru opacu cù una sola esposizione di luce. Chì ghjè sta super tecnulugia, cumu funziona è in quale spazii pò esse usatu? U rapportu di u gruppu di ricerca ci dirà di questu. Vai.
Basi di ricerca
Malgradu tutti i pussibuli benefici di a tecnulugia per a visualizazione di l'uggetti in i media di scattering, ci sò parechje prublemi in l'implementazione di sta tecnulugia. U principale hè u fattu chì i camini di i fotoni chì passanu per u scatterer cambianu assai, chì porta à mudelli aleatorii. macchie* da l'altra parte.
Speckle* hè un mudellu d'interferenza aleatoriu furmatu da l'interferenza mutuale di onde coerenti chì anu cambiamenti di fase aleatoriu è / o un settore aleatoriu di intensità. A maiò spessu s'assumiglia à un inseme di punti luminosi (punti) nantu à un fondo scuru.
Nta l'ultimi anni, parechje tecniche d'imaghjini sò state sviluppate per aggirà l'effetti di scatterer è estrae l'infurmazioni di l'ughjettu da u mudellu speckle. U prublema cù sti tecnichi sò i so limitazioni - avete bisognu à avè una certa cunniscenza di l'ughjettu, avè accessu à u mediu di scattering o ughjettu, etc.
À u stessu tempu, ci hè un metudu assai più avanzatu, sicondu i scientisti - visualizazione cù effettu di memoria (ME). Stu metudu permette di visualizà un ughjettu senza cunniscenza previa di ellu stessu o di u mediu di scattering. Ognunu hà difetti, cum'è sapemu, è u metudu ME ùn hè micca eccezzioni. Per ottene mudelli di speckle d'altu cuntrastu è, per quessa, l'imaghjini più precisi, l'illuminazione deve esse stretta-banda, i.e. menu di 1 nm.
Hè ancu pussibule di superà e limitazioni di u metudu ME, ma di novu sti trucchi implicanu l'accessu à a fonte ottica o l'ughjettu prima di u diffusore, o misura direttamente. PSF*.
PSF* - una funzione di sparghje puntu chì descrive l'imaghjini chì u sistema di imaghjini riceve quandu si osserva una fonte di luce puntuale o un oggettu puntuale.
I ricercatori chjamanu sti metudi operabili, ma micca perfetti, postu chì a misurazione PSF ùn hè micca sempre pussibule per esempiu, per a dinamica di u scatterer o a so inaccessibilità prima di a prucedura di imaging. In altri palori, ci hè qualcosa per travaglià.
In u so travagliu, i circadori prupone un approcciu differente. Ci mostranu un metudu per a realizazione di l'imaghjini multispettrali di l'uggetti attraversu un mediu di scattering utilizendu una sola misurazione di speckle cù una camera monocroma. A cuntrariu di l'altri tecniche, questu ùn hè micca bisognu di cunniscenza previa di u sistema PSF o di u spettru fonte.
U novu metudu pruduce l'imaghjini d'alta qualità di l'ughjettu di destinazione in cinque canali spettrali ben separati trà 450 nm è 750 nm, chì hè statu cunfirmatu da i calculi. In pratica, finu à avà hè statu pussibule di visualizà trè canali spettrali ben separati trà 450 nm è 650 nm è sei canali spettrali adiacenti trà 515 è 575 nm.
Cumu funziona u novu metudu
Image No. 1: lampada - modulatore di luce spaziale - diffusore (cù diafragma iris) - apertura di codificazione - prisma - relé otticu (visualizazione 1: 1) - camera monocroma.
I circadori notanu trè elementi basi di qualsiasi imaghjini di diffusore: l'ughjettu d'interessu (illuminatu esternamente o autoluminosu), u diffusore è u detector.
Cum'è in i sistemi ME standard, stu studiu cunsidereghja un oggettu chì a so dimensione angulare si trova in u campu di vista ME è à una distanza u daretu à u diffusore. Dopu avè interazzione cù u diffusore, a luce viaghja una distanza v prima di ghjunghje à u detector.
L'imaghjini ME cunvinziunali utilizanu camere standard, ma stu metudu usa un modulu di detettore di codificazione custituitu da una apertura di codificazione è un elementu otticu dipendente da a lunghezza d'onda. U scopu di questu elementu hè di modulà in modu unicu ogni canali spettrali prima di cumminà è di cunvertisce in un detector monocromu.
Cusì, invece di misurà solu speckle di cuntrastu bassu chì i canali spettrali sò inestricabilmente mischiati, hè statu registratu un signalu multiplexatu spectrally, chì hè bè adattatu per a separazione.
I circadori una volta di più enfatizà chì u so metudu ùn hà micca bisognu di caratteristiche o supposizioni pre-cunnisciute nantu à u diffusore o a fonte di luce.
Après avoir effectué des mesures préliminaires du speckle multiplexé, la valeur connue de Tλ (modèle de codage dépendant de la longueur d'onde) a été utilisée pour reconstruire individuellement le speckle dans chaque bande spectrale.
In u so travagliu, in u stadiu di calculi è mudeli, i scientisti anu utilizatu certi metudi d'apprendimentu di machine chì ponu aiutà à l'implementazione di un metudu prima senza cunsiderà. Prima, l'apprendimentu di e funzioni di matrice sparse hè stata utilizata per rapprisintà speckle.
Apprendimentu di funziunalità * - permette à u sistema di truvà in autumàticu e rapprisentazione necessarie per identificà e caratteristiche di e dati fonte.
U risultatu era una basa di dati furmatu nantu à l'imaghjini speckle da diverse cunfigurazioni di misurazione. Sta basa hè abbastanza generalizata è ùn dipende micca di l'uggetti specifichi è scatterers chì participanu à a generazione di a maschera Iλx, y. In altri palori, u sistema hè furmatu basatu annantu à un diffusore chì ùn hè micca usatu in a cunfigurazione sperimentale, i.e. u sistema ùn hà micca accessu à questu, cum'è i circadori vulianu.
L'algoritmu OMP hè statu utilizatu per ottene immagini speckle à ogni lunghezza d'onda (perseguimentu di currispundenza ortogonale).
Infine, calculendu l'autocorrelazione di ogni canali spettrali indipindentamente è invertendu l'autocorrelazione à ogni lunghezza d'onda, l'imaghjini di l'ughjettu sò stati ottenuti. L'imaghjini resultanti à ogni lunghezza d'onda sò allora cumminati per creà una maghjina di culore di l'ughjettu.
Image N ° 2 : u prucessu passu à passu di cumpusizioni una maghjina di un ughjettu.
Sta tecnica, sicondu i so creatori, ùn face micca ipotesi nantu à e correlazioni trà i canali spettrali è solu esige l'assunzione chì u valore di a lunghezza d'onda hè abbastanza casuale. Inoltre, stu metudu solu bisognu d'infurmazioni nantu à u detector di codificazione, basandu nantu à a pre-calibrazione di l'apertura di codificazione è una biblioteca di dati pre-furmata. Queste caratteristiche facenu stu metudu di imaging assai versatile è micca invasivu.
I risultati di simulazione
Prima, fighjemu i risultati di a simulazione.
Image #3
L'imaghjini sopra mostra esempi di una maghjina multispettrali di dui ogetti pigliati per un diffusore. Fila superiore nantu 3 cuntene un ughjettu d'interessu custituitu da parechji numeri, mostrati in falsi culori è spartuti per canali spettrali. Quandu si trace un ughjettu in culore falsu, u prufilu di intensità di ogni lunghezza d'onda hè visualizatu in u spaziu CIE 1931 RGB.
Ughjettu ricostruitu (fila in fondu nantu 3) tramindui in u culore falsu è in quantu à i canali spettrali individuali, dimostra chì a tecnica furnisce una visualizazione eccellente è solu un crosstalk minore trà i canali spettrali, chì ùn ghjucanu micca un rolu speciale in u prucessu.
Dopu avè ricivutu l'ughjettu ricustruitu, i.e. Dopu a rendering, era necessariu valutà u gradu di precisione paragunendu l'intensità spettrali (mediata nantu à tutti i pixel brillanti) di l'ughjettu reale è l'ughjettu ricustruitu (3b).
In l'imaghjini 3c mostra un ughjettu reale (fila superiore) è una maghjina ricostruita (fila inferiore) per una cellula staminale di cuttuni, è in 3d un'analisi di a precisione di visualizazione hè mostrata.
Per valutà a precisione di l'imaghjini, era necessariu di calculà i valori di l'indice di similitudine strutturale (SSIM) è u rapportu di u signale-à-rumore (pSNR) di l'ughjettu reale per ogni canale spettrale.
A tavula quì sopra mostra chì ognunu di i cinque canali hà un coefficient SSIM di 0,8-0,9 è un PSNR di più di 20. Ne seguita chì, malgradu u bassu cuntrastu di u signale speckle, a superposizione di cinque bande spettrali cù una larghezza di 10 nm. nant'à u detector permette di ricustruzzione abbastanza precisa proprietà spaziali-spettrali di l'ughjettu studiatu. In altre parolle, a tecnica travaglia, ma questi sò solu risultati di simulazione. Per acquistà una fiducia cumpleta in u so travagliu, i scientisti anu realizatu una seria di esperimenti pratichi.
I risultati sperimentali
Una di e sfarenze più significativu trà a simulazione è l'esperimenti veri hè l'ambienti, i.e. e cundizioni in cui i dui sò realizati. In u primu casu ci sò cundizzioni cuntrullati, in u sicondu ci sò cundizioni imprevisible, i.e. videremu cumu si passa.
Sò stati cunsiderati trè canali spettrali cù una larghezza di 8-12 nm centrati à 450, 550 è 650 nm, chì, quandu sò cumminati cù diverse magnitudini relative, generanu una larga gamma di culori.
Image #4
L'imaghjini sopra mostra un paragone trà l'ughjettu reale (u "H" multicolore) è u ricustruitu. U tempu d'esposizione di a luce (velocità di l'otturatore, vale à dì l'esposizione) hè stata stabilita à 1800 s, chì hà permessu di ottene un SNR in a gamma di 60-70 dB. Stu indicatore SNR, sicondu i scientisti, ùn hè micca estremamente impurtante per l'esperimentu, ma serve cum'è cunferma supplementu di u funziunamentu di a so tecnica, soprattuttu in u casu di l'uggetti cumplessi. In realità, è micca in cundizioni di u laboratoriu, stu metudu pò esse un ordine di grandezza più veloce.
A fila superiore di l'imaghjini #4 mostra l'ughjettu à ogni lunghezza d'onda (da manca à diritta) è l'ughjettu di culore attuale.
Per ottene una maghjina di l'ughjettu reale cum'è u risultatu di l'imaghjini, una camera di visione di l'urdinatore hè stata aduprata cù filtri passa di banda adattati per imaghjinà direttamente i cumpunenti spettrali è ottene una maghjina di culore tutale suminendu i canali spettrali resultanti.
A seconda fila di l'imaghjini sopra mostra i mudelli di autocorrelazione di ogni canale spettrale ricustruitu chì formanu e misurazioni multiplexate chì sò l'input à u stadiu di trasfurmazioni di dati.
A terza fila hè l'ughjettu ricustruitu in ogni canali spettrali, è ancu l'ughjettu di culore ricostruitu, i.e. u risultatu finali di a visualizazione.
L'imaghjini di culore tutale mostra chì e grandezze relative trà i canali spettrali sò ancu curretti, postu chì u culore di l'imaghjini ricostruiti cumminati currisponde à u valore reale, è u coefficient SSIM righjunghji più di 0,92 per ogni canale.
A fila di u fondu cunfirma sta dichjarazione, chì mostra una paraguna di l'intensità di l'ughjettu reale è l'ughjettu ricustruitu. I dati da i dui coincidenu in tutti i intervalli spettrali.
Hè da questu chì ancu a presenza di u rumore è i putenziali errori di mudeli ùn anu impeditu di ottene una maghjina d'alta qualità, è i risultati sperimentali correlavanu bè cù i risultati di mudelli.
L'esperimentu descrittu sopra hè statu realizatu tenendu in contu i canali spettrali separati. I scientisti anu realizatu un altru esperimentu, ma sta volta cù i canali adiacenti, o piuttostu cù una gamma spettrale cuntinuu di 60 nm.
Image #5
L'ughjettu veru era a lettera "X" è u segnu "+" (5). U spettru di a lettera "X" hè relativamente uniforme è cuntinuu - trà 515 è 575 nm, ma u "+" hà un spettru strutturatu, principalmente situatu trà 535 è 575 nm (5b). Per questu esperimentu, l'esposizione era 120 s per ottene u SNR desideratu (cum'è prima) di 70 dB.
Un filtru di banda larga di 60 nm hè statu ancu utilizatu annantu à l'ughjettu sanu è un filtru di passaghju bassu nantu à u segnu "+". Durante a ricustruzzione, u spettru di 60 nm hè divisu in 6 canali adiacenti cù una larghezza di 10 nm (5b).
Comu pudemu vede da l'imaghjini 5c, l'imaghjini resultanti sò in accordu eccellente cù l'ughjettu reale. Stu esperimentu hà dimustratu chì a prisenza o l'absenza di correlazioni spettrali in a speckle misurata ùn affetta micca l'efficacità di a tecnica di imaging in studiu. I scientisti stessi credenu chì un rolu assai più grande in u prucessu di visualizazione, o piuttostu in u so successu, hè ghjucatu micca tantu da e caratteristiche spettrali di l'ughjettu cum'è da a calibrazione di u sistema è i dettagli di u so detector di codificazione.
Per una cunniscenza più dettagliata di e sfumature di u studiu, vi cunsigliu di guardà и à ellu.
Epilogue
In questu travagliu, i scientisti anu descrittu un novu metudu di imaging multispettrali attraversu un diffusore. A modulazione di speckle dipendente da a lunghezza d'onda utilizendu una apertura di codificazione hà permessu una sola misurazione multiplexata è u calculu di speckle utilizendu un algoritmu OMP basatu in l'apprendimentu automaticu.
Utilizendu a lettera multicolore "H" cum'è un esempiu, i scientisti anu dimustratu chì l'enfasi nantu à cinque canali spettrali chì currispondenu à u viole, u verde è trè sfumature di rossu permette di ottene una ricustruzzione di l'imaghjina chì cuntene tutti i culori di l'uriginale (blu, giallu, etc.).
Sicondu i circadori, a so tecnica pò esse utile in a medicina è l'astronomia. U culore porta infurmazione impurtante in i dui direzzione: in l'astronomia - a cumpusizioni chimica di l'uggetti studiati, in a medicina - a cumpusizioni molekulari di e cellule è i tessuti.
In questu stadiu, i scientisti nutànu solu un prublema chì pò causà imprecisioni di visualizazione: errori di mudellu. A causa di u tempu abbastanza longu necessariu per compie u prucessu, ponu accade cambiamenti in l'ambiente chì introduceranu aghjustamenti chì ùn sò micca stati cunsiderati in a fase di preparazione. In ogni casu, in u futuru avemu pensatu à truvà una manera di mitigate stu prublema, chì farà chì a tecnica d'imaghjini descritta ùn hè micca solu precisa, ma ancu stabile in ogni cundizione.
Venneri off-top:
Luci, culore, musica è un trio di i più famosi strambi blu di u mondu (Blue Man Group).
Grazie per a lettura, stà curiosu, è avete un bellu weekend ragazzi! 🙂
Grazie per stà cun noi. Ti piace i nostri articuli ? Vulete vede più cuntenutu interessante? Supportaci facendu un ordine o ricumandendu à l'amichi, 30% di scontu per l'utilizatori di Habr nantu à un analogu unicu di servitori di livellu d'entrata, chì hè statu inventatu da noi per voi: (dispunibule cù RAID1 è RAID10, finu à 24 core è finu à 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 volte più prezzu ? Solu quì in l'Olanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - da $ 99! Leghje circa
Source: www.habr.com