{"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\/es\/blog\/news\/uvidet-pochti-nevidimoe-eshhe-i-v-tsvete-metodika-vizualizatsii-obektov-cherez-rasseivatel","title":{"rendered":"Ver lo casi invisible, adem\u00e1s en color: metodolog\u00eda de visualizaci\u00f3n de objetos a trav\u00e9s de un dispersor","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

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\nUna de las habilidades m\u00e1s famosas de Superman es la visi\u00f3n de rayos X, que le permite ver \u00e1tomos, observar en la oscuridad y a grandes distancias, adem\u00e1s de ver a trav\u00e9s de objetos. Esta habilidad rara vez se muestra en la pantalla, pero existe. En nuestra realidad, ver a trav\u00e9s de objetos pr\u00e1cticamente opacos tambi\u00e9n es posible utilizando algunos trucos cient\u00edficos. Sin embargo, las im\u00e1genes obtenidas siempre han sido en blanco y negro, hasta hace poco. Hoy exploraremos un estudio en el que cient\u00edficos de la Universidad de Duke (EE.UU.) lograron hacer una imagen en color de objetos ocultos detr\u00e1s de una pared opaca, aplicando un solo pulso de luz. \u00bfQu\u00e9 es esta supertecnolog\u00eda, c\u00f3mo funciona y en qu\u00e9 \u00e1reas puede aplicarse? La presentaci\u00f3n del grupo de investigaci\u00f3n nos lo contar\u00e1. Vamos.<\/a><\/noindex><\/p>\n

Base de la investigaci\u00f3n<\/h3>\n

\nA pesar de todos los posibles \"beneficios\" de la tecnolog\u00eda de visualizaci\u00f3n de objetos en medios dispersivos, existen una serie de problemas en la implementaci\u00f3n de esta tecnolog\u00eda. El principal es el hecho de que las trayectorias de los fotones que atraviesan el dispersor cambian dr\u00e1sticamente, lo que conduce a patrones aleatorios. especkle*<\/i> del otro lado.<\/p>\n

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\nEspeckle*<\/b> es un patr\u00f3n de interferencia aleatorio formado por la interferencia mutua de ondas coherentes que tienen desplazamientos de fase aleatorios y\/o una aleatoria combinaci\u00f3n de intensidad. A menudo se ve como un conjunto de puntos brillantes sobre un fondo oscuro.<\/p><\/blockquote>\n

En los \u00faltimos a\u00f1os, se han desarrollado varias t\u00e9cnicas de visualizaci\u00f3n que permiten sortear los efectos del dispersor y extraer informaci\u00f3n sobre el objeto a partir del patr\u00f3n de especkle. El problema de estas t\u00e9cnicas radica en su limitaci\u00f3n \u2014 es necesario tener cierto conocimiento sobre el objeto, acceso al medio dispersor o al objeto, etc.<\/p>\n

Al mismo tiempo, existe un m\u00e9todo mucho m\u00e1s avanzado, en opini\u00f3n de los cient\u00edficos, la visualizaci\u00f3n con efecto de memoria (ME). Este m\u00e9todo permite visualizar un objeto sin tener conocimiento previo sobre \u00e9l o sobre el medio dispersor. Todos los m\u00e9todos tienen desventajas, como sabemos, y el m\u00e9todo ME no es una excepci\u00f3n. Para obtener patrones de especkle de alto contraste y, por ende, im\u00e1genes m\u00e1s precisas, la iluminaci\u00f3n debe ser de banda estrecha, es decir, menos de 1 nm.<\/p>\n

Tambi\u00e9n es posible eludir las limitaciones del m\u00e9todo ME, pero, de nuevo, estos trucos est\u00e1n relacionados con el acceso a la fuente \u00f3ptica o al objeto antes del dispersor, o con la medici\u00f3n directa. PSF*<\/i>.<\/p>\n

PSF*<\/b> \u2014 funci\u00f3n de dispersi\u00f3n puntual, que describe la imagen que obtienen los sistemas de formaci\u00f3n al observar una fuente de luz puntual o un objeto puntual. <\/p><\/blockquote>\n

Los investigadores consideran que estos m\u00e9todos son funcionales, pero no perfectos, ya que la medici\u00f3n PSF no siempre es posible debido, por ejemplo, a la din\u00e1mica del dispersor o su inaccesibilidad antes del procedimiento de visualizaci\u00f3n. En otras palabras, hay espacio para mejora. <\/p>\n

En su trabajo, los investigadores proponen un enfoque diferente. Nos muestran un m\u00e9todo para implementar la visualizaci\u00f3n multiespectral de objetos a trav\u00e9s de un medio dispersor utilizando una \u00fanica medici\u00f3n de speckle con una c\u00e1mara monocrom\u00e1tica. A diferencia de otros m\u00e9todos, este no requiere conocimientos previos sobre el sistema PSF o el espectro de la fuente.<\/p>\n

El nuevo m\u00e9todo permite crear im\u00e1genes de alta calidad del objeto objetivo en cinco canales espectrales bien separados entre 450 nm y 750 nm, lo cual ha sido confirmado por c\u00e1lculos. Sin embargo, en la pr\u00e1ctica, hasta ahora se ha logrado visualizar tres canales espectrales bien separados entre 450 nm y 650 nm y seis canales espectrales adyacentes entre 515 y 575 nm.<\/p>\n

Principio de funcionamiento del nuevo m\u00e9todo<\/h3>\n

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\nImagen n.\u00ba 1: l\u00e1mpara \u2014 modulador espacial de luz \u2014 dispersor (con diafragma de iris) \u2014 apertura codificadora \u2014 prisma \u2014 rel\u00e9 \u00f3ptico (visualizaci\u00f3n 1:1) \u2014 c\u00e1mara monocrom\u00e1tica.<\/i><\/p>\n

Los investigadores se\u00f1alan tres elementos principales de cualquier visualizaci\u00f3n a trav\u00e9s de un dispersor: el objeto de inter\u00e9s (iluminado externamente o que brilla por s\u00ed mismo), el dispersor y el detector.<\/p>\n

Al igual que en los sistemas ME est\u00e1ndar, en este estudio se considera un objeto cuyo tama\u00f1o angular se encuentra dentro del campo de visi\u00f3n de ME y a una distancia u detr\u00e1s del dispersor. Despu\u00e9s de interactuar con el dispersor, la luz se propaga a una distancia v antes de llegar al detector. <\/p>\n

La visualizaci\u00f3n ME est\u00e1ndar utiliza c\u00e1maras convencionales, pero este m\u00e9todo emplea un m\u00f3dulo de detector codificador, que consiste en una apertura codificadora y un elemento \u00f3ptico dependiente de la longitud de onda. El objetivo de este elemento es modular de manera \u00fanica cada canal espectral antes de su combinaci\u00f3n y conversi\u00f3n en un detector monocrom\u00e1tico.<\/p>\n

As\u00ed, en lugar de simplemente medir un speckle de bajo contraste, cuyos canales espectrales est\u00e1n inextricablemente mezclados, se registr\u00f3 una se\u00f1al espectralmente multiplexada, que es adecuada para la separaci\u00f3n.<\/p>\n

Los investigadores subrayan una vez m\u00e1s que su m\u00e9todo no requiere caracter\u00edsticas ni suposiciones previamente conocidas sobre el dispersor o la fuente de luz.<\/p>\n

Despu\u00e9s de realizar las medidas preliminares del speckle multiplexado, se utiliz\u00f3 un valor conocido de T\u03bb (patr\u00f3n codificador dependiente de la longitud de onda) para la reconstrucci\u00f3n individual de speckle en cada banda espectral.<\/p>\n

En su trabajo, en la fase de c\u00e1lculos y modelado, los cient\u00edficos aplicaron ciertos m\u00e9todos de aprendizaje autom\u00e1tico que pueden ayudar en la implementaci\u00f3n de un m\u00e9todo que no se hab\u00eda abordado anteriormente. En primer lugar, se utiliz\u00f3 el aprendizaje de caracter\u00edsticas de matrices dispersas para representar el speckle. <\/p>\n

Aprendizaje de caracter\u00edsticas*<\/b> \u2014 permite que el sistema encuentre autom\u00e1ticamente las representaciones necesarias para identificar las caracter\u00edsticas de los datos originales.<\/p><\/blockquote>\n

Como resultado, se obtuvo una base entrenada en im\u00e1genes de speckle de diversas configuraciones de mediciones. Esta base es bastante general y no depende de objetos y dispersores espec\u00edficos involucrados en la generaci\u00f3n de la m\u00e1scara I\u03bbx, y. En otras palabras, el sistema se entrena sobre la base de un dispersor que no se utiliza en la configuraci\u00f3n experimental, es decir, el sistema no tiene acceso a \u00e9l, como deseaban los investigadores.<\/p>\n

Para obtener im\u00e1genes de speckle a cada longitud de onda, se utiliz\u00f3 el algoritmo OMP (b\u00fasqueda de coincidencia ortogonal<\/i>).<\/p>\n

Al final, calculando la autocorrelaci\u00f3n de cada canal espectral de manera independiente e invirtiendo la autocorrelaci\u00f3n en cada longitud de onda, se obtuvieron las im\u00e1genes del objeto. Las im\u00e1genes resultantes en cada longitud de onda se combinan luego para crear una imagen de color del objeto.<\/p>\n

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\nImagen \u21162: proceso paso a paso para la creaci\u00f3n de una imagen del objeto.
\nEste m\u00e9todo, seg\u00fan sus creadores, no hace suposiciones sobre las correlaciones entre los canales espectrales y solo requiere suponer que el valor de la longitud de onda es lo suficientemente aleatorio. Adem\u00e1s, este m\u00e9todo solo requiere informaci\u00f3n sobre el detector codificador, bas\u00e1ndose en la calibraci\u00f3n previa de la apertura de codificaci\u00f3n y en una biblioteca de datos previamente entrenada. Estas caracter\u00edsticas hacen que este m\u00e9todo de visualizaci\u00f3n sea bastante vers\u00e1til y no invasivo. <\/p>\n

Resultados de la simulaci\u00f3n<\/h3>\n

\nPara empezar, examinemos los resultados de la simulaci\u00f3n. <\/p>\n

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\nImagen N\u00ba 3<\/i><\/p>\n

La imagen de arriba muestra ejemplos de una captura multiespectral de dos objetos, realizadas a trav\u00e9s de un dispersor. La fila superior en 3a<\/b> contiene el objeto de inter\u00e9s, que consiste en varios n\u00fameros, mostrados tanto en falso color como desglosados por canal espectral. Al construir el objeto en falso color, se muestra el perfil de intensidad de cada longitud de onda en el espacio RGB de CIE 1931.<\/p>\n

El objeto reconstruido (fila inferior en 3a<\/b>) tanto en falso color como desde la perspectiva de los canales espectrales individuales, demuestra que la metodolog\u00eda proporciona una excelente visualizaci\u00f3n y solo una m\u00ednima interacci\u00f3n cruzada entre los canales espectrales, que no juega un papel significativo en el proceso.<\/p>\n

Despu\u00e9s de obtener el objeto reconstruido, es decir, despu\u00e9s de la visualizaci\u00f3n, fue necesario evaluar el grado de precisi\u00f3n, comparando la intensidad espectral (promediada sobre todos los p\u00edxeles brillantes) del objeto real y el reconstruido (3b<\/b>).<\/p>\n

En las im\u00e1genes 3c<\/b> se muestra el objeto real (fila superior) y la imagen reconstruida (fila inferior) de una c\u00e9lula del tallo de algod\u00f3n, y en 3d<\/b> se muestra el an\u00e1lisis de la precisi\u00f3n de la visualizaci\u00f3n.<\/p>\n

Para evaluar la precisi\u00f3n de la visualizaci\u00f3n, fue necesario calcular los valores del coeficiente de similitud estructural (SSIM) y la relaci\u00f3n entre la se\u00f1al y el ruido (pSNR) del objeto real para cada canal espectral.<\/p>\n

\"Ver
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\nLa tabla anterior muestra que cada uno de los cinco canales tiene un coeficiente SSIM de 0.8 a 0.9 y un PSNR superior a 20. Esto indica que, a pesar del bajo contraste de la se\u00f1al speckle, la superposici\u00f3n en el detector de cinco bandas espectrales de 10 nm de ancho permite reconstruir con bastante precisi\u00f3n las propiedades espacio-espectrales del objeto estudiado. En otras palabras, la metodolog\u00eda funciona, aunque estos son solo resultados de simulaci\u00f3n. Para mayor certeza, los cient\u00edficos realizaron una serie de experimentos pr\u00e1cticos.<\/p>\n

Resultados de los experimentos<\/h3>\n

\nUna de las diferencias m\u00e1s significativas entre la simulaci\u00f3n y los experimentos reales es el entorno, es decir, las condiciones en las que se llevan a cabo ambos. En el primer caso, hay condiciones controladas, en el segundo, son impredecibles, es decir, depende de c\u00f3mo salga.<\/p>\n

Se consideraron tres canales espectrales de 8-12 nm de ancho centrados en 450, 550 y 650 nm, que en combinaci\u00f3n con diversas proporciones relativas generan un amplio rango de colores.<\/p>\n

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\nImagen n\u00famero 4<\/i><\/p>\n

La imagen anterior muestra una comparaci\u00f3n entre el objeto real (la letra 'H' multicolor) y el reconstruido. El tiempo de exposici\u00f3n se estableci\u00f3 en 1800 s, lo que permiti\u00f3 obtener un SNR en el rango de 60-70 dB. Este nivel de SNR, seg\u00fan los cient\u00edficos, no es crucial para el experimento, pero sirve como una confirmaci\u00f3n adicional de la viabilidad de su metodolog\u00eda, especialmente en el caso de objetos complejos. En la realidad, y no en condiciones de laboratorio, este m\u00e9todo puede ser significativamente m\u00e1s r\u00e1pido.<\/p>\n

En la fila superior de la imagen N\u00ba4 se muestra el objeto en cada longitud de onda (de izquierda a derecha) y el objeto a color real.<\/p>\n

Para obtener una imagen del objeto real a trav\u00e9s de la visualizaci\u00f3n, se utiliz\u00f3 una c\u00e1mara de visi\u00f3n por computadora con los filtros de banda correspondientes para mostrar directamente los componentes espectrales y obtener una imagen en color completo mediante la suma de los canales espectrales resultantes.<\/p>\n

La segunda fila de la imagen anterior muestra los patrones de autocorrelaci\u00f3n de cada canal espectral reconstruido, que forman mediciones multiplexadas, que son los datos de entrada para la etapa de procesamiento de datos.<\/p>\n

La tercera fila es un objeto reconstruido en cada canal espectral, as\u00ed como un objeto a color reconstruido, es decir, el resultado final de la visualizaci\u00f3n.<\/p>\n

La imagen a color muestra que las magnitudes relativas entre los canales espectrales tambi\u00e9n son correctas, ya que el color de la imagen reconstruida combinada corresponde al valor real, y el coeficiente SSIM supera 0,92 para cada canal.<\/p>\n

La fila m\u00e1s baja valida esta afirmaci\u00f3n, mostrando la comparaci\u00f3n de la intensidad del objeto real y el reconstruido. Los datos de ambos coinciden en todos los rangos espectrales.<\/p>\n

De esto se deduce que incluso la presencia de ruido y posibles errores de modelado no impidieron obtener una imagen de alta calidad, y los resultados de los experimentos se correlacionan perfectamente con los resultados del modelado.<\/p>\n

La experiencia descrita anteriormente se realiz\u00f3 con canales espectrales separados. Los cient\u00edficos llevaron a cabo otro experimento, pero con canales adyacentes, espec\u00edficamente con un rango espectral continuo de 60 nm.<\/p>\n

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\nImagen N\u00ba 5<\/i><\/p>\n

Como objeto real se utiliz\u00f3 la letra 'X' y el signo '+' (5a<\/b>). El espectro de la letra 'X' es relativamente uniforme y continuo, entre 515 y 575 nm, mientras que el '+' tiene un espectro estructurado, predominantemente ubicado entre 535 y 575 nm (5b<\/b>). Para este experimento, la exposici\u00f3n fue de 120 s para alcanzar el deseado (como antes) SNR de 70 dB.<\/p>\n

Tambi\u00e9n se utiliz\u00f3 un filtro de banda de 60 nm sobre todo el objeto y un filtro de paso bajo sobre el signo '+'. Durante la reconstrucci\u00f3n, el espectro de 60 nm se divide en 6 canales adyacentes de 10 nm de ancho (5b<\/b>).<\/p>\n

Como podemos ver en las im\u00e1genes 5c<\/b>, las im\u00e1genes resultantes coinciden perfectamente con el objeto real. Este experimento mostr\u00f3 que la presencia o ausencia de correlaciones espectrales en el speckle medido no afecta la efectividad del m\u00e9todo de visualizaci\u00f3n estudiado. Los propios cient\u00edficos creen que un papel mucho m\u00e1s importante en el proceso de visualizaci\u00f3n, y en su \u00e9xito, lo juegan no tanto las caracter\u00edsticas espectrales del objeto, sino la calibraci\u00f3n del sistema y los detalles de su detector codificador.<\/p>\n

Ep\u00edlogo<\/h3>\n

\nEn este trabajo, los cient\u00edficos describieron un nuevo m\u00e9todo de visualizaci\u00f3n multispectral a trav\u00e9s de un dispersor. La modulaci\u00f3n del speckle, que depende de la longitud de onda, utilizando una apertura codificadora, permiti\u00f3 realizar una medici\u00f3n multiplexada y calcular el speckle mediante un algoritmo OMP basado en aprendizaje autom\u00e1tico. <\/p>\n

A trav\u00e9s de la letra colorida \u00abN\u00bb, los cient\u00edficos demostraron que el enfoque en cinco canales espectrales correspondientes al violeta, verde y tres tonos de rojo permite obtener una reconstrucci\u00f3n de imagen que contiene todos los colores del original (azul, amarillo, etc.). <\/p>\n

Seg\u00fan los investigadores, su metodolog\u00eda puede ser \u00fatil tanto en medicina como en astronom\u00eda. El color transporta informaci\u00f3n crucial en ambas direcciones: en astronom\u00eda, la composici\u00f3n qu\u00edmica de los objetos estudiados; en medicina, la composici\u00f3n molecular de c\u00e9lulas y tejidos.<\/p>\n

En esta etapa, los cient\u00edficos solo se\u00f1alan un problema que puede causar imprecisiones en la visualizaci\u00f3n, que son los errores de modelado. Debido al tiempo relativamente largo requerido para completar el proceso, pueden ocurrir cambios en el entorno que se ajusten adecuadamente, no considerados en la etapa de preparaci\u00f3n. Sin embargo, en el futuro se planea encontrar una manera de mitigar este problema, lo que permitir\u00e1 que el m\u00e9todo de visualizaci\u00f3n descrito sea no solo preciso, sino tambi\u00e9n estable en cualquier condici\u00f3n.<\/p>\n

Off-topic del viernes:<\/b>

\r\n \"Reproducir\r\n
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\nLuz, color, m\u00fasica y el tr\u00edo de los \u00ablocos\u00bb azules m\u00e1s famosos del mundo (Blue Man Group).<\/i><\/p>\n

\u00a1Gracias por su atenci\u00f3n, sigan siendo curiosos y les deseo un excelente fin de semana, chicos! \ud83d\ude42<\/p>\n

\nGracias por seguir con nosotros. \u00bfTe gustan nuestros art\u00edculos? \u00bfQuieres ver m\u00e1s material interesante? Ap\u00f3yanos realizando un pedido o recomend\u00e1ndonos a tus conocidos, 30% de descuento para los usuarios de Habr en una alternativa \u00fanica a los servidores de nivel de entrada, que hemos dise\u00f1ado para usted:<\/b> Toda la verdad sobre VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 n\u00facleos) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps desde $20 o \u00bfc\u00f3mo dividir correctamente un servidor?<\/a><\/noindex> (disponibles opciones con RAID1 y RAID10, hasta 24 n\u00facleos y hasta 40GB DDR4).<\/p>\n

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

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Para una comprensi\u00f3n m\u00e1s detallada de las sutilezas de la investigaci\u00f3n, recomiendo consultar el informe de los cient\u00edficos<\/a><\/noindex> y material adicional<\/a><\/noindex> a ello.<\/p>\n