{"id":36741,"date":"2019-10-31T22:13:29","date_gmt":"2019-10-31T19:13:29","guid":{"rendered":"https:\/\/prohoster.info\/blog\/uvidet-pochti-nevidimoe-eshhe-i-v-tsvete-metodika-vizualizatsii-obektov-cherez-rasseivatel\/"},"modified":"2019-10-31T22:13:29","modified_gmt":"2019-10-31T19:13:29","slug":"uvidet-pochti-nevidimoe-eshhe-i-v-tsvete-metodika-vizualizatsii-obektov-cherez-rasseivatel","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/prohoster.info\/de\/blog\/news\/uvidet-pochti-nevidimoe-eshhe-i-v-tsvete-metodika-vizualizatsii-obektov-cherez-rasseivatel","title":{"rendered":"Das nahezu Unsichtbare in Farbe sehen: Methodik zur Visualisierung von Objekten durch Streugeber","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

\"Das
\n
\nEine der bekanntesten F\u00e4higkeiten von Superman ist das Supersehen, das ihm erlaubt, Atome zu betrachten, im Dunkeln und \u00fcber gro\u00dfe Entfernungen zu sehen sowie durch Gegenst\u00e4nde hindurchzusehen. Diese F\u00e4higkeit wird auf den Bildschirmen \u00e4u\u00dferst selten demonstriert, aber sie existiert. In unserer Realit\u00e4t kann man ebenfalls durch nahezu v\u00f6llig undurchsichtige Objekte sehen, indem man einige wissenschaftliche Tricks anwendet. Allerdings waren die erhaltenen Aufnahmen bis vor kurzem immer schwarz-wei\u00df. Heute werden wir eine Studie kennenlernen, in der Wissenschaftler der Duke University (USA) es geschafft haben, ein Farbfoto von Objekten zu machen, die hinter einer undurchsichtigen Wand versteckt sind, indem sie einmalige Lichtimpulse verwendeten. Was ist diese Supertechnologie, wie funktioniert sie und in welchen Bereichen kann sie angewendet werden? Dar\u00fcber wird uns der Bericht der Forschungsgruppe Auskunft geben. Lassen Sie uns beginnen.<\/a><\/noindex><\/p>\n

Basis der Forschung<\/h3>\n

\nTrotz aller m\u00f6glichen \u201eVorteile\u201c der Visualisierungstechnologie von Objekten in streuenden Medien gibt es eine Reihe von Problemen bei der Umsetzung dieser Technologie. Das Hauptproblem ist der Fakt, dass sich die Wege der Photonen, die durch den Streuer hindurchgehen, stark \u00e4ndern, was zu zuf\u00e4lligen Mustern f\u00fchrt. Spreckeln*<\/i> auf der anderen Seite.<\/p>\n

\"Das
\nSprekel*<\/b> ist ein zuf\u00e4lliges Interferenzmuster, das durch die gegenseitige Interferenz koh\u00e4renter Wellen entsteht, die zuf\u00e4llige Phasenverschiebungen und\/oder eine zuf\u00e4llige Intensit\u00e4tsverteilung aufweisen. Es sieht normalerweise aus wie eine Ansammlung heller Punkte (Flecken) auf dunklem Hintergrund.<\/p><\/blockquote>\n

In den letzten Jahren wurden mehrere Visualisierungsmethoden entwickelt, die es erm\u00f6glichen, die Effekte des Streuers zu umgehen und Informationen \u00fcber das Objekt aus dem Speckle-Muster zu extrahieren. Das Problem dieser Methoden ist ihre Einschr\u00e4nkung \u2013 man muss bestimmte Kenntnisse \u00fcber das Objekt haben, Zugang zum streuenden Medium oder Objekt besitzen usw.<\/p>\n

Gleichzeitig gibt es einen viel perfekteren, so die Meinung der Wissenschaftler, Ansatz \u2013 die Visualisierung mit Ged\u00e4chtniseffekt (ME). Diese Methode erm\u00f6glicht es, das Objekt ohne vorherige Kenntnisse \u00fcber dessen Eigenschaften oder das streuende Medium zu visualisieren. Wie wir wissen, haben alle Methoden ihre Nachteile, und die ME-Methode ist da keine Ausnahme. Um hochkontrastreiche Speckelmuster und damit genauere Bilder zu erhalten, muss die Beleuchtung schmalbandig sein, d.h. weniger als 1 nm.<\/p>\n

Es ist auch m\u00f6glich, die Einschr\u00e4nkungen der ME-Methode zu \u00fcberlisten, aber auch hier sind diese Tricks mit dem Zugang zu der optischen Quelle oder dem Objekt vor dem Streuungselement oder mit der direkten Messung verbunden. PSF*<\/i>.<\/p>\n

PSF*<\/b> \u2014 die Punktstreufunktion, die das Bild beschreibt, das das Formungssystem beim Beobachten einer punktf\u00f6rmigen Lichtquelle oder eines punktf\u00f6rmigen Objekts erh\u00e4lt. <\/p><\/blockquote>\n

Die Forscher bezeichnen diese Methoden als funktional, aber nicht perfekt, da die Messung der PSF nicht immer m\u00f6glich ist, beispielsweise aufgrund der Dynamik des Streuungselements oder dessen Unzug\u00e4nglichkeit vor dem Visualisierungsverfahren. Mit anderen Worten, es gibt gen\u00fcgend Arbeit. <\/p>\n

In ihrer Arbeit schlagen die Forscher einen anderen Ansatz vor. Sie demonstrieren uns eine Methode zur Umsetzung der multispektralen Visualisierung von Objekten durch ein streuendes Medium unter Verwendung einer einzigen Speckelmessung mit einer monochromatischen Kamera. Im Gegensatz zu anderen Methoden erfordert dieses Verfahren kein Vorwissen \u00fcber die PSF des Systems oder das Spektrum der Quelle.<\/p>\n

Die neue Methode erm\u00f6glicht die Erstellung von hochwertigen Bildern des Zielobjekts in f\u00fcnf gut getrennten spektralen Kan\u00e4len zwischen 450 nm und 750 nm, was durch Berechnungen best\u00e4tigt wurde. In der Praxis gelang es jedoch bisher, die Visualisierung von drei gut getrennten spektralen Kan\u00e4len zwischen 450 nm und 650 nm sowie sechs benachbarten spektralen Kan\u00e4len zwischen 515 nm und 575 nm zu erreichen.<\/p>\n

Funktionsprinzip der neuen Methode<\/h3>\n

\n\"Das
\nBild Nr. 1: Lampe \u2014 r\u00e4umlicher Lichtmodulator \u2014 Streuungselement (mit Irisblende) \u2014 kodierende Blende \u2014 Prisma \u2014 optisches Relais (Visualisierung 1:1) \u2014 monochromatische Kamera.<\/i><\/p>\n

Die Forscher heben drei grundlegende Elemente jeder Visualisierung durch ein Streuungselement hervor: das Objekt von Interesse (entweder von au\u00dfen beleuchtet oder selbstleuchtend), das Streuungselement und den Detektor.<\/p>\n

Wie in den standardm\u00e4\u00dfigen ME-Systemen wird in dieser Untersuchung ein Objekt betrachtet, dessen Winkelgr\u00f6\u00dfe sich innerhalb des Sichtfelds der ME und in einem Abstand von u hinter dem Streuungselement befindet. Nach der Wechselwirkung mit dem Streuungselement breitet sich das Licht \u00fcber einen Abstand v aus, bevor es den Detektor erreicht. <\/p>\n

Die herk\u00f6mmliche ME-Visualisierung verwendet Standardkameras, w\u00e4hrend in diesem Verfahren ein Modul mit einem codierenden Detektor eingesetzt wird, das aus einer codierenden Blende und einem von der Wellenl\u00e4nge abh\u00e4ngigen optischen Element besteht. Ziel dieses Elements ist die einzigartige Modulation jedes spektralen Kanals, bevor sie zusammengef\u00fchrt und im monochromen Detektor umgewandelt werden.<\/p>\n

So wurde anstelle einer einfachen Messung des niederkontrastigen Spektra, dessen spektrale Kan\u00e4le untrennbar gemischt sind, ein spektral multiplexiertes Signal aufgezeichnet, das sich gut zur Trennung eignet.<\/p>\n

Die Forscher betonen erneut, dass ihre Methode keine im Voraus bekannten Eigenschaften oder Annahmen bez\u00fcglich des Streuers oder der Lichtquelle erfordert.<\/p>\n

Nach der Durchf\u00fchrung der vorl\u00e4ufigen Messungen des multiplexierten Spektra wurde ein bekanntes T\u03bb-Wert (ein kodierendes Muster, das von der Wellenl\u00e4nge abh\u00e4ngt) verwendet, um das Spektrum in jedem spektralen Band individuell zu rekonstruieren.<\/p>\n

In ihrem Werk verwendeten die Wissenschaftler in der Phase der Berechnungen und Modellierungen bestimmte Methoden des maschinellen Lernens, die dazu beitragen k\u00f6nnen, eine zuvor nicht betrachtete Methode zu realisieren. Zuallererst wurde das Lernen von Merkmalen einer sp\u00e4rlichen Matrix verwendet, um das Spektrum darzustellen. <\/p>\n

Merkmalslernen*<\/b> \u2014 erm\u00f6glicht es dem System, automatisch die Darstellungen zu finden, die erforderlich sind, um Merkmale der Eingangsdaten zu identifizieren.<\/p><\/blockquote>\n

Infolgedessen wurde eine Datenbank erstellt, die auf Speckle-Bildern aus verschiedenen Messkonfigurationen trainiert wurde. Diese Datenbank ist ausreichend verallgemeinert und unabh\u00e4ngig von den spezifischen Objekten und Streuern, die an der Generierung der Maske I\u03bbx,y beteiligt sind. Mit anderen Worten, das System wird auf der Grundlage eines Streuers trainiert, der nicht in der experimentellen Konfiguration verwendet wird, d.h. das System hat keinen Zugang zu ihm, wie es sich die Forscher w\u00fcnschten.<\/p>\n

F\u00fcr die Erfassung von Speckle-Bildern bei jeder Wellenl\u00e4nge wurde der OMP-Algorithmus (orthogonal matching pursuit<\/i>).<\/p>\n

Schlie\u00dflich wurden die Bilder des Objekts erhalten, indem die Autokorrelation jedes spektralen Kanals unabh\u00e4ngig berechnet und die Autokorrelation bei jeder Wellenl\u00e4nge invertiert wurde. Die erhaltenen Bilder bei jeder Wellenl\u00e4nge werden dann kombiniert, um ein farbiges Bild des Objekts zu erstellen.<\/p>\n

\"Das
\nBild Nr. 2: Schritt-f\u00fcr-Schritt-Prozess zur Erstellung des Objektbildes.
\nDiese Methode, so die Sch\u00f6pfer, trifft keine Annahmen \u00fcber Korrelationen zwischen den spektralen Kan\u00e4len und erfordert lediglich die Annahme, dass der Wert der Wellenl\u00e4nge ausreichend zuf\u00e4llig ist. Dar\u00fcber hinaus ben\u00f6tigt diese Methode nur Informationen \u00fcber den kodierenden Detektor, wobei sie auf die vorherige Kalibrierung der kodierenden Apertur und eine vortrainierte Datenbibliothek vertraut. Solche Merkmale machen diese Visualisierungsmethode sehr universell und nicht-invasiv. <\/p>\n

Simulationsergebnisse<\/h3>\n

\nZu Beginn betrachten wir die Ergebnisse der Simulation. <\/p>\n

\"Das
\nBild Nr. 3<\/i><\/p>\n

Das obige Bild zeigt Beispiele eines multispektralen Bildes von zwei Objekten, die durch einen Streuungseffekt aufgenommen wurden. Die obere Reihe zeigt 3a<\/b> das Objekt von Interesse, bestehend aus mehreren Zahlen, die sowohl in falschen Farben als auch nach spektralen Kan\u00e4len angezeigt werden. Bei der Darstellung des Objekts in falschen Farben wird das Intensit\u00e4tsprofil jeder Wellenl\u00e4nge im CIE 1931 RGB-Raum angezeigt.<\/p>\n

Das rekonstruierte Objekt (untere Reihe in 3a<\/b>) sowohl in falschen Farben als auch aus der Sicht der einzelnen spektralen Kan\u00e4le zeigt, dass die Methode eine ausgezeichnete Visualisierung bietet und nur eine geringe Kreuzinteraktion zwischen den spektralen Kan\u00e4len aufweist, die im Prozess keine wesentliche Rolle spielt.<\/p>\n

Nach Erhalt des rekonstruierten Objekts, d.h. nach der Visualisierung, musste der Grad der Genauigkeit bewertet werden, indem die spektrale Intensit\u00e4t (durchschnittlich \u00fcber alle hellen Pixel) des tats\u00e4chlichen Objekts und des rekonstruierten Objekts verglichen wurde (3b<\/b>).<\/p>\n

Auf den Bildern 3c<\/b> sind das reale Objekt (obere Reihe) und das rekonstruierte Bild (untere Reihe) f\u00fcr eine Zelle aus dem St\u00e4ngel der Baumwolle abgebildet. In 3d<\/b> wird die Genauigkeitsanalyse der Visualisierung gezeigt.<\/p>\n

Um die Genauigkeit der Visualisierung zu bewerten, mussten die Werte des strukturellen \u00c4hnlichkeitskoeffizienten (SSIM) und das Spitzenverh\u00e4ltnis von Signal zu Rauschen (pSNR) des tats\u00e4chlichen Objekts f\u00fcr jeden spektralen Kanal berechnet werden.<\/p>\n

\"Das
\n
\nDie obige Tabelle zeigt, dass jeder der f\u00fcnf Kan\u00e4le einen SSIM-Wert von 0,8\u20130,9 und einen PSNR von \u00fcber 20 aufweist. Daraus folgt, dass trotz des niedrigen Kontrasts des Specksignals die \u00dcberlagerung auf den Detektor von f\u00fcnf Spektralstreifen mit einer Breite von 10 nm die r\u00e4umlich-spektralen Eigenschaften des untersuchten Objekts ausreichend genau rekonstruiert. Mit anderen Worten, das Verfahren funktioniert, jedoch sind dies lediglich Ergebnisse der Modellierung. Zur vollst\u00e4ndigen \u00dcberzeugung in ihrem Vorgehen f\u00fchrten die Wissenschaftler eine Reihe praktischer Experimente durch.<\/p>\n

Ergebnisse der Experimente<\/h3>\n

\nEiner der bedeutendsten Unterschiede zwischen der Modellierung und realen Experimenten ist die Umgebung, d.h. die Bedingungen, unter denen beide durchgef\u00fchrt werden. Im ersteren Fall gibt es kontrollierte Bedingungen, im letzteren \u2014 unvorhersehbare, d.h. wie es kommt.<\/p>\n

Drei Spektralkan\u00e4le mit einer Breite von 8-12 nm wurden betrachtet, die sich im Bereich von 450, 550 und 650 nm zentrieren und in Kombination mit verschiedenen relativen Werten ein breites Farbspektrum erzeugen.<\/p>\n

\"Das
\nAbbildung Nr. 4<\/i><\/p>\n

Das obige Bild zeigt den Vergleich zwischen dem tats\u00e4chlichen Objekt (bunte Buchstabe \u201eH\u201c) und dem rekonstruierten. Die Lichtbelichtungszeit (Belichtung, d.h. Exposition) wurde auf 1800 s festgelegt, was einen SNR im Bereich von 60-70 dB erm\u00f6glichte. Ein solcher SNR-Wert ist laut den Wissenschaftlern nicht extrem wichtig f\u00fcr das Experiment, dient jedoch als zus\u00e4tzliche Best\u00e4tigung der Funktionsf\u00e4higkeit ihrer Methode, insbesondere bei komplexen Objekten. In der Realit\u00e4t, nicht in Laborbedingungen, k\u00f6nnte diese Methode deutlich schneller sein.<\/p>\n

In der obersten Reihe des Bildes Nr. 4 wird das Objekt bei jeder Wellenl\u00e4nge (von links nach rechts) und das tats\u00e4chliche vollfarbige Objekt gezeigt.<\/p>\n

Um in der Visualisierung ein Bild des tats\u00e4chlichen Objekts zu erhalten, wurde eine Machine Vision-Kamera mit den entsprechenden Bandfiltern verwendet, um die spektralen Komponenten direkt darzustellen und ein vollfarbiges Bild durch Summierung der resultierenden spektralen Kan\u00e4le zu erhalten.<\/p>\n

Die zweite Reihe des obigen Bildes zeigt die Autokorrelationsmuster jedes rekonstruierten spektralen Kanals, die multiplexierte Messungen bilden, die Eingangsdaten f\u00fcr die Datenverarbeitungsphase sind.<\/p>\n

Die dritte Reihe ist ein rekonstruiertes Objekt in jedem spektralen Kanal sowie ein rekonstruiertes Vollfarbobjekt, d.h. das Endergebnis der Visualisierung.<\/p>\n

Das Vollfarbbild zeigt, dass auch die relativen Gr\u00f6\u00dfen zwischen den spektralen Kan\u00e4len korrekt sind, da die Farbe des kombinierten rekonstruierten Bildes dem tats\u00e4chlichen Wert entspricht und der SSIM-Wert f\u00fcr jeden Kanal \u00fcber 0,92 liegt.<\/p>\n

Die unterste Reihe best\u00e4rkt diese Aussage, indem sie den Vergleich der Intensit\u00e4t des realen Objekts mit dem rekonstruierten zeigt. Die Daten beider stimmen in allen spektralen Bereichen \u00fcberein.<\/p>\n

Daraus folgt, dass selbst das Vorhandensein von Rauschen und potenziellen Modellierungsfehlern nicht davon abgehalten hat, ein Bild von hoher Qualit\u00e4t zu erhalten, und die Ergebnisse der Experimente stimmten hervorragend mit den Ergebnissen der Modellierung \u00fcberein.<\/p>\n

Das oben beschriebene Experiment wurde unter Ber\u00fccksichtigung der getrennten spektralen Kan\u00e4le durchgef\u00fchrt. Die Wissenschaftler f\u00fchrten ein weiteres Experiment durch, jedoch mit angrenzenden Kan\u00e4len, genauer gesagt mit einem kontinuierlichen spektralen Bereich von 60 nm.<\/p>\n

\"Das
\nAbbildung Nr. 5<\/i><\/p>\n

Als reales Objekt diente der Buchstabe \u201eX\u201c und das Zeichen \u201e+\u201c (5\u0430<\/b>). Das Spektrum des Buchstabens \u201eX\u201c ist relativ gleichm\u00e4\u00dfig und durchg\u00e4ngig \u2013 zwischen 515 und 575 nm, w\u00e4hrend das \u201e+\u201c ein strukturiertes Spektrum hat, das haupts\u00e4chlich zwischen 535 und 575 nm liegt (5b<\/b>). F\u00fcr dieses Experiment betrug die Belichtungszeit 120 s, um das gew\u00fcnschte (wie zuvor) SNR von 70 dB zu erreichen.<\/p>\n

Es wurde auch ein Bandpassfilter mit einer Breite von 60 nm \u00fcber dem gesamten Objekt und ein Tiefpassfilter \u00fcber dem Zeichen \u201e+\u201c verwendet. W\u00e4hrend der Rekonstruktion wird das 60 nm-Spektrum in 6 angrenzende Kan\u00e4le mit einer Breite von 10 nm aufgeteilt (5b<\/b>).<\/p>\n

Wie wir an den Bildern sehen k\u00f6nnen, 5\u0441<\/b>, stimmen die resultierenden Bilder hervorragend mit dem realen Objekt \u00fcberein. Dieses Experiment hat gezeigt, dass das Vorhandensein oder Fehlen von spektralen Korrelationen im gemessenen Speckle keinen Einfluss auf die Effektivit\u00e4t der untersuchten Visualisierungsmethode hat. Die Wissenschaftler sind der Meinung, dass nicht die spektralen Eigenschaften des Objekts, sondern vielmehr die Kalibrierung des Systems und die Details seines kodierenden Detektors eine viel wichtigere Rolle im Visualisierungsprozess, genauer gesagt in dessen Erfolg, spielen.<\/p>\n

Epilog<\/h3>\n

\nIn dieser Arbeit beschrieben die Wissenschaftler eine neue Methode der multispektralen Visualisierung durch einen Streuungsk\u00f6rper. Die Modulation des speckle, abh\u00e4ngig von der Wellenl\u00e4nge, mit Hilfe einer kodierenden Apertur erm\u00f6glichte eine multiplexierte Messung und die Berechnung des Speckles mithilfe des OMP-Algorithmus, der auf maschinellem Lernen basiert. <\/p>\n

Anhand des mehrfarbigen Buchstabens \u201aN\u2018 zeigten die Wissenschaftler, dass die Fokussierung auf f\u00fcnf spektralen Kan\u00e4len, die dem Violetten, Gr\u00fcnen und drei Rott\u00f6nen entsprechen, eine Bildrekonstruktion erm\u00f6glicht, die alle Farben des Originals enth\u00e4lt (Blau, Gelb usw.). <\/p>\n

Laut den Forschern k\u00f6nnte ihre Methodik sowohl in der Medizin als auch in der Astronomie n\u00fctzlich sein. Farbe tr\u00e4gt in beiden Bereichen wichtige Informationen: In der Astronomie \u00fcber die chemische Zusammensetzung der untersuchten Objekte, in der Medizin \u00fcber die molekulare Zusammensetzung von Zellen und Geweben.<\/p>\n

In dieser Phase weisen die Wissenschaftler nur auf ein Problem hin, das Ungenauigkeiten in der Visualisierung verursachen k\u00f6nnte, n\u00e4mlich Modellsierungsfehler. Aufgrund der relativ langen Zeit, die f\u00fcr den Prozess ben\u00f6tigt wird, k\u00f6nnen sich Ver\u00e4nderungen in der Umgebung ergeben, die nicht in der Vorbereitungsphase ber\u00fccksichtigt werden. Es wird jedoch geplant, einen Weg zu finden, um dieses Problem zu mildern, was es erm\u00f6glichen wird, die beschriebene Visualisierungstechnik nicht nur genau, sondern auch unter allen Bedingungen stabil zu machen.<\/p>\n

Freitags Off-Topic:<\/b>

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\nLicht, Farbe, Musik und das Trio der ber\u00fchmtesten blauen \u201aSchl\u00fcmpfe\u2018 der Welt (Blue Man Group).<\/i><\/p>\n

Vielen Dank f\u00fcr Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie ein tolles Wochenende, Leute! \ud83d\ude42<\/p>\n

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\n
Quelle: habr.com<\/a><\/p>","protected":false,"gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"html"}]},"excerpt":{"rendered":"

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F\u00fcr eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Forschungsergebnissen empfehle ich einen Blick auf Bericht der Wissenschaftler<\/a><\/noindex> und Zusatzmaterial<\/a><\/noindex> dazu.<\/p>\n