Einn frægasti hæfileiki Superman er ofursjón, sem gerði honum kleift að horfa á frumeindir, sjá í myrkri og yfir miklar fjarlægðir og jafnvel sjá í gegnum hluti. Þessi hæfileiki er afar sjaldan sýndur á skjánum, en hann er til. Í raunveruleika okkar er líka hægt að sjá í gegnum næstum algjörlega ógagnsæa hluti með því að nota nokkur vísindaleg brellur. Hins vegar voru myndirnar sem fengust alltaf í svarthvítu, þar til nýlega. Í dag munum við skoða rannsókn þar sem vísindamenn frá Duke háskólanum (Bandaríkjunum) gátu tekið litmynd af hlutum sem voru faldir á bak við ógegnsæjan vegg með einni birtulýsingu. Hver er þessi ofurtækni, hvernig virkar hún og á hvaða sviðum er hægt að nota hana? Skýrsla rannsóknarhópsins mun segja okkur frá þessu. Farðu.
Rannsóknargrundvöllur
Þrátt fyrir alla hugsanlega kosti tækninnar til að sjá hluti í dreifingarmiðlum, þá eru ýmis vandamál við innleiðingu þessarar tækni. Aðalatriðið er sú staðreynd að slóðir ljóseinda sem fara í gegnum dreifarann breytast mikið, sem leiðir til tilviljunarkenndra mynsturs. blettir* hinum megin.
Flekkur* er tilviljunarkennt truflunarmynstur sem myndast af gagnkvæmri truflun samhangandi bylgna sem hafa handahófskenndar fasaskiptingar og/eða tilviljunarkennd styrkleika. Oftast lítur það út eins og sett af ljósum blettum (punktum) á dökkum bakgrunni.
Á undanförnum árum hafa nokkrar myndgreiningaraðferðir verið þróaðar til að sniðganga dreifiáhrif og draga upplýsingar um hluti úr flekkamynstrinu. Vandamálið við þessar aðferðir eru takmarkanir þeirra - þú þarft að hafa ákveðna þekkingu á hlutnum, hafa aðgang að dreifingarmiðlinum eða hlutnum osfrv.
Á sama tíma er til mun fullkomnari aðferð, að sögn vísindamanna - sjónræn með minnisáhrifum (ME). Þessi aðferð gerir þér kleift að sjá hlut án fyrirframþekkingar um sjálfan sig eða dreifingarmiðilinn. Allir hafa galla eins og við vitum og ME aðferðin er engin undantekning. Til að fá flekamynstur með mikilli birtuskil og þar af leiðandi nákvæmari myndir þarf lýsingin að vera þröngband, þ.e. minna en 1 nm.
Það er líka hægt að svindla á takmörkunum ME aðferðarinnar, en aftur fela þessi brögð í sér að fá aðgang að ljósgjafanum eða hlutnum á undan dreifaranum, eða mæla beint PSF*.
PSF* - punktdreifingaraðgerð sem lýsir myndinni sem myndgreiningarkerfið fær þegar horft er á punktljósgjafa eða punkthlut.
Vísindamenn kalla þessar aðferðir framkvæmanlegar, en ekki fullkomnar, þar sem PSF mælingar eru ekki alltaf mögulegar, td vegna gangverks dreifandans eða óaðgengis hans fyrir myndatöku. Með öðrum orðum, það er eitthvað til að vinna í.
Í vinnu sinni leggja rannsakendur til aðra nálgun. Þeir sýna okkur aðferð til að framkvæma fjölrófsmynd af hlutum í gegnum dreifingarmiðil með því að nota einni flekkmælingu með einlita myndavél. Ólíkt öðrum aðferðum krefst þetta ekki fyrri þekkingar á PSF kerfinu eða upprunarófinu.
Nýja aðferðin framleiðir hágæða myndir af markhlutnum í fimm vel aðskildum litrófsrásum á milli 450 nm og 750 nm, sem var staðfest með útreikningum. Í reynd hefur hingað til verið hægt að sjá fyrir sér þrjár vel aðskildar litrófsrásir á milli 450 nm og 650 nm og sex aðliggjandi litrófsrásir á milli 515 og 575 nm.
Hvernig nýja aðferðin virkar
Mynd nr. 1: lampi - staðbundinn ljósstýribúnaður - dreifi (með lithimnu) - kóðunarop - prisma - sjónræn gengi (1:1 sjónmynd) - einlita myndavél.
Vísindamenn benda á þrjá grunnþætti hvers kyns dreifingarmyndagerðar: hlutinn sem áhugaverður er (upplýstur að utan eða sjálflýsandi), dreifarinn og skynjarinn.
Eins og í stöðluðum ME kerfum tekur þessi rannsókn til greina hlut sem hornastærð hans er innan ME sjónsviðsins og í fjarlægð u fyrir aftan dreifarann. Eftir að hafa samskipti við dreifarann fer ljósið um vegalengd v áður en það nær skynjaranum.
Hefðbundin ME myndgreining notar venjulegar myndavélar, en þessi aðferð notar kóðunarskynjaraeiningu sem samanstendur af kóðunaropi og bylgjulengdarháðum sjónhluta. Tilgangur þessa þáttar er að stilla hverja litrófsrás á einstakan hátt áður en hún sameinar þau og breytir þeim í einlita skynjara.
Þannig að í stað þess að mæla einfaldlega litrófsflögur þar sem litrófsrásir eru órjúfanlega blandaðar var litrófsmargfaldað merki tekið upp, sem hentar vel til aðskilnaðar.
Rannsakendur leggja enn og aftur áherslu á að aðferð þeirra krefst ekki fyrirfram þekktra eiginleika eða forsendna um dreifarann eða ljósgjafann.
Eftir að hafa gert bráðabirgðamælingar á margfalda flekknum, var þekkt gildi Tλ (bylgjulengdarháð kóðamynstur) notað til að endurbyggja flekkinn í hverju litrófsbandi fyrir sig.
Í vinnu sinni, á stigi útreikninga og líkanagerðar, notuðu vísindamenn ákveðnar vélanámsaðferðir sem geta hjálpað til við að innleiða áður óhugsaða aðferð. Í fyrsta lagi var dreifður grunnþáttanám notað til að tákna flekk.
Eiginleikanám* — gerir kerfinu kleift að finna sjálfkrafa þær framsetningar sem nauðsynlegar eru til að bera kennsl á eiginleika upprunagagnanna.
Niðurstaðan var gagnagrunnur sem var þjálfaður á flekkmyndum úr ýmsum mælistillingum. Þessi grunnur er nokkuð almennur og er ekki háður sérstökum hlutum og dreifingaraðilum sem taka þátt í myndun grímunnar Iλx, y. Með öðrum orðum, kerfið er þjálfað út frá diffuser sem er ekki notaður í tilraunauppsetningu, þ.e. kerfið hefur ekki aðgang að því eins og rannsakendur vildu.
OMP reikniritið var notað til að fá flekkamyndir á hverri bylgjulengd (hornrétt samsvörun leit).
Að lokum, með því að reikna út sjálfsfylgni hverrar litrófsrásar sjálfstætt og snúa sjálffylgni við hverja bylgjulengd, fengust myndir af hlutnum. Myndirnar sem myndast á hverri bylgjulengd eru síðan sameinaðar til að búa til litmynd af hlutnum.
Mynd nr. 2: skref-fyrir-skref ferlið við að semja mynd af hlut.
Þessi tækni, samkvæmt höfundum hennar, gerir engar forsendur um fylgni milli litrófsrása og krefst þess aðeins að bylgjulengdargildið sé nokkuð tilviljunarkennt. Að auki krefst þessi aðferð aðeins upplýsingar um kóðunarskynjarann, sem treystir á forkvörðun kóðunaropsins og forþjálfaðs gagnasafns. Þessir eiginleikar gera þessa myndgreiningaraðferð mjög fjölhæfa og ekki ífarandi.
Niðurstöður eftirlíkingar
Í fyrsta lagi skulum við skoða niðurstöður uppgerðarinnar.
Mynd #3
Myndin hér að ofan sýnir dæmi um fjölrófsmynd af tveimur hlutum sem tekin eru í gegnum dreifarann. Efsta röð á 3 inniheldur áhugaverðan hlut sem samanstendur af nokkrum tölum, sýndar bæði í fölskum lit og sundurliðaðar eftir litrófsrásum. Þegar hlutur er teiknaður í fölskum lit er styrkleiki hverrar bylgjulengdar sýndur í CIE 1931 RGB rými.
Endurgerður hlutur (neðri röð á 3) bæði í fölskum lit og hvað varðar einstakar litrófsrásir, sýnir að tæknin veitir frábæra sjónmynd og aðeins minniháttar víxlrás milli litrófsrása, sem gegnir ekki sérstöku hlutverki í ferlinu.
Eftir að hafa fengið endurgerða hlutinn, þ.e. Eftir myndgerð var nauðsynlegt að meta nákvæmni með því að bera saman litrófsstyrk (meðaltali yfir alla bjarta pixla) raunverulegs hlutar og þess endurbyggða (3b).
Í myndunum 3c sýnir raunverulegan hlut (efri röð) og endurgerða mynd (neðri röð) fyrir bómullarstofnfrumu, og í 3d greining á nákvæmni sjónmynda er sýnd.
Til að meta nákvæmni myndgreiningarinnar var nauðsynlegt að reikna út SSIM gildin og hámarksmerkja- og hávaðahlutfallið (pSNR) raunverulegs hlutar fyrir hverja litrófsrás.
Taflan hér að ofan sýnir að hver af rásunum fimm hefur SSIM-stuðul 0,8–0,9 og PSNR meira en 20. Af því leiðir að þrátt fyrir litla birtuskil flekkamerksins, er samsetning fimm litrófsbanda með breidd 10 nm á skynjaranum gerir ráð fyrir nokkuð nákvæmri endurgerð staðbundinna litrófseiginleika hlutarins sem verið er að rannsaka. Með öðrum orðum, tæknin virkar, en þetta eru aðeins uppgerð niðurstöður. Til að öðlast fullkomið traust á starfi sínu gerðu vísindamenn röð hagnýtra tilrauna.
Niðurstöður tilrauna
Einn markverðasti munurinn á uppgerð og raunverulegum tilraunum er umhverfið, þ.e. aðstæður þar sem hvort tveggja er framkvæmt. Í fyrra tilvikinu eru stýrðar aðstæður, í því seinna eru ófyrirsjáanlegar aðstæður, þ.e. við sjáum hvernig það fer.
Skoðaðar voru þrjár litrófsrásir með 8–12 nm breidd með miðju við 450, 550 og 650 nm, sem, þegar þær eru sameinaðar með mismunandi hlutfallslegum stærðum, mynda mikið úrval af litum.
Mynd #4
Myndin hér að ofan sýnir samanburð á raunverulegum hlut (hinu marglita "H") og endurgerða hlutnum. Lýsingartími ljóssins (lokarahraði, þ.e. lýsing) var stilltur á 1800 s, sem gerði það mögulegt að fá SNR á bilinu 60-70 dB. Þessi SNR vísir, samkvæmt vísindamönnum, er ekki mjög mikilvægur fyrir tilraunina, en þjónar sem viðbótar staðfesting á frammistöðu tækni þeirra, sérstaklega þegar um flókna hluti er að ræða. Í raun og veru, og ekki við aðstæður á rannsóknarstofu, getur þessi aðferð verið hraðari í stærðargráðu.
Efsta röð myndar #4 sýnir hlutinn á hverri bylgjulengd (frá vinstri til hægri) og raunverulegan litahlutinn.
Til að ná mynd af hinum raunverulega hlut vegna myndatöku, var tölvusjónmyndavél notuð með viðeigandi bandpass síum til að mynda beint litrófshlutana og fá mynd í fullri lit með því að leggja saman litrófsrásirnar sem myndast.
Önnur röð myndarinnar hér að ofan sýnir sjálfsfylgnimynstur hverrar endurbyggðrar litrófsrásar sem myndar margfeldismælingar sem eru inntakið í gagnavinnslustigið.
Þriðja röðin er endurgerði hluturinn í hverri litrófsrás, sem og endurgerði fulllitahluturinn, þ.e. endanleg niðurstaða sjónmynda.
Fulllita myndin sýnir að hlutfallsleg stærð milli litrófsrása er einnig rétt, þar sem liturinn á sameinuðu endurgerðu myndinni passar við raunverulegt gildi og SSIM stuðullinn nær meira en 0,92 fyrir hverja rás.
Neðsta röðin staðfestir þessa fullyrðingu og sýnir samanburð á styrkleika raunverulegs hlutar og hins endurbyggða. Gögnin frá báðum falla saman á öllum litrófssviðum.
Það leiðir af þessu að jafnvel nærvera hávaða og hugsanlegra líkanavillna kom ekki í veg fyrir að við næðum hágæða mynd og tilraunaniðurstöðurnar voru í góðu samhengi við reiknilíkananiðurstöðurnar.
Tilraunin sem lýst er hér að ofan var framkvæmd með hliðsjón af aðskildum litrófsrásum. Vísindamennirnir gerðu aðra tilraun, en í þetta sinn með aðliggjandi rásum, eða öllu heldur með samfelldu litrófsviði upp á 60 nm.
Mynd #5
Raunverulegi hluturinn var bókstafurinn „X“ og táknið „+“ (5). Litróf bókstafsins „X“ er tiltölulega einsleitt og samfellt - á milli 515 og 575 nm, en „+“ hefur uppbyggt litróf, aðallega staðsett á milli 535 og 575 nm (5b). Fyrir þessa tilraun var útsetningin 120 s til að ná æskilegu (eins og áður) SNR 70 dB.
Einnig var notuð 60 nm breið bandpassasía yfir allan hlutinn og lágpassasía yfir „+“ merkið. Við endurgerð er 60 nm litrófinu skipt í 6 aðliggjandi rásir með breidd 10 nm (5b).
Eins og við sjáum af myndunum 5, myndirnar sem myndast eru í frábæru samræmi við raunverulegan hlut. Þessi tilraun sýndi að tilvist eða fjarvera litrófsfylgni í mældum flekki hefur ekki áhrif á virkni myndgreiningartækninnar sem verið er að rannsaka. Vísindamenn telja sjálfir að miklu stærra hlutverki í sjónmyndunarferlinu, eða öllu heldur í velgengni þess, gegni ekki svo miklu litrófseiginleikum hlutarins heldur af kvörðun kerfisins og smáatriðum kóðunarskynjarans.
Fyrir frekari upplýsingar um blæbrigði rannsóknarinnar mæli ég með að skoða и til hans.
Eftirmáli
Í þessari vinnu lýstu vísindamenn nýrri aðferð við fjölrófsmyndatöku í gegnum dreifara. Bylgjulengdarháð flekamótun með kóðunaropi gerði einni margfalda mælingu og flekaútreikninga með því að nota OMP reiknirit sem byggir á vélanámi kleift.
Með því að nota marglita bókstafinn „H“ sem dæmi sýndu vísindamenn að einblína á fimm litrófsrásir sem samsvara fjólubláum, grænum og þremur rauðum tónum gerir manni kleift að fá endurgerð myndarinnar sem inniheldur alla liti frumritsins (blár, blár, gult osfrv.).
Að sögn vísindamannanna getur tækni þeirra nýst bæði í læknisfræði og stjörnufræði. Litur ber mikilvægar upplýsingar í báðar áttir: í stjörnufræði - efnasamsetningu hlutanna sem verið er að rannsaka, í læknisfræði - sameindasamsetningu frumna og vefja.
Á þessu stigi benda vísindamenn aðeins á eitt vandamál sem getur valdið ónákvæmni í sjónmyndum: líkanavillur. Vegna þess að það tekur nokkuð langan tíma að ljúka ferlinu geta breytingar orðið á umhverfi sem leiða til lagfæringa sem ekki var tekið tillit til á undirbúningsstigi. Hins vegar, í framtíðinni, ætlum við að finna leið til að draga úr þessu vandamáli, sem mun gera lýst myndgreiningartækni ekki aðeins nákvæm, heldur einnig stöðug við allar aðstæður.
Föstudagur off-top:
Ljós, litir, tónlist og tríó af frægustu bláu furðudýrum heims (Blue Man Group).
Takk fyrir að lesa, vertu forvitin og eigið frábæra helgi krakkar! 🙂
Þakka þér fyrir að vera hjá okkur. Líkar þér við greinarnar okkar? Viltu sjá meira áhugavert efni? Styðjið okkur með því að leggja inn pöntun eða mæla með því við vini, 30% afsláttur fyrir Habr notendur á einstökum hliðstæðum upphafsþjónum, sem var fundið upp af okkur fyrir þig: (fáanlegt með RAID1 og RAID10, allt að 24 kjarna og allt að 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 sinnum ódýrari? Aðeins hér í Hollandi! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - frá $99! Lestu um
Heimild: www.habr.com