Jednou z nejznámějších schopností Supermana je superzrak, který mu umožňuje zkoumat atomy, vidět ve tmě a na velké vzdálenosti, a také vidět skrz objekty. Tato schopnost se na obrazovkách zřídkakdy demonstruje, ale existuje. V naší realitě je nicméně možné vidět skrz prakticky zcela neprůhledné objekty, využitím některých vědeckých triků. Avšak získané snímky byly vždy černobílé, až donedávna. Dnes se seznámíme s výzkumem, v rámci kterého vědci z Duke University (USA) dokázali pořídit barevný snímek objektů skrytých za neprůhlednou zdí, pomocí jednorázového světelného impulsu. Jaká to je super-technologie, jak funguje a v jakých oblastech může být využita? O tom nás informuje zpráva výzkumné skupiny. Jdeme na to.
Základ výzkumu
I přes všechny možné "výhody" technologie vizualizace objektů v rozptylových prostředích existuje řada problémů s realizací této technologie. Hlavním problémem je skutečnost, že dráhy fotonů procházejících rozptýlením se výrazně mění, což vede k náhodným vzorům. speckle* na druhé straně.
Speckle* je náhodný interferenční vzor, který se tvoří při vzájemné interferenci koherentních vln, jež mají náhodné fáze a/nebo náhodnou intenzitu. Nejčastěji vypadá jako soubor světlých skvrn (bodů) na tmavém pozadí.
V posledních letech bylo vyvinuto několik metodik vizualizace, které umožňují obejít efekty rozptýlení a extrahovat informace o objektu z vzoru speckle. Problém těchto metodik spočívá v jejich omezenosti — je nutné mít určité znalosti o objektu, mít přístup k rozptylové prostředí nebo objektu atd.
Současně existuje daleko dokonalejší metoda, podle vědců, — vizualizace s efektem paměti (ME). Tato metoda umožňuje vizualizaci objektu bez předchozích znalostí o něm nebo o rozptylové prostředí. Jak víme, každý má své nedostatky, a metoda ME není výjimkou. Pro získání vysoce kontrastních speckle vzorů a tím pádem přesnějších obrazů musí být osvětlení úzkopásmové, tj. méně než 1 nm.
Obelstít omezení ME-metody je také možné, avšak tyto triky se opět týkají přístupu k optickému zdroji nebo objektu před rozptylovačem nebo přímo měření. PSF*.
PSF* — funkce rozptylu bodu, popisující obraz, který systém formování získává při pozorování bodového zdroje světla nebo bodového objektu.
Vědci tyto metody považují za funkční, ale ne dokonalé, protože měření PSF není vždy možné například kvůli dynamice rozptylovače nebo jeho nedostupnosti před vizualizační procedurou. Jinými slovy, je co zlepšovat.
Ve své práci vědci navrhují jiný přístup. Demonstrují nám metodu provádění mnohospektrální vizualizace objektů přes rozptylové prostředí pomocí jediného spekle-měření monokromatickou kamerou. Na rozdíl od jiných metod tato nevyžaduje předchozí znalosti o PSF systému či spektru zdroje.
Nová metoda umožňuje vytvářet vysoce kvalitní obrazy cílového objektu v pěti dobře oddělených spektrálních kanálech mezi 450 nm a 750 nm, což bylo potvrzeno výpočty. V praxi se však zatím podařilo dosáhnout vizualizace tří dobře oddělených spektrálních kanálů mezi 450 nm a 650 nm a šesti sousedních spektrálních kanálů mezi 515 a 575 nm.
Princip fungování nové metody
Obrázek č. 1: lampa — prostorový modulátor světla — rozptylovač (s clonou) — kódovací apertura — prizm — optické relé (vizualizace 1:1) — monokromatická kamera.
Vědci zdůrazňují tři základní prvky jakékoli vizualizace přes rozptylovač: objekt zájmu (osvětlený zvenčí nebo vyzařující sám), rozptylovač a detektor.
Stejně jako v běžných ME systémech, i v této studii je zkoumán objekt, jehož úhlová velikost se nachází uvnitř zorného pole ME a ve vzdálenosti u za rozptylovačem. Po interakci s rozptylovačem světlo putuje vzdálenost v, než dopadne na detektor.
Běžná ME vizualizace používá standardní kamery, zatímco v této metodě je použit modul kódovacího detektoru, který se skládá z kódovací apertury a optického prvku v závislosti na vlnové délce. Cílem tohoto prvku je jedinečná modulace každého spektroskopického kanálu před jejich sloučením a převodem na monochromatickém detektoru.
Namísto jednoduchého měření nízkokontrastního speklu, jehož spektroskopické kanály jsou neoddělitelně smíchány, byla zaznamenána spektromultiplexovaná signál, který je dobře přizpůsoben pro separaci.
Výzkumníci znovu zdůrazňují, že jejich metoda nevyžaduje žádné předem známé charakteristiky nebo předpoklady ohledně rozptylovače nebo světelného zdroje.
Po provedení předběžných měření multiplexedního speklu bylo použito známé hodnoty Tλ (kódovací vzor závislý na vlnové délce) pro individuální rekonstrukci spektra v každém spektroskopickém pásmu.
Ve své práci při výpočtech a modelování vědci použili určité metody strojového učení, které mohou pomoci při realizaci dříve neprojednávané metody. Především bylo použito učení charakteristikám řídké matice pro reprezentaci spektra.
Učení charakteristikám* — umožňuje systému automaticky nalézt reprezentace potřebné k identifikaci charakteristik původních dat.
V důsledku toho byla vytvořena databáze, která byla vyškolena na speklech z různých konfigurací měření. Tato databáze je dostatečně zobecněná a nezávisí na konkrétních objektech a rozptylovačích zapojených do generování masky Iλx, y. Jinými slovy, systém se učí na základě rozptylovače, který není použit v experimentální konfiguraci, tedy systém k němu nemá přístup, jak si to výzkumníci přáli.
Pro získání speklek na každé vlnové délce byl použit algoritmus OMP (orthogonal matching pursuit).
Nakonec, výpočtem autokorelace každého spektroskopického kanálu nezávisle a inverzí autokorelace na každé vlnové délce byla získána zobrazení objektu. Získané obrázky na každé vlnové délce byly poté spojeny za účelem vytvoření barevného zobrazení objektu.
Obrázek č. 2: postupný proces vytváření obrazu objektu.
Tato metoda, podle jejích tvůrců, nečiní žádné předpoklady o korelacích mezi spektrálními kanály a vyžaduje pouze předpoklad, že hodnota vlnové délky je dostatečně náhodná. Kromě toho tato metoda vyžaduje pouze informace o kodujícím detektoru, spoléhajíc na předběžnou kalibraci kodující apertury a předem vyškolenou datovou knihovnu. Tyto vlastnosti činí tuto vizualizaci velmi univerzální a neinvazivní.
Výsledky modelování
Nejprve se podívejme na výsledky modelování.
Obrázek č. 3
Na obrázku výše jsou uvedeny příklady multispektrálního snímku dvou objektů pořízených skrze rozptylovač. Horní řada na 3a obsahuje objekt zájmu, který se skládá z několika čísel, zachycených jak v false color, tak v rozdělení podle spektrálního kanálu. Při konstrukci objektu v false color je zobrazován profil intenzity každé vlnové délky v prostoru CIE 1931 RGB.
Rekonstruovaný objekt (dolní řada na 3a) jak v false color, tak z pohledu jednotlivých spektrálních kanálů demonstruje, že tato metoda poskytuje vynikající vizualizaci s pouze minimálním křížovým interakcí mezi spektrálními kanály, což nehraje významnou roli v procesu.
Po získání rekonstruovaného objektu, tj. po vizualizaci, bylo nutné zhodnotit přesnost tím, že se porovná spektrální intenzita (průměrná u všech jasných pixelů) skutečného objektu a rekonstruovaného (3b).
Na obrázcích 3c je skutečný objekt (horní řada) a rekonstruovaný obraz (dolní řada) pro buňku z lnu, a na 3d je analyzována přesnost vizualizace.
Pro hodnocení přesnosti vizualizace bylo nutné vypočítat hodnoty koeficientu strukturální podobnosti (SSIM) a vrcholového poměru signálu k šumu (pSNR) skutečného objektu pro každý spektrální kanál.
Tabulka výše ukazuje, že každý z pěti kanálů má koeficient SSIM 0,8–0,9 a PSNR více než 20. To naznačuje, že i přes nízký kontrast speklového signálu umožňuje překrytí na detektor pěti spektrálních pásem o šířce 10 nm dostatečně přesně rekonstruovat prostorově-spektrální vlastnosti zkoumaného objektu. Jinými slovy, metodika funguje, nicméně jde pouze o výsledky modelování. Pro úplnost v jejich oboru vědci provedli řadu praktických experimentů.
Výsledky experimentů
Jedním z nejvýznamnějších rozdílů mezi modelováním a reálnými experimenty je prostředí, tedy podmínky, za kterých se obě činnosti provádějí. V prvním případě existují kontrolované podmínky, ve druhém - nepředvídatelné, tedy jak to vyjde.
Byly zvažovány tři spektrální kanály o šířce 8-12 nm se středem na 450, 550 a 650 nm, které v kombinaci s různými relativními hodnotami generují široké spektrum barev.
Obrázek č. 4
Na obrázku výše je znázorněno srovnání mezi skutečným objektem (barevné písmeno „H“) a rekonstruovaným. Čas světelného působení (expozice) byl nastaven na 1800 s, což umožnilo dosáhnout SNR v rozmezí 60-70 dB. Tento ukazatel SNR, podle vědců, není zásadně důležitý pro experiment, ale slouží jakododatečné potvrzení funkčnosti jejich metodiky, zejména v případě složitých objektů. Ve skutečnosti, a nikoli v laboratorních podmínkách, může být tato metoda mnohem rychlejší.
Na horním řadu obrázku č. 4 je zobrazen objekt na každé vlnové délce (zleva doprava) a skutečný plnobarevný objekt.
Aby bylo možné obdržet obraz reálného objektu, byla použita kamera obsluhovaná strojovým učením s odpovídajícími pásmovými filtry pro přímé zobrazení spektrálních složek a získání plnobarevného obrazu součtem výsledných spektrálních kanálů.
Druhý řádek obrázku výše ukazuje vzory autokorelací každého rekonstruovaného spektrálního kanálu, které tvoří multiplexovaná měření, jež slouží jako vstupní data pro fázi zpracování dat.
Třetí řada představuje rekonstruovaný objekt v každém spektrálním kanálu, stejně jako rekonstruovaný barevný objekt, tj. konečný výsledek vizualizace.
Barevný obrázek ukazuje, že relativní velikosti mezi spektrálními kanály jsou také správné, jelikož barva sloučeného rekonstruovaného obrázku odpovídá skutečné hodnotě a koeficient SSIM překračuje 0,92 pro každý kanál.
Nejnižší řada potvrzuje toto tvrzení, ukazující srovnání intenzity skutečného objektu a rekonstruovaného. Data obou odpovídají ve všech spektrálních pásmech.
Z toho vyplývá, že ani přítomnost šumu a potenciálních chyb modelování nezabránila získání obrazu vysoké kvality, a výsledky experimentů se skvěle shodují s výsledky modelování.
Výše uvedený experiment byl proveden s ohledem na rozdělené spektrální kanály. Vědci provedli další experiment, ale již se sousedními kanály, konkrétně s kontinuálním spektrálním rozsahem 60 nm.
Obrázek č. 5
Skutečným objektem byla písmena „X“ a znak „+“ (5a). Spektrum písmene „X“ je relativně rovnoměrné a kontinuitní — mezi 515 a 575 nm, zatímco „+“ má strukturované spektrum, převážně umístěné mezi 535 a 575 nm (5b). Pro tento experiment byla expozice 120 s pro dosažení požadovaného (stejně jako dříve) SNR 70 dB.
Byl rovněž použit pásmový filtr s šířkou 60 nm nad celým objektem a dolní propusti nad znakem „+“. Během rekonstrukce je 60 nm spektrum rozděleno do 6 sousedních kanálů s šířkou 10 nm (5b).
Jak můžeme vidět na obrázcích 5c, výsledné obrázky se skvěle shodují se skutečným objektem. Tento experiment ukázal, že přítomnost nebo absence spektrálních korelací v měřeném speklu nemá vliv na účinnost zkoumané vizualizační metody. Sami vědci se domnívají, že mnohem větší roli v procesu vizualizace, přesněji v jeho úspěšnosti, hrají nejen spektrální charakteristiky objektu, ale také kalibrace systému a detaily jeho kódovacího detektoru.
Pro podrobnější seznámení s nuancemi výzkumu doporučuji nahlédnout do a k ní.
Epilog
V této práci vědci popsali novou metodu multispektrální vizualizace prostřednictvím rozptylovače. Modulace spektra závislá na vlnové délce pomocí kódovací apertury umožnila provést jedno multiplexované měření a vypočítat spektrum pomocí algoritmu OMP založeného na strojovém učení.
Na příkladu barevného písmene „H“ vědci ukázali, že zaměření na pět spektrálních kanálů odpovídajících fialové, zelené a třem odstínům červené umožňuje získat rekonstrukci obrazu obsahující všechny barvy originálu (modrou, žlutou atd.).
Podle výzkumníků může být jejich metodika užitečná jak v medicíně, tak v astronomii. Barva nese důležité informace oběma směry: v astronomii - chemické složení zkoumaných objektů, v medicíně - molekulární složení buněk a tkání.
V tuto chvíli vědci zaznamenali pouze jeden problém, který může způsobovat nepřesnosti vizualizace, a to chyby modelování. Vzhledem k poměrně dlouhé době potřebné k provedení procesu se mohou z 환경y objevit změny, které budou měnit svoje korekce, které nebyly zohledněny v přípravném stádiu. Nicméně se plánuje najít způsob, jak tuto problematiku vyřešit, což umožní učinit popsanou vizualizační metodiku nejen přesnou, ale i stabilní za jakýchkoli podmínek.
Páteční off-topic:
Světlo, barva, hudba a trio nejslavnějších modrých „podivínů“ na světě (Blue Man Group).
Děkuji za pozornost, zůstaňte zvídaví a mějte skvělý víkend, kluci! 🙂
Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět více zajímavých materiálů? Podpořte nás objednávkou nebo doporučením známým, 30 % sleva pro uživatele Habra na jedinečný analog entry-level serverů, který jsme pro vás vymysleli: (k dispozici varianty s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40GB DDR4).
Dell R730xd za polovinu ceny? Jen u nás v Nizozemsku! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 $! Čtěte o tom
Zdroj: habr.com
