{"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\/it\/blog\/novosti-interneta\/uvidet-pochti-nevidimoe-eshhe-i-v-tsvete-metodika-vizualizatsii-obektov-cherez-rasseivatel","title":{"rendered":"Vedere l'invisibile, e anche a colori: una metodologia di visualizzazione degli oggetti tramite diffondimento","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

\"Vedere
\n
\nUna delle capacit\u00e0 pi\u00f9 famose di Superman \u00e8 la visione a raggi X, che gli consentiva di vedere atomi, scorgere nel buio e a lunghe distanze, e persino di guardare attraverso gli oggetti. Questa abilit\u00e0 viene raramente mostrata sugli schermi, ma esiste. Nella nostra realt\u00e0, vedere attraverso oggetti praticamente opachi \u00e8 possibile anche qui, usando alcuni trucchi scientifici. Tuttavia, le immagini ottenute sono sempre state in bianco e nero, fino a poco tempo fa. Oggi esploreremo uno studio in cui scienziati dell'Universit\u00e0 di Duke (USA) sono riusciti a realizzare un'immagine a colori di oggetti nascosti dietro una parete opaca, utilizzando un'unica esposizione alla luce. Di che si tratta, come funziona e in quali aree pu\u00f2 essere applicata? Ce lo dir\u00e0 il rapporto del gruppo di ricerca. Andiamo.<\/a><\/noindex><\/p>\n

La base della ricerca<\/h3>\n

\nNonostante tutti i possibili \u00abbenefit\u00bb della tecnologia di visualizzazione degli oggetti in ambienti diffusi, ci sono diverse problematiche nella realizzazione di questa tecnologia. La principale \u00e8 il fatto che i percorsi dei fotoni che attraversano il diffusore cambiano notevolmente, portando a modelli casuali. sp\u00e9cchio*<\/i> dall'altra parte.<\/p>\n

\"Vedere
\nSpecchio*<\/b> \u00e8 un'immagine di interferenza casuale, formata dall'interferenza reciproca di onde coerenti che presentano spostamenti di fase casuali e\/o un insieme casuale di intensit\u00e0. Si presenta pi\u00f9 spesso come un insieme di punti luminosi su uno sfondo scuro.<\/p><\/blockquote>\n

Negli ultimi anni sono state sviluppate diverse tecniche di visualizzazione, che consentono di bypassare gli effetti dello scattering ed estrarre informazioni sull'oggetto dal disegno dello specchio. Il problema di queste tecniche \u00e8 la loro limitatezza: \u00e8 necessario possedere certe conoscenze sull'oggetto, avere accesso all'ambiente dispersivo o all'oggetto stesso, ecc.<\/p>\n

Allo stesso tempo, esiste un metodo ritenuto molto pi\u00f9 avanzato dagli scienziati: la visualizzazione con effetto memoria (ME). Questo metodo consente di visualizzare un oggetto senza conoscenze preliminari riguardo a esso o all'ambiente dispersivo. Tutte le tecniche hanno i loro svantaggi, come sappiamo, e il metodo ME non fa eccezione. Per ottenere schemi di speckle ad alto contrasto e quindi immagini pi\u00f9 precise, l'illuminazione deve essere a banda stretta, cio\u00e8 inferiore a 1 nm.<\/p>\n

\u00c8 possibile aggirare le limitazioni del metodo ME, ma, nuovamente, questi trucchi riguardano l'accesso alla sorgente ottica o all'oggetto prima del diffusore oppure alla misurazione diretta. PSF*<\/i>.<\/p>\n

PSF*<\/b> \u2014 \u00e8 la funzione di diffusione del punto, che descrive l'immagine che il sistema di formazione ottiene osservando una sorgente luminosa puntiforme o un oggetto puntiforme. <\/p><\/blockquote>\n

I ricercatori considerano questi metodi validi, ma non perfetti, poich\u00e9 la misurazione della PSF non \u00e8 sempre possibile, ad esempio a causa della dinamicit\u00e0 del diffusore o della sua inaccessibilit\u00e0 prima della procedura di visualizzazione. In altre parole, c'\u00e8 ancora lavoro da fare. <\/p>\n

Nel loro lavoro, i ricercatori propongono un approccio diverso. Ci mostrano un metodo di realizzazione di visualizzazione multispettrale di oggetti attraverso un mezzo diffondente, utilizzando una misurazione speckle con una camera monocromatica. A differenza di altre metodologie, questa non richiede conoscenze preliminari sulla PSF del sistema o sullo spettro della sorgente.<\/p>\n

Il nuovo metodo consente di creare immagini di alta qualit\u00e0 dell'oggetto target in cinque canali spettrali ben separati tra 450 nm e 750 nm, come confermato dai calcoli. Nella pratica, finora \u00e8 stato possibile visualizzare tre canali spettrali ben separati tra 450 nm e 650 nm e sei canali spettrali adiacenti tra 515 e 575 nm.<\/p>\n

Principio di funzionamento del nuovo metodo<\/h3>\n

\n\"Vedere
\nImmagine n. 1: lampada \u2014 modulatoro spaziale della luce \u2014 diffonditore (con diaframma a iride) \u2014 apertura di codifica \u2014 prisma \u2014 rel\u00e8 ottico (visualizzazione 1:1) \u2014 camera monocromatica.<\/i><\/p>\n

I ricercatori evidenziano tre elementi fondamentali di qualsiasi visualizzazione tramite un diffonditore: oggetto di interesse (illuminato dall'esterno o che emette luce autonomamente), diffonditore e rivelatore.<\/p>\n

Come nei sistemi ME standard, in questo studio si considera un oggetto di dimensioni angolari situato all'interno del campo visivo del ME e a una distanza u dietro il diffonditore. Dopo l'interazione con il diffonditore, la luce si diffonde per una distanza v prima di raggiungere il rivelatore. <\/p>\n

La visualizzazione ME convenzionale utilizza telecamere standard, mentre in questo metodo si impiega un modulo di rilevamento codificante, composto da un'apertura codificante e un elemento ottico a lunghezza d'onda variabile. L'obiettivo di questo elemento \u00e8 la modulazione unica di ciascun canale spettrale prima della loro fusione e trasformazione in un rivelatore monocrHomatico.<\/p>\n

Pertanto, invece di una semplice misurazione di uno spettro a bassa contrasto, i cui canali spettrali sono indissolubilmente mischiati, \u00e8 stata registrata una segnale spettralmente multiplexato, adatto per una separazione efficace.<\/p>\n

I ricercatori sottolineano ancora una volta che il loro metodo non richiede alcuna conoscenza preventiva delle caratteristiche o delle ipotesi riguardanti il disperditore o la sorgente luminosa.<\/p>\n

Dopo aver effettuato misurazioni preliminari dello spettro multiplexato, \u00e8 stato utilizzato un valore noto di T\u03bb (pattern codificante a lunghezza d'onda) per ricostruire individualmente lo spettro in ciascuna banda spettrale.<\/p>\n

Nel loro lavoro sulla fase di calcolo e modellazione, gli scienziati hanno applicato determinati metodi di apprendimento automatico, in grado di contribuire alla realizzazione di un metodo non precedentemente considerato. In particolare, \u00e8 stato utilizzato l'apprendimento delle caratteristiche di una matrice sparsa per rappresentare il segnale di diffrazione. <\/p>\n

Apprendimento delle caratteristiche*<\/b> \u2014 consente al sistema di trovare automaticamente le rappresentazioni necessarie per identificare i segnali nei dati di origine.<\/p><\/blockquote>\n

Di conseguenza, \u00e8 stata ottenuta una base addestrata su immagini di segnale di diffrazione da varie configurazioni di misurazione. Questa base \u00e8 abbastanza generica e non dipende da oggetti specifici e da diffusori coinvolti nella generazione della maschera I\u03bbx, y. In altre parole, il sistema viene addestrato sulla base di un diffusore che non \u00e8 utilizzato nella configurazione sperimentale, ovvero il sistema non ha accesso a esso, come desideravano i ricercatori.<\/p>\n

Per ottenere immagini di segnale di diffrazione a ogni lunghezza d'onda, \u00e8 stato utilizzato l'algoritmo OMP (orthogonal matching pursuit<\/i>).<\/p>\n

Alla fine, calcolando l'autocorrelazione di ciascun canale spettrale in modo indipendente e invertendo l'autocorrelazione su ciascuna lunghezza d'onda, sono state ottenute immagini dell'oggetto. Le immagini ottenute a ciascuna lunghezza d'onda vengono quindi combinate per creare un'immagine a colori dell'oggetto.<\/p>\n

\"Vedere
\nImmagine n. 2: processo graduale di composizione dell'immagine dell'oggetto.
\nQuesta metodologia, secondo i suoi creatori, non fa supposizioni sulle correlazioni tra i canali spettrali e richiede solo l'assunzione che il valore della lunghezza d'onda sia sufficientemente casuale. Inoltre, questo metodo richiede solo informazioni sul rivelatore di codifica, basandosi sulla calibrazione preliminare dell'apertura di codifica e su una biblioteca di dati pre-addestrata. Queste caratteristiche rendono questo metodo di visualizzazione molto universale e non invasivo. <\/p>\n

Risultati della simulazione<\/h3>\n

\nIniziamo esaminando i risultati della simulazione. <\/p>\n

\"Vedere
\nImmagine n. 3<\/i><\/p>\n

Nell'immagine sopra sono mostrati esempi di acquisizioni multispettrali di due oggetti, effettuate attraverso uno scattering. La fila superiore su 3a<\/b> contiene un oggetto di interesse composto da pi\u00f9 numeri, visualizzati sia in falsi colori che suddivisi per canale spettrale. Nella costruzione dell'oggetto in falsi colori, viene visualizzato il profilo di intensit\u00e0 di ciascuna lunghezza d'onda nello spazio RGB CIE 1931.<\/p>\n

L'oggetto ricostruito (row inferiore su 3a<\/b>) sia in falsi colori che in termini dei singoli canali spettrali, dimostra che la metodologia fornisce un'ottima visualizzazione e solo una lieve interazione crociata tra i canali spettrali, che non gioca un ruolo significativo nel processo.<\/p>\n

Dopo aver ottenuto l'oggetto ricostruito, cio\u00e8 dopo la visualizzazione, era necessario valutare il grado di accuratezza confrontando l'intensit\u00e0 spettrale (mediata su tutti i pixel luminosi) dell'oggetto reale e di quello ricostruito (3b<\/b>).<\/p>\n

Nelle immagini 3c<\/b> sono mostrati l'oggetto reale (row superiore) e l'immagine ricostruita (row inferiore) per una cellula di fusto di cotone, e su 3d<\/b> viene mostrata l'analisi dell'accuratezza della visualizzazione.<\/p>\n

Per valutare l'accuratezza della visualizzazione, \u00e8 stato necessario calcolare i valori del coefficiente di somiglianza strutturale (SSIM) e del rapporto di picco segnale-rumore (pSNR) dell'oggetto reale per ciascun canale spettrale.<\/p>\n

\"Vedere
\n
\nLa tabella sopra mostra che ciascuno dei cinque canali ha un coefficiente SSIM compreso tra 0,8 e 0,9 e un PSNR superiore a 20. Questo implica che, nonostante il basso contrasto del segnale speckle, la sovrapposizione su un rilevatore di cinque bande spettrali di 10 nm di larghezza consente di ricostruire abbastanza accuratamente le propriet\u00e0 spaziali e spettrali dell'oggetto in esame. In altre parole, la metodologia funziona, ma questi sono solo risultati di simulazione. Per maggiore sicurezza, gli scienziati hanno condotto una serie di esperimenti pratici.<\/p>\n

Risultati degli esperimenti<\/h3>\n

\nUna delle differenze pi\u00f9 significative tra la simulazione e gli esperimenti reali \u00e8 l'ambiente, ossia le condizioni in cui entrambi vengono condotti. Nel primo caso ci sono condizioni controllate, nel secondo \u2014 imprevedibili, cio\u00e8 come verr\u00e0.<\/p>\n

Sono stati esaminati tre canali spettrali con larghezza di 8-12 nm, centrati a 450, 550 e 650 nm, che, combinati con diverse grandezze relative, generano un ampio spettro di colori.<\/p>\n

\"Vedere
\nImmagine n. 4<\/i><\/p>\n

L'immagine sopra mostra un confronto tra l'oggetto reale (la lettera \u00abH\u00bb colorata) e quello ricostruito. Il tempo di esposizione \u00e8 stato impostato a 1800 s, il che ha permesso di ottenere un rapporto segnale\/rumore (SNR) compreso tra 60 e 70 dB. Questo valore di SNR, secondo gli scienziati, non \u00e8 estremamente cruciale per l'esperimento, ma consente di confermare ulteriormente la validit\u00e0 della loro metodologia, soprattutto nel caso di oggetti complessi. In realt\u00e0, al di fuori delle condizioni di laboratorio, questo metodo pu\u00f2 risultare di gran lunga pi\u00f9 veloce.<\/p>\n

Nella fila superiore dell'immagine n. 4, viene mostrato l'oggetto su ogni lunghezza d'onda (da sinistra a destra) e un oggetto a colori reali.<\/p>\n

Per ottenere un'immagine fedele di un oggetto nella visualizzazione, \u00e8 stata utilizzata una fotocamera di visione artificiale con filtri a bande adeguati per rappresentare direttamente i componenti spettrali e ottenere un'immagine a colori sommando i canali spettrali risultanti.<\/p>\n

La seconda riga dell'immagine sopra mostra i modelli di autocorrelazione di ciascun canale spettrale ricostruito, che formano misurazioni multiplexate, le quali costituiscono i dati in ingresso per la fase di elaborazione dei dati.<\/p>\n

La terza riga mostra l'oggetto ricostruito in ciascun canale spettrale, cos\u00ec come l'oggetto ricostruito a colori, ovvero il risultato finale della visualizzazione.<\/p>\n

L'immagine a colori mostra che le grandezze relative tra i canali spettrali sono anch'esse corrette, poich\u00e9 il colore dell'immagine ricostruita combinata corrisponde al valore reale, e il coefficiente SSIM supera 0,92 per ciascun canale.<\/p>\n

L'ultima riga conferma questa affermazione, dimostrando il confronto tra l'intensit\u00e0 di un oggetto reale e quella ricostruita. I dati di entrambi coincidono in tutti i campi spettrali.<\/p>\n

Da ci\u00f2 si deduce che anche la presenza di rumore e potenziali errori di modellazione non hanno impedito di ottenere un'immagine di alta qualit\u00e0, e i risultati degli esperimenti si allineano perfettamente con i risultati della modellazione.<\/p>\n

L'esperimento sopra descritto \u00e8 stato condotto tenendo conto dei canali spettrali separati. Gli scienziati hanno effettuato un ulteriore esperimento, ma con canali adiacenti, precisamente con un intervallo spettrale continuo di 60 nm.<\/p>\n

\"Vedere
\nImmagine n. 5<\/i><\/p>\n

Come oggetti reali sono state utilizzate la lettera \u00abX\u00bb e il segno \u00ab+\u00bb (5a<\/b>). Lo spettro della lettera \u00abX\u00bb \u00e8 relativamente uniforme e continuo \u2014 tra 515 e 575 nm, mentre il \u00ab+\u00bb ha uno spettro strutturato, prevalentemente situato tra 535 e 575 nm (5b<\/b>). Per questo esperimento, l'esposizione \u00e8 stata di 120 secondi per raggiungere il desiderato (come in precedenza) SNR di 70 dB.<\/p>\n

\u00c8 stato utilizzato anche un filtro a banda di 60 nm su tutto l'oggetto e un filtro passa-basso sopra il segno \u00ab+\u00bb. Durante la ricostruzione, lo spettro di 60 nm viene suddiviso in 6 canali adiacenti di larghezza 10 nm (5b<\/b>).<\/p>\n

Come possiamo vedere dalle immagini 5\u0441<\/b>, le immagini risultanti si accordano perfettamente con l'oggetto reale. Questo esperimento ha dimostrato che la presenza o l'assenza di correlazioni spettrali nello speckle misurato non influisce sull'efficacia della metodologia di visualizzazione esaminata. Gli scienziati stessi ritengono che un ruolo molto pi\u00f9 importante nel processo di visualizzazione, e ancor pi\u00f9 nel suo successo, sia giocato non tanto dalle caratteristiche spettrali dell'oggetto, quanto dalla calibrazione del sistema e dai dettagli del suo rivelatore codificante.<\/p>\n

Epilogo<\/h3>\n

\nIn questo lavoro, gli scienziati hanno descritto un nuovo metodo di visualizzazione multispettrale tramite scatterer. La modulazione dello speckle, che dipende dalla lunghezza d'onda, tramite un'apertura codificante ha permesso di eseguire una singola misurazione multiplexata e calcolare lo speckle utilizzando un algoritmo OMP basato sull'apprendimento automatico. <\/p>\n

Attraverso l'esempio della lettera \u00abH\u00bb colorata, i ricercatori hanno dimostrato che concentrarsi su cinque canali spettrali, corrispondenti al viola, al verde e a tre tonalit\u00e0 di rosso, consente di ottenere una ricostruzione dell'immagine contenente tutti i colori dell'originale (blu, giallo, ecc.). <\/p>\n

Secondo i ricercatori, la loro metodologia potrebbe essere utile sia in medicina che in astronomia. Il colore porta con s\u00e9 informazioni importanti in entrambi i settori: in astronomia, la composizione chimica degli oggetti studiati, in medicina, la composizione molecolare di cellule e tessuti.<\/p>\n

In questa fase, i ricercatori segnalano solo un problema che potrebbe causare imprecisioni nella visualizzazione: gli errori di modellazione. A causa del lungo tempo necessario per completare il processo, potrebbero verificarsi cambiamenti nell'ambiente circostante che non sono stati considerati nella fase di preparazione. Tuttavia, in futuro si prevede di trovare un modo per attenuare questo problema, rendendo cos\u00ec la metodologia di visualizzazione non solo accurata, ma anche stabile in qualsiasi condizione.<\/p>\n

Off-topic del venerd\u00ec:<\/b>

\r\n \"Riproduci\r\n
<\/div>\r\n <\/div><\/center>
\nLuce, colore, musica e il trio dei pi\u00f9 famosi \"strambi\" blu al mondo (Blue Man Group).<\/i><\/p>\n

Grazie per l'attenzione, rimanete curiosi e buon weekend a tutti, ragazzi! \ud83d\ude42<\/p>\n

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

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Questa capacit\u00e0 \u00e8 estremamente rara nei film, ma esiste. Nella nostra realt\u00e0, \u00e8 possibile vedere attraverso oggetti praticamente opachi utilizzando alcuni trucchi scientifici. Tuttavia, le immagini ottenute sono sempre","canonical_url":"https:\/\/prohoster.info\/it\/blog\/novosti-interneta\/uvidet-pochti-nevidimoe-eshhe-i-v-tsvete-metodika-vizualizatsii-obektov-cherez-rasseivatel","robots":"max-image-preview:large","keywords":"","webmasterTools":{"miscellaneous":""},"schema":null,"og:locale":"it_IT","og:site_name":"ProHoster | \u041a\u0443\u043f\u0438\u0442\u044c \u043d\u0430\u0434\u0435\u0436\u043d\u044b\u0439 \u0445\u043e\u0441\u0442\u0438\u043d\u0433 \u0434\u043b\u044f \u0441\u0430\u0439\u0442\u043e\u0432 \u0441 \u0437\u0430\u0449\u0438\u0442\u043e\u0439 \u043e\u0442 DDoS, VPS VDS \u0441\u0435\u0440\u0432\u0435\u0440\u044b","og:type":"article","og:title":"\ud83e\udd47\u0423\u0432\u0438\u0434\u0435\u0442\u044c \u043f\u043e\u0447\u0442\u0438 \u043d\u0435\u0432\u0438\u0434\u0438\u043c\u043e\u0435, \u0435\u0449\u0435 \u0438 \u0432 \u0446\u0432\u0435\u0442\u0435: \u043c\u0435\u0442\u043e\u0434\u0438\u043a\u0430 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Per una comprensione pi\u00f9 approfondita delle sfumature della ricerca, consiglio di dare un'occhiata a un rapporto degli scienziati<\/a><\/noindex> e materiali supplementari<\/a><\/noindex> ad esso.<\/p>\n