Superman-en gaitasun ospetsuenetako bat super-ikuspegia da, eta horri esker, atomoak begiratzen zituen, iluntasunean eta distantzia handietan ikusteko eta baita objektuen bidez ikusteko ere. Gaitasun hau oso gutxitan agertzen da pantailan, baina existitzen da. Gure errealitatean, ia erabat opakuak diren objektuak ikustea ere posible da trikimailu zientifiko batzuk erabiliz. Hala ere, lortutako irudiak zuri-beltzean zeuden beti, duela gutxi arte. Duke Unibertsitateko (AEB) zientzialariek horma opako baten atzean ezkutatutako objektuei koloretako argazkia atera ahal izan dieten ikerketa bat aztertuko dugu gaur, argi-esposizio bakarra erabiliz. Zer da super teknologia hau, nola funtzionatzen du eta zein arlotan erabil daiteke? Ikerketa taldearen txostenak horren berri emango digu. Zoaz.
Ikerketaren oinarria
Sakabanatze euskarrietan objektuak bistaratzeko teknologiak izan ditzakeen onura guztiak izan arren, teknologia hori ezartzeko hainbat arazo daude. Sakabanatzailetik igarotzen diren fotoien bideak asko aldatzen direla da nagusia, eta horrek ausazko ereduetara eramaten du. orbanak* Bestalde.
Motxila* ausazko interferentzia-eredu bat da, ausazko fase-aldaketak eta/edo ausazko intentsitate-multzoa dituzten uhin koherenteen elkarrekiko interferentziak. Gehienetan atzealde iluneko puntu argien (puntu) multzo baten itxura du.
Azken urteotan, hainbat irudi-teknika garatu dira sakabanaketa-efektuak saihesteko eta speckle eredutik objektuen informazioa ateratzeko. Teknika hauen arazoa mugak dira: objektuari buruzko ezagutza jakin bat izan behar duzu, sakabanatze bitarteko edo objekturako sarbidea izan, etab.
Aldi berean, zientzialarien arabera askoz metodo aurreratuagoa dago - memoria efektuarekin bistaratzea (ME). Metodo honek objektu bat bistaratzeko aukera ematen du bere buruari edo sakabanaketa-euskarriari buruz aldez aurretik ezagutu gabe. Denek dituzte gabeziak, dakigunez, eta ME metodoa ez da salbuespena. Kontraste handiko speckle-ereduak eta, horren arabera, irudi zehatzagoak lortzeko, argiztapenak banda estua izan behar du, hau da. 1 nm baino gutxiago.
ME metodoaren mugak gainditzea ere posible da, baina berriro ere trikimailu hauek difusorearen aurretik iturri edo objektu optikora sartzea edo zuzenean neurtzea dakar. PSF*.
PSF* - puntu-hedapen-funtzioa, irudi-sistemak argi-iturri puntual bat edo objektu puntual bat behatzean jasotzen duen irudia deskribatzen duena.
Ikertzaileek metodo horiei bideragarriak deitzen dizkiete, baina ez perfektuak, PSF neurtzea ez baita beti posible, adibidez, sakabanaketa-dinamikaren edo irudi-prozeduraren aurretik duen eskuragarritasunik ezaren ondorioz. Beste era batera esanda, badago zer lantzeko.
Beren lanean, ikertzaileek beste ikuspegi bat proposatzen dute. Sakabanatze-euskarri baten bidez objektuen espektro anitzeko irudiak egiteko metodo bat erakusten digute, kamera monokromo batekin speckle neurketa bakarra erabiliz. Beste teknika batzuek ez bezala, honek ez du PSF sistemaren edo iturburuaren espektroaren aldez aurretiko ezagutzarik behar.
Metodo berriak helburu-objektuaren kalitate handiko irudiak ekoizten ditu 450 nm eta 750 nm artean ondo bereizita dauden bost kanal espektraletan, eta hori kalkuluek baieztatu zuten. Praktikan, orain arte ondo bereizitako hiru kanal espektral 450 nm eta 650 nm artean eta ondoan dauden sei kanal espektral 515 eta 575 nm artean ikusteko aukera izan da.
Metodo berriak nola funtzionatzen duen
1. irudia: lanpara - argi-moduladore espaziala - difusore (iris diafragmarekin) - kode-irekidura - prisma - errele optikoa (1:1 bistaratzea) - kamera monokromoa.
Ikertzaileek edozein irudi-difusorearen oinarrizko hiru elementu nabarmentzen dituzte: interesgarri den objektua (kanpo argiztatua edo autoargitsua), difusorea eta detektagailua.
ME sistemetan bezala, ikerketa honek ME ikus-eremuaren barruan eta difusorearen atzetik u distantziara dagoen objektu bat hartzen du kontuan. Difusorearekin elkarreragin ondoren, argiak v distantzia bat egiten du detektagailura iritsi aurretik.
ME konbentzionalak kamera estandarrak erabiltzen ditu, baina metodo honek kodetze-detektagailu-modulu bat erabiltzen du, kodetze irekiduraz eta uhin-luzeraren menpeko elementu optiko batez osatua. Elementu honen helburua kanal espektral bakoitza modu berezian modulatzea da, horiek konbinatu eta detektagailu monokromo batean bihurtu aurretik.
Horrela, kanal espektralak ezinbestean nahasten diren kontraste baxuko specklea neurtu beharrean, espektralki multiplexatutako seinalea grabatu zen, bereizteko oso egokia dena.
Ikertzaileek berriro ere azpimarratzen dute haien metodoak ez duela behar difusoreari edo argi-iturriaren inguruan aurrez ezagutzen diren ezaugarririk edo hipotesirik.
Multiplexatutako specklearen aurretiazko neurketak egin ondoren, TΞ»-ren balio ezaguna (uhin-luzeraren araberako kodetze-eredua) erabili zen banda espektral bakoitzean speckle banaka berreraikitzeko.
Beren lanean, kalkulu eta modelizazio fasean, zientzialariek ikaskuntza automatikoko zenbait metodo erabili zituzten, aurretik kontuan hartu gabeko metodo bat inplementatzen lagun dezaketenak. Lehenik eta behin, specklea irudikatzeko matrizearen ezaugarri urriko ikaskuntza erabili zen.
Ezaugarrien ikaskuntza* β Iturburuko datuen ezaugarriak identifikatzeko beharrezkoak diren irudikapenak automatikoki aurkitzeko aukera ematen dio sistemari.
Emaitza hainbat neurketa-konfiguraziotako speckle irudietan trebatutako datu-base bat izan zen. Oinarri hau nahiko orokortua da eta ez dago IΞ»x, y maskaren sorreran parte hartzen duten objektu eta sakabanatzaile espezifikoen menpe. Beste era batera esanda, konfigurazio esperimentalean erabiltzen ez den difusore batean oinarrituta entrenatzen da sistema, hau da. sistemak ez du horretarako sarbiderik, ikertzaileek nahi zuten bezala.
OMP algoritmoa erabili zen uhin-luzera bakoitzean speckle irudiak lortzeko (bat etortze ortogonala).
Azkenik, kanal espektral bakoitzaren autokorrelazioa modu independentean kalkulatuz eta uhin-luzera bakoitzean autokorrelazioa alderantziztuz, objektuaren irudiak lortu ziren. Ondoren, uhin-luzera bakoitzean sortzen diren irudiak konbinatzen dira objektuaren kolorezko irudi bat sortzeko.
2. irudia: objektu baten irudia osatzeko urratsez urratseko prozesua.
Teknika honek, bere sortzaileen arabera, ez du hipotesirik egiten kanal espektralen arteko korrelazioei buruz eta uhin-luzeraren balioa nahiko ausazkoa dela suposatzea baino ez du eskatzen. Gainera, metodo honek kodetze-detektagailuari buruzko informazioa baino ez du behar, kodetze irekiduraren aurre-kalibrazioan eta aurrez prestatutako datu-liburutegian oinarrituz. Ezaugarri horiek irudikatzeko metodo hau oso polifazetikoa eta ez-inbaditzailea bihurtzen dute.
Simulazioaren emaitzak
Lehenik eta behin, ikus ditzagun simulazioaren emaitzak.
Irudia #3
Goiko irudian difusore batetik ateratako bi objekturen espektro anitzeko irudi baten adibideak erakusten dira. Goiko errenkadan 3a hainbat zenbakiz osatutako objektu interesgarri bat dauka, kolore faltsuz eta kanal espektralaren arabera banatuta. Objektu bat kolore faltsuan marraztean, uhin-luzera bakoitzaren intentsitate-profila CIE 1931 RGB espazioan bistaratzen da.
Berreraikitako objektua (beheko lerroan 3a) bai kolore faltsuetan, bai banakako kanal espektralei dagokienez, frogatzen du teknikak bisualizazio bikaina eta kanal espektralen arteko diafonia txikia eskaintzen duela, eta horrek ez du prozesu berezirik betetzen.
Berreraikitako objektua jaso ondoren, hau da. Errendatu ondoren, zehaztasun-maila ebaluatu behar izan zen objektu errealaren intentsitate espektrala (pixel distiratsu guztien batez bestekoa) eta berreraikitakoa alderatuz (3b).
Irudietan 3c benetako objektu bat (goiko errenkada) eta berreraikitako irudi bat (beheko lerroa) erakusten ditu kotoizko zelula ama baterako, eta 3d bistaratzeko zehaztasunaren analisia erakusten da.
Irudiaren zehaztasuna ebaluatzeko, beharrezkoa izan zen egiturazko antzekotasun indizea (SSIM) balioak eta objektu errealaren seinale-zarata erlazio gorena (pSNR) kalkulatzea kanal espektral bakoitzeko.
Goiko taulak erakusten du bost kanaletako bakoitzak 0,8-0,9ko SSIM koefizientea eta 20 baino gehiagoko PSNR bat duela. Hortik ondorioztatzen da speckle-seinalearen kontraste txikia izan arren, 10 nm-ko zabalera duten bost banda espektral gainjartzea. detektagailuak aztertzen ari den objektuaren propietate espazial-espektralak berreraikitze nahiko zehatza ahalbidetzen du. Beste era batera esanda, teknikak funtzionatzen du, baina simulazio emaitzak baino ez dira. Beren lanean konfiantza osoa lortzeko, zientzialariek esperimentu praktiko batzuk egin zituzten.
Emaitza esperimentalak
Simulazioaren eta benetako esperimentuen arteko desberdintasun esanguratsuenetako bat ingurunea da, hau da. biak egiteko baldintzak. Lehenengo kasuan baldintza kontrolatuak daude, bigarrenean ezusteko baldintzak daude, hau da. ikusiko dugu nola doan.
8, 12 eta 450 nm-tan zentratuta 550-650 nm-ko zabalera duten hiru kanal espektral kontuan hartu ziren, zeinak, magnitude erlatibo desberdinekin konbinatuta, kolore sorta zabala sortzen dutenak.
Irudia #4
Goiko irudiak objektu errealaren ("H" kolore anitzekoa) eta berreraikitakoaren arteko konparazioa erakusten du. Argiaren esposizio-denbora (obturadorearen abiadura, hau da, esposizioa) 1800 s-an ezarri zen, eta horri esker, 60-70 dB bitarteko SNR bat lortu zen. SNR adierazle hau, zientzialarien arabera, ez da oso garrantzitsua esperimenturako, baina haien teknikaren errendimenduaren berrespen gehigarri gisa balio du, batez ere objektu konplexuen kasuan. Errealitatean, eta ez laborategiko baldintzetan, metodo hau magnitude ordena azkarragoa izan daiteke.
#4 irudiaren goiko errenkadak objektua uhin-luzera bakoitzean (ezkerretik eskuinera) eta kolore osoko objektu erreala erakusten ditu.
Irudien ondorioz objektu errealaren irudia lortzeko, ordenagailu bidezko ikusmen-kamera bat erabili zen banda-iragazki egokiekin osagai espektralak zuzenean irudikatzeko eta sortutako kanal espektralak batuz kolore osoko irudia lortzeko.
Goiko irudiaren bigarren errenkadak berreraikitako kanal espektral bakoitzaren autokorrelazio ereduak erakusten ditu, datuak prozesatzeko faserako sarrera diren multiplexatutako neurketak osatuz.
Hirugarren lerroa kanal espektral bakoitzean berreraikitako objektua da, baita kolore osoko objektu berreraikitua ere, hau da. bistaratzeko azken emaitza.
Kolore osoko irudiak erakusten du kanal espektralen arteko magnitude erlatiboak ere zuzenak direla, berreraikitako irudi konbinatuaren kolorea balio errealarekin bat datorrelako eta SSIM koefizientea 0,92 baino handiagoa da kanal bakoitzeko.
Beheko errenkadak baieztapen hori baieztatzen du, objektu errealaren eta berreraikitakoaren intentsitatearen konparazioa erakutsiz. Bietako datuak bat datoz tarte espektral guztietan.
Hortik ondorioztatzen da zarata eta modelizazio akats potentzialak egoteak ere ez zigula eragotzi kalitate handiko irudia lortzea, eta emaitza esperimentalak ondo erlazionatu ziren modelizazio emaitzekin.
Goian deskribatutako esperimentua bereizitako kanal espektralak kontuan hartuz egin da. Zientzialariek beste esperimentu bat egin zuten, baina oraingoan ondoko kanalekin, edo hobeto esanda, 60 nm-ko tarte espektral jarraituarekin.
Irudia #5
Benetako objektua "X" letra eta "+" zeinua ziren (5a). "X" letraren espektroa nahiko uniformea ββeta jarraitua da - 515 eta 575 nm artean, baina "+" espektro egituratua du, batez ere 535 eta 575 nm artean kokatuta (5b). Esperimentu honetarako, esposizioa 120 s-koa izan zen, nahi den (lehen bezala) 70 dB-ko SNR lortzeko.
60 nm zabaleko banda-iragazkia ere erabili zen objektu osoan zehar eta behe-iragazkia "+" zeinuaren gainean. Berreraikuntzan, 60 nm-ko espektroa ondoko 6 kanaletan banatzen da 10 nm-ko zabalera dutenak (5b).
Irudietan ikus dezakegunez 5c, ondoriozko irudiak adostasun bikaina dute benetako objektuarekin. Esperimentu honek erakutsi zuen neurtutako specklean korrelazio espektralak egoteak edo ezak ez duela eragiten aztergai dugun irudi-teknikaren eraginkortasunean. Zientzialariek berek uste dute bistaratzeko prozesuan, edo hobeto esanda, bere arrakastan paper handiagoa ez dela objektuaren ezaugarri espektralek jokatzen dutela sistemaren kalibrazioak eta kodetze-detektagailuaren xehetasunak.
Ikerketaren Γ±abardurei buruzko informazio zehatzagoa lortzeko, begiratzea gomendatzen dut ΠΈ berari.
Epilogoa
Lan honetan, zientzialariek difusore baten bidez espektral anitzeko irudiak egiteko metodo berri bat deskribatu zuten. Uhin-luzeraren araberako speckle modulazioak kodetze irekidura erabiliz neurketa multiplexatu bakarra eta speckle kalkulua ahalbidetu zituen ikaskuntza automatikoan oinarritutako OMP algoritmoa erabiliz.
"H" kolore anitzeko letra adibide gisa erabiliz, zientzialariek erakutsi zuten bioleta, berdea eta hiru tonu gorriari dagozkion bost kanal espektraletan zentratzeak jatorrizko kolore guztiak dituen irudiaren berreraikuntza bat lortzeko aukera ematen duela (urdina, horia, etab.).
Ikertzaileen arabera, haien teknika baliagarria izan daiteke bai medikuntzan bai astronomian. Koloreak informazio garrantzitsua darama bi norabideetan: astronomian - aztertzen ari diren objektuen konposizio kimikoa, medikuntzan - zelulen eta ehunen konposizio molekularra.
Fase honetan, zientzialariek bistaratzeko zehaztasun ezak sor ditzakeen arazo bakarra ikusten dute: modelizazio akatsak. Prozesua burutzeko behar den denbora luze samarra dela eta, ingurunean aldaketak gerta daitezke, prestaketa fasean kontuan hartu ez ziren doikuntzak sartuko dituztenak. Dena den, etorkizunean arazo hori arintzeko modua bilatzeko asmoa dugu, eta horrek deskribatutako irudi-teknika zehatza ez ezik, egonkorra ere izango du edozein baldintzatan.
Ostirala off-top:
Argiak, kolorea, musika eta munduko bitxi urdin ospetsuenen hirukotea (Blue Man Group).
Eskerrik asko irakurtzeagatik, egon jakin-mina eta ondo pasa asteburua lagunok! π
Eskerrik asko gurekin geratzeagatik. Gustuko dituzu gure artikuluak? Eduki interesgarri gehiago ikusi nahi? Lagun iezaguzu eskaera bat eginez edo lagunei gomendatuz, % 30eko deskontua Habr erabiltzaileentzat sarrera-mailako zerbitzarien analogo berezi batean, guk zuk asmatu duguna: (RAID1 eta RAID10-ekin erabilgarri, 24 nukleoraino eta 40 GB DDR4 arte).
Dell R730xd 2 aldiz merkeagoa? Hemen bakarrik Herbehereetan! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 $-tik aurrera! Irakurri buruz
Iturria: www.habr.com