Jednou z nejznámějších Supermanových schopností je supervize, která mu umožňovala dívat se na atomy, vidět ve tmě a na velké vzdálenosti a dokonce vidět skrz předměty. Tato schopnost se na obrazovce zobrazuje velmi zřídka, ale existuje. V naší realitě je také možné pomocí některých vědeckých triků vidět skrz téměř zcela neprůhledné předměty. Výsledné snímky však byly až donedávna vždy černobílé. Dnes se podíváme na studii, ve které vědci z Duke University (USA) dokázali pomocí jediné světelné expozice pořídit barevnou fotografii objektů skrytých za neprůhlednou stěnou. Co je tato super technologie, jak funguje a v jakých oblastech ji lze využít? O tom nám řekne zpráva výzkumné skupiny. Jít.
Výzkumná základna
Přes všechny možné výhody technologie pro vizualizaci objektů v rozptylových médiích existuje při implementaci této technologie řada problémů. Tím hlavním je fakt, že dráhy fotonů procházejících rozptylovačem se velmi mění, což vede k náhodným vzorům tečky* na druhé straně.
Flíček* je náhodný interferenční obrazec tvořený vzájemnou interferencí koherentních vln, které mají náhodné fázové posuny a/nebo náhodnou sadu intenzity. Nejčastěji to vypadá jako sada světlých skvrn (teček) na tmavém pozadí.
V posledních letech bylo vyvinuto několik zobrazovacích technik, které obcházejí rozptylové efekty a extrahují informace o objektu ze vzoru skvrn. Problémem těchto technik je jejich omezení – musíte mít určité znalosti o objektu, mít přístup k rozptylovacímu médiu nebo objektu atd.
Přitom existuje podle vědců mnohem pokročilejší metoda – vizualizace s paměťovým efektem (ME). Tato metoda umožňuje vizualizovat objekt bez předchozí znalosti o něm samotném nebo o rozptylovém médiu. Každý má nedostatky, jak víme, a metoda ME není výjimkou. Pro získání vysoce kontrastních skvrnitých vzorů a tím i přesnějších snímků musí být osvětlení úzkopásmové, tzn. menší než 1 nm.
Je také možné přelstít omezení metody ME, ale opět tyto triky zahrnují přístup k optickému zdroji nebo objektu před difuzorem nebo přímé měření PSF*.
PSF* - funkce bodového šíření, která popisuje obraz, který zobrazovací systém přijímá při pozorování bodového zdroje světla nebo bodového objektu.
Vědci nazývají tyto metody proveditelné, ale ne dokonalé, protože měření PSF není vždy možné, například kvůli dynamice rozptylovače nebo jeho nedostupnosti před zobrazovacím postupem. Jinými slovy, je na čem pracovat.
Ve své práci vědci navrhují jiný přístup. Ukazují nám metodu pro realizaci multispektrálního zobrazování objektů prostřednictvím rozptylového média pomocí měření jedné skvrny monochromatickou kamerou. Na rozdíl od jiných technik to nevyžaduje předchozí znalost systému PSF nebo spektra zdroje.
Nová metoda vytváří vysoce kvalitní snímky cílového objektu v pěti dobře oddělených spektrálních kanálech mezi 450 nm a 750 nm, což bylo potvrzeno výpočty. V praxi bylo dosud možné zobrazit tři dobře oddělené spektrální kanály mezi 450 nm a 650 nm a šest sousedních spektrálních kanálů mezi 515 a 575 nm.
Jak nová metoda funguje
Obrázek č. 1: lampa - prostorový modulátor světla - difuzor (s irisovou clonou) - kódovací apertura - hranol - optické relé (vizualizace 1:1) - monochromatická kamera.
Výzkumníci si všímají tří základních prvků jakéhokoli zobrazování difuzorem: objekt zájmu (externě osvětlený nebo samosvítící), difuzor a detektor.
Stejně jako ve standardních ME systémech tato studie uvažuje objekt, jehož úhlová velikost se nachází uvnitř zorného pole ME a ve vzdálenosti u za difuzorem. Po interakci s difuzorem světlo urazí vzdálenost v, než dosáhne detektoru.
Konvenční ME zobrazování využívá standardní kamery, ale tato metoda využívá kódovací detektorový modul sestávající z kódovací apertury a optického prvku závislého na vlnové délce. Účelem tohoto prvku je jedinečně modulovat každý spektrální kanál před jeho kombinací a převedením na monochromatický detektor.
Místo prostého měření málo kontrastních skvrn, jejichž spektrální kanály jsou neoddělitelně smíšené, byl zaznamenán spektrálně multiplexovaný signál, který se dobře hodí pro separaci.
Vědci znovu zdůrazňují, že jejich metoda nevyžaduje žádné předem známé charakteristiky nebo předpoklady o difuzoru nebo světelném zdroji.
Po provedení předběžných měření multiplexované skvrnky byla známá hodnota Tλ (kódovací vzor závislý na vlnové délce) použita k individuální rekonstrukci skvrnky v každém spektrálním pásmu.
Ve své práci, ve fázi výpočtů a modelování, použili vědci určité metody strojového učení, které mohou pomoci při implementaci dříve neuvažované metody. Nejprve bylo k reprezentaci skvrnitosti použito učení řídkých matic.
Učení funkcí* — umožňuje systému automaticky najít reprezentace nezbytná k identifikaci vlastností zdrojových dat.
Výsledkem byla databáze natrénovaná na snímcích skvrnitosti z různých konfigurací měření. Tato báze je dosti zobecněná a nezávisí na konkrétních objektech a rozptylovačích podílejících se na generování masky Iλx, y. Jinými slovy, systém je trénován na základě difuzoru, který není použit v experimentální konfiguraci, tzn. systém k němu nemá přístup, jak chtěli výzkumníci.
Algoritmus OMP byl použit k získání snímků skvrn na každé vlnové délce (ortogonální shoda pronásledování).
Nakonec byly výpočtem autokorelace každého spektrálního kanálu nezávisle a invertováním autokorelace na každé vlnové délce získány obrazy objektu. Výsledné obrazy na každé vlnové délce se pak spojí a vytvoří barevný obraz předmětu.
Obrázek č. 2: postupný postup při skládání obrázku předmětu.
Tato technika podle svých tvůrců nepředpokládá žádné korelace mezi spektrálními kanály a vyžaduje pouze předpoklad, že hodnota vlnové délky je zcela náhodná. Navíc tato metoda vyžaduje pouze informace o kódovacím detektoru, spoléhá se na předkalibraci kódovací apertury a předem připravenou datovou knihovnu. Díky těmto vlastnostem je tato zobrazovací metoda vysoce univerzální a neinvazivní.
Výsledky simulace
Nejprve se podívejme na výsledky simulace.
Obrázek č. 3
Výše uvedený obrázek ukazuje příklady multispektrálního obrazu dvou objektů pořízených přes difuzér. Horní řada zapnuta 3a obsahuje objekt zájmu sestávající z několika čísel, zobrazených jak ve falešných barvách, tak rozdělených podle spektrálního kanálu. Při vykreslování objektu ve falešných barvách se profil intenzity každé vlnové délky zobrazí v prostoru CIE 1931 RGB.
Rekonstruovaný objekt (spodní řada na 3a) jak ve falešných barvách, tak ve smyslu jednotlivých spektrálních kanálů, ukazuje, že technika poskytuje vynikající vizualizaci a pouze malé přeslechy mezi spektrálními kanály, které nehrají v procesu zvláštní roli.
Po převzetí rekonstruovaného objektu, tzn. Po vykreslení bylo nutné vyhodnotit míru přesnosti porovnáním spektrální intenzity (zprůměrované přes všechny jasné pixely) skutečného objektu a rekonstruovaného (3b).
Na obrázcích 3c ukazuje skutečný objekt (horní řada) a rekonstruovaný obrázek (spodní řada) pro bavlněnou kmenovou buňku a v 3d je zobrazena analýza přesnosti vizualizace.
Pro vyhodnocení přesnosti zobrazení bylo nutné vypočítat hodnoty indexu strukturní podobnosti (SSIM) a maximální poměr signálu k šumu (pSNR) reálného objektu pro každý spektrální kanál.
Výše uvedená tabulka ukazuje, že každý z pěti kanálů má SSIM koeficient 0,8–0,9 a PSNR více než 20. Z toho vyplývá, že i přes nízký kontrast skvrnitého signálu superpozice pěti spektrálních pásem o šířce 10 nm na detektoru umožňuje poměrně přesnou rekonstrukci prostorově-spektrálních vlastností studovaného objektu. Jinými slovy, technika funguje, ale toto jsou pouze výsledky simulace. Aby vědci získali úplnou důvěru ve svou práci, provedli řadu praktických experimentů.
Experimentální výsledky
Jedním z nejvýraznějších rozdílů mezi simulací a reálnými experimenty je prostředí, tzn. podmínky, ve kterých se obojí provádí. V prvním případě jsou řízené podmínky, ve druhém nepředvídatelné podmínky, tzn. uvidíme, jak to půjde.
Byly uvažovány tři spektrální kanály o šířce 8–12 nm se středem na 450, 550 a 650 nm, které v kombinaci s různými relativními magnitudami generují širokou škálu barev.
Obrázek č. 4
Obrázek nahoře ukazuje srovnání mezi skutečným objektem (různobarevné "H") a rekonstruovaným. Doba světelné expozice (rychlost závěrky, tedy expozice) byla nastavena na 1800 s, což umožnilo získat SNR v rozsahu 60-70 dB. Tento indikátor SNR podle vědců není pro experiment extrémně důležitý, ale slouží jako dodatečné potvrzení výkonu jejich techniky, zejména v případě složitých objektů. Ve skutečnosti, a ne v laboratorních podmínkách, může být tato metoda řádově rychlejší.
Horní řada obrázku č. 4 ukazuje objekt na každé vlnové délce (zleva doprava) a skutečný plně barevný objekt.
K získání obrazu skutečného objektu jako výsledku zobrazování byla použita kamera počítačového vidění s vhodnými pásmovými filtry pro přímé zobrazení spektrálních složek a získání plně barevného obrazu sečtením výsledných spektrálních kanálů.
Druhý řádek obrázku výše ukazuje autokorelační vzory každého rekonstruovaného spektrálního kanálu tvořícího multiplexovaná měření, která jsou vstupem do fáze zpracování dat.
Třetí řada je rekonstruovaný objekt v každém spektrálním kanálu, stejně jako rekonstruovaný plnobarevný objekt, tzn. konečný výsledek vizualizace.
Plně barevný obrázek ukazuje, že relativní velikosti mezi spektrálními kanály jsou také správné, protože barva kombinovaného rekonstruovaného obrázku odpovídá skutečné hodnotě a koeficient SSIM dosahuje pro každý kanál více než 0,92.
Spodní řádek toto tvrzení potvrzuje, ukazuje srovnání intenzity skutečného objektu a rekonstruovaného. Údaje z obou se shodují ve všech spektrálních rozsazích.
Z toho vyplývá, že ani přítomnost šumu a potenciální chyby modelování nám nezabránily v získání kvalitního snímku a experimentální výsledky dobře korelovaly s výsledky modelování.
Výše popsaný experiment byl proveden s ohledem na oddělené spektrální kanály. Vědci provedli další experiment, ale tentokrát se sousedními kanály, respektive se spojitým spektrálním rozsahem 60 nm.
Obrázek č. 5
Skutečným předmětem bylo písmeno „X“ a znak „+“ (5a). Spektrum písmene „X“ je relativně jednotné a spojité – mezi 515 a 575 nm, ale „+“ má strukturované spektrum, které se nachází hlavně mezi 535 a 575 nm (5b). Pro tento experiment byla expozice 120 s pro dosažení požadovaného (stejně jako dříve) SNR 70 dB.
Pásmový filtr o šířce 60 nm byl také použit přes celý objekt a dolní propust přes znaménko „+“. Při rekonstrukci je spektrum 60 nm rozděleno do 6 sousedních kanálů o šířce 10 nm (5b).
Jak můžeme vidět z obrázků 5, výsledné snímky jsou ve výborné shodě se skutečným objektem. Tento experiment ukázal, že přítomnost nebo nepřítomnost spektrálních korelací v měřené skvrnce neovlivňuje účinnost studované zobrazovací techniky. Sami vědci se domnívají, že mnohem větší roli v procesu vizualizace, respektive v jeho úspěchu, nehrají ani tak spektrální charakteristiky objektu, jako spíše kalibrace systému a detaily jeho kódovacího detektoru.
Pro podrobnější informace o nuancích studie doporučuji podívat se na и jemu.
Epilog
V této práci vědci popsali novou metodu multispektrálního zobrazování přes difuzér. Modulace skvrn v závislosti na vlnové délce pomocí kódovací apertury umožnila jediné multiplexované měření a výpočet skvrn pomocí algoritmu OMP založeného na strojovém učení.
Na příkladu vícebarevného 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 (modrá, žlutá atd.).
Podle vědců může být jejich technika užitečná jak v medicíně, tak v astronomii. Barva nese důležité informace v obou směrech: v astronomii - chemické složení studovaných objektů, v medicíně - molekulární složení buněk a tkání.
V této fázi vědci zaznamenávají pouze jeden problém, který může způsobit nepřesnosti vizualizace: chyby modelování. Vzhledem k poměrně dlouhé době potřebné k dokončení procesu může dojít ke změnám v prostředí, které zavedou úpravy, které nebyly zohledněny ve fázi přípravy. Do budoucna však plánujeme najít způsob, jak tento problém zmírnit, díky kterému bude popsaná zobrazovací technika nejen přesná, ale i stabilní za jakýchkoliv podmínek.
Pátek off-top:
Světla, barva, hudba a trio nejslavnějších modrých podivínů světa (Blue Man Group).
Díky za přečtení, zůstaňte zvědaví a mějte skvělý víkend, přátelé! 🙂
Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět více zajímavého obsahu? Podpořte nás objednávkou nebo doporučením přátelům, 30% sleva pro uživatele Habr na unikátní obdobu entry-level serverů, kterou jsme pro vás vymysleli: (k dispozici s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2x levnější? Pouze zde V Nizozemsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 $! Číst o
Zdroj: www.habr.com