לראות את הכמעט בלתי נראה, גם בצבע: טכניקה להמחשת אובייקטים דרך מפזר

אחת היכולות המפורסמות ביותר של סופרמן היא ראיית העל, שאפשרה לו להסתכל על אטומים, לראות בחושך ולמרחקים גדולים, ואפילו לראות דרך חפצים. יכולת זו מוצגת לעתים רחוקות ביותר על המסך, אך היא קיימת. במציאות שלנו, אפשר גם לראות דרך חפצים אטומים כמעט לחלוטין באמצעות כמה טריקים מדעיים. עם זאת, התמונות שהתקבלו היו תמיד בשחור-לבן, עד לאחרונה. היום נסתכל על מחקר שבו מדענים מאוניברסיטת דיוק (ארה"ב) הצליחו לצלם צילום צבעוני של עצמים המוסתרים מאחורי קיר אטום באמצעות חשיפה לאור יחידה. מהי טכנולוגיית העל הזו, איך היא פועלת ובאילו תחומים ניתן להשתמש בה? הדו"ח של קבוצת המחקר יספר לנו על כך. ללכת.

בסיס מחקר

למרות כל היתרונות האפשריים של הטכנולוגיה להמחשת אובייקטים במדיה פיזורת, ישנן מספר בעיות ביישום טכנולוגיה זו. העיקרית שבהן היא העובדה שנתיבי הפוטונים העוברים דרך המפזר משתנים מאוד, מה שמוביל לדפוסים אקראיים כתמים* בצד השני.

רְבָב* הוא דפוס התאבכות אקראי הנוצר על ידי הפרעה הדדית של גלים קוהרנטיים שיש להם הזזות פאזה אקראיות ו/או סט אקראי של עוצמה. לרוב זה נראה כמו קבוצה של כתמים בהירים (נקודות) על רקע כהה.

בשנים האחרונות פותחו מספר טכניקות הדמיה כדי לעקוף אפקטים של פיזור ולחלץ מידע על אובייקטים מתבנית הכתמים. הבעיה עם הטכניקות הללו היא המגבלות שלהן - אתה צריך להיות בעל ידע מסוים על האובייקט, גישה למדיום או לאובייקט הפיזור וכו'.

יחד עם זאת, קיימת שיטה הרבה יותר מתקדמת, לדברי מדענים - ויזואליזציה עם אפקט זיכרון (ME). שיטה זו מאפשרת לדמיין אובייקט ללא ידע מוקדם על עצמו או על המדיום המפזר. לכולם יש חסרונות, כידוע, ושיטת ME אינה יוצאת דופן. כדי להשיג דפוסי כתמים בעלי ניגודיות גבוהה ובהתאם, תמונות מדויקות יותר, התאורה חייבת להיות צר פס, כלומר. פחות מ-1 ננומטר.

אפשר גם להערים על המגבלות של שיטת ME, אבל שוב הטריקים האלה כוללים גישה למקור האופטי או לאובייקט לפני המפזר, או מדידה ישירה PSF*.

PSF* - פונקציית פיזור נקודה המתארת ​​את התמונה שמערכת ההדמיה מקבלת בעת התבוננות במקור אור נקודתי או באובייקט נקודתי.

חוקרים מכנים את השיטות הללו מעשיות, אך לא מושלמות, שכן מדידת PSF לא תמיד אפשרית, למשל, בגלל הדינמיקה של המפזר או חוסר הנגישות שלו לפני הליך ההדמיה. במילים אחרות, יש על מה לעבוד.

בעבודתם מציעים החוקרים גישה אחרת. הם מראים לנו שיטה למימוש הדמיה רב-ספקטרלית של עצמים באמצעות מדיום פיזור באמצעות מדידת כתמים אחת עם מצלמה מונוכרום. בניגוד לטכניקות אחרות, זה לא מצריך ידע מוקדם של מערכת ה-PSF או ספקטרום המקור.

השיטה החדשה מייצרת תמונות באיכות גבוהה של אובייקט המטרה בחמישה ערוצים ספקטרליים מופרדים היטב בין 450 ננומטר ל-750 ננומטר, מה שאושר על ידי חישובים. בפועל, עד כה ניתן היה לדמיין שלושה ערוצים ספקטרליים מופרדים היטב בין 450 ננומטר ל-650 ננומטר ושישה ערוצים ספקטרליים צמודים בין 515 ל-575 ננומטר.

איך השיטה החדשה עובדת

תמונה מס' 1: מנורה - מאפנן אור מרחבי - מפזר (עם סרעפת קשתית) - צמצם קידוד - פריזמה - ממסר אופטי (הדמיה 1:1) - מצלמה מונוכרום.

החוקרים מציינים שלושה אלמנטים בסיסיים של כל הדמיית מפזר: האובייקט המעניין (מואר חיצוני או מאיר עצמי), המפזר והגלאי.

כמו במערכות ME סטנדרטיות, מחקר זה מתייחס לאובייקט שגודלו הזוויתי ממוקם בתוך שדה הראייה ME ובמרחק u מאחורי המפזר. לאחר אינטראקציה עם המפזר, האור עובר מרחק v לפני שהוא מגיע לגלאי.

הדמיית ME קונבנציונלית משתמשת במצלמות סטנדרטיות, אך שיטה זו משתמשת במודול גלאי קידוד המורכב מצמצם קידוד ואלמנט אופטי תלוי אורך גל. מטרת אלמנט זה היא לווסת באופן ייחודי כל ערוץ ספקטרלי לפני שילובם והמרתם לגלאי מונוכרום.

לפיכך, במקום פשוט למדוד כתמים בעלי ניגודיות נמוכה שערוצים הספקטרליים שלו מעורבים בל יינתק, נרשם אות מרובב ספקטרלית, המתאים היטב להפרדה.

החוקרים מדגישים שוב כי השיטה שלהם אינה דורשת מאפיינים ידועים מראש או הנחות לגבי המפזר או מקור האור.

לאחר ביצוע מדידות ראשוניות של הכתם המרובה, הערך הידוע של Tλ (תבנית קידוד תלויה באורך גל) שימש לשחזור בנפרד את הכתם בכל פס ספקטרלי.

בעבודתם, בשלב החישובים והמודלים, השתמשו מדענים בשיטות מסוימות של למידת מכונה שיכולות לסייע ביישום שיטה שלא נחשבה בעבר. ראשית, למידת תכונות מטריצה ​​דלילה שימשה לייצוג כתמים.

לימוד תכונות* - מאפשר למערכת למצוא באופן אוטומטי את הייצוגים הדרושים לזיהוי תכונות של נתוני המקור.

התוצאה הייתה מסד נתונים מאומן על תמונות כתמים מתצורות מדידה שונות. בסיס זה מוכלל למדי ואינו תלוי באובייקטים ובמפזרים ספציפיים המשתתפים ביצירת המסכה Iλx, y. במילים אחרות, המערכת מאומנת על בסיס מפזר שאינו בשימוש בתצורה הניסיונית, כלומר. למערכת אין גישה אליו, כפי שרצו החוקרים.

נעשה שימוש באלגוריתם OMP כדי להשיג תמונות כתמים בכל אורך גל (חיפוש אחר התאמה אורתוגונלית).

לבסוף, על ידי חישוב האוטוקורלציה של כל ערוץ ספקטרלי באופן עצמאי והיפוך האוטוקורלציה בכל אורך גל, התקבלו תמונות של האובייקט. התמונות המתקבלות בכל אורך גל משולבות לאחר מכן כדי ליצור תמונה צבעונית של האובייקט.

תמונה מס' 2: תהליך שלב אחר שלב של חיבור תמונה של אובייקט.
טכניקה זו, לדברי יוצריה, אינה מניחה הנחות לגבי מתאמים בין ערוצים ספקטרליים ורק דורשת הנחה שערך אורך הגל הוא אקראי למדי. בנוסף, שיטה זו דורשת רק מידע על גלאי הקידוד, בהסתמך על כיול מראש של צמצם הקידוד וספריית נתונים מאומנת מראש. מאפיינים אלו הופכים את שיטת ההדמיה הזו לרב-תכליתית ולא פולשנית.

תוצאות סימולציה

ראשית, בואו נסתכל על תוצאות הסימולציה.

תמונה מס' 3

התמונה למעלה מציגה דוגמאות לתמונה רב-ספקטרלית של שני אובייקטים שצולמו דרך מפזר. שורה עליונה על 3а מכיל אובייקט של עניין המורכב ממספר מספרים, המוצגים הן בצבע כוזב והן בחלוקה לפי ערוץ ספקטרלי. כאשר מתווים אובייקט בצבע כוזב, פרופיל העוצמה של כל אורך גל מוצג בחלל CIE 1931 RGB.

אובייקט משוחזר (בשורה התחתונה 3а) הן בצבע כוזב והן במונחים של ערוצים ספקטרליים בודדים, מראה שהטכניקה מספקת הדמיה מצוינת והצלבה מינורית בלבד בין ערוצים ספקטרליים, שאינה ממלאת תפקיד מיוחד בתהליך.

לאחר קבלת האובייקט המשוחזר, כלומר. לאחר העיבוד, היה צורך להעריך את מידת הדיוק על ידי השוואת העוצמה הספקטרלית (בממוצע על פני כל הפיקסלים הבהירים) של האובייקט האמיתי והמשוחזר (3b).

בתמונות 3c מציג אובייקט אמיתי (שורה עליונה) ותמונה משוחזרת (שורה תחתונה) עבור תא גזע מכותנה, וב 3d מוצג ניתוח של דיוק ההדמיה.

כדי להעריך את דיוק ההדמיה, היה צורך לחשב את ערכי מדד הדמיון המבני (SSIM) ואת שיא יחס האות לרעש (pSNR) של האובייקט האמיתי עבור כל ערוץ ספקטרלי.

הטבלה לעיל מראה שלכל אחד מחמשת הערוצים יש מקדם SSIM של 0,8-0,9 ו-PSNR של יותר מ-20. מכאן נובע שלמרות הניגודיות הנמוכה של אות הכתף, הסופרפוזיציה של חמש פסים ספקטרליים ברוחב של 10 ננומטר. על הגלאי מאפשר שחזור מדויק למדי תכונות מרחביות-ספקטרליות של האובייקט הנחקר. במילים אחרות, הטכניקה עובדת, אבל אלו הן רק תוצאות סימולציה. כדי להשיג ביטחון מלא בעבודתם, מדענים ערכו סדרה של ניסויים מעשיים.

תוצאות ניסיוניות

אחד ההבדלים המשמעותיים ביותר בין סימולציה לניסויים אמיתיים הוא הסביבה, כלומר. תנאים שבהם שניהם מבוצעים. במקרה הראשון יש תנאים מבוקרים, במקרה השני יש תנאים בלתי צפויים, כלומר. נראה איך זה ילך.

נשקלו שלושה ערוצים ספקטרליים ברוחב של 8-12 ננומטר שמרכזם 450, 550 ו-650 ננומטר, אשר בשילוב עם גדלים יחסיים שונים יוצרים מגוון רחב של צבעים.

תמונה מס' 4

התמונה למעלה מציגה השוואה בין האובייקט האמיתי (ה"H" הרב-צבעוני לזה המשוחזר. זמן החשיפה לאור (מהירות תריס, כלומר חשיפה) נקבע ל-1800 שניות, מה שאפשר לקבל SNR בטווח של 60-70 dB. מחוון SNR זה, על פי מדענים, אינו חשוב ביותר עבור הניסוי, אלא משמש אישור נוסף לביצועי הטכניקה שלהם, במיוחד במקרה של עצמים מורכבים. במציאות, ולא בתנאי מעבדה, שיטה זו יכולה להיות מהירה בסדר גודל.

השורה העליונה של תמונה מס' 4 מציגה את האובייקט בכל אורך גל (משמאל לימין) ואת האובייקט בצבע מלא בפועל.

כדי לקבל תמונה של האובייקט האמיתי כתוצאה מהדמיה, נעשה שימוש במצלמת ראייה ממוחשבת עם מסנני פס פס מתאימים כדי לצלם ישירות את הרכיבים הספקטרליים ולקבל תמונה בצבע מלא על ידי סיכום הערוצים הספקטרליים שהתקבלו.

השורה השנייה של התמונה למעלה מציגה את דפוסי הקורלציה האוטומטית של כל ערוץ ספקטרלי משוחזר היוצרים את המדידות המרובות שהן הקלט לשלב עיבוד הנתונים.

השורה השלישית היא האובייקט המשוחזר בכל ערוץ ספקטרלי, כמו גם האובייקט המשוחזר בצבע מלא, כלומר. תוצאת ההדמיה הסופית.

התמונה בצבע מלא מראה שגם הגדלים היחסיים בין ערוצים ספקטרליים נכונים, שכן הצבע של התמונה המשוחזרת המשולבת תואם את הערך האמיתי, ומקדם SSIM מגיע ליותר מ-0,92 עבור כל ערוץ.

השורה התחתונה מאשרת קביעה זו, מראה השוואה בין עוצמת האובייקט האמיתי לבין המשוחזר. הנתונים משניהם תואמים בכל הטווחים הספקטרליים.

מכאן נובע שאפילו נוכחות של רעש ושגיאות דוגמנות פוטנציאליות לא מנעו מאיתנו לקבל תמונה באיכות גבוהה, ותוצאות הניסוי תאמו היטב את תוצאות הדוגמנות.

הניסוי שתואר לעיל בוצע תוך התחשבות בתעלות ספקטרליות מופרדות. המדענים ערכו ניסוי נוסף, אך הפעם עם ערוצים צמודים, או ליתר דיוק עם טווח ספקטרלי רציף של 60 ננומטר.

תמונה מס' 5

האובייקט האמיתי היה האות "X" והסימן "+" (5а). הספקטרום של האות "X" אחיד ורציף יחסית - בין 515 ל-575 ננומטר, אך ל-"+" יש ספקטרום מובנה, הממוקם בעיקר בין 535 ל-575 ננומטר (5b). עבור ניסוי זה, החשיפה הייתה 120 שניות כדי להשיג את ה-SNR הרצוי (כמו קודם) של 70 dB.

נעשה שימוש גם במסנן פס פס רחב של 60 ננומטר על כל האובייקט ובמסנן מעביר נמוך על הסימן "+". במהלך השחזור, הספקטרום של 60 ננומטר מחולק ל-6 ערוצים צמודים ברוחב של 10 ננומטר (5b).

כפי שאנו יכולים לראות מהתמונות 5c, התמונות המתקבלות מתאימות מצוין לאובייקט האמיתי. ניסוי זה הראה כי נוכחות או היעדר מתאמים ספקטרליים בכתם הנמדד אינם משפיעים על יעילות טכניקת ההדמיה הנחקרת. מדענים עצמם מאמינים שתפקיד גדול בהרבה בתהליך ההדמיה, או ליתר דיוק בהצלחתו, ממלאים לא כל כך המאפיינים הספקטרליים של האובייקט אלא על ידי כיול המערכת והפרטים של גלאי הקידוד שלו.

למבט מפורט יותר על הניואנסים של המחקר, אני ממליץ להסתכל על מדענים מדווחים и חומרים נוספים אליו.

אפילוג

בעבודה זו, מדענים תיארו שיטה חדשה של הדמיה רב-ספקטרלית באמצעות מפזר. אפנון כתמים תלוי אורך גל באמצעות צמצם קידוד אפשר מדידה מרובת יחידה וחישוב כתמים באמצעות אלגוריתם OMP מבוסס למידת מכונה.

באמצעות האות הרב-צבעונית "H" כדוגמה, מדענים הראו שהתמקדות בחמישה ערוצים ספקטרליים התואמים לסגול, ירוק ושלושה גוונים של אדום מאפשרת להשיג שחזור של התמונה המכילה את כל הצבעים של המקור (כחול, צהוב וכו').

לדברי החוקרים, הטכניקה שלהם יכולה להיות שימושית הן ברפואה והן באסטרונומיה. צבע נושא מידע חשוב לשני הכיוונים: באסטרונומיה - ההרכב הכימי של העצמים הנחקרים, ברפואה - ההרכב המולקולרי של תאים ורקמות.

בשלב זה, מדענים מציינים רק בעיה אחת שעלולה לגרום לאי דיוקים בהדמיה: שגיאות דוגמנות. עקב הזמן הרב למדי הנדרש להשלמת התהליך, עלולים להתרחש שינויים בסביבה שיכניסו התאמות שלא נלקחו בחשבון בשלב ההכנה. עם זאת, בעתיד אנו מתכננים למצוא דרך להקל על בעיה זו, שתהפוך את טכניקת ההדמיה המתוארת לא רק מדויקת, אלא גם יציבה בכל תנאי.

יום שישי מחוץ לראש:

אורות, צבע, מוזיקה ושלישיית המוזרים הכחולים המפורסמים בעולם (Blue Man Group).

תודה שקראתם, הישארו סקרנים וסוף שבוע נהדר חברים! 🙂

תודה שנשארת איתנו. האם אתה אוהב את המאמרים שלנו? רוצים לראות עוד תוכן מעניין? תמכו בנו על ידי ביצוע הזמנה או המלצה לחברים, 30% הנחה למשתמשי Habr על אנלוגי ייחודי של שרתים ברמת הכניסה, שהומצא על ידינו עבורכם: כל האמת על VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 ליבות) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps החל מ-$20 או איך לשתף שרת? (זמין עם RAID1 ו-RAID10, עד 24 ליבות ועד 40GB DDR4).

Dell R730xd זול פי 2? רק כאן 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV החל מ-$199 בהולנד! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - החל מ-$99! לקרוא על כיצד לבנות תשתיות קורפ. מחלקה עם שימוש בשרתי Dell R730xd E5-2650 v4 בשווי 9000 יורו עבור אגורה?

מקור: www.habr.com