{"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\/pt\/blog\/news\/uvidet-pochti-nevidimoe-eshhe-i-v-tsvete-metodika-vizualizatsii-obektov-cherez-rasseivatel","title":{"rendered":"Ver quase o invis\u00edvel, ainda em cores: t\u00e9cnica de visualiza\u00e7\u00e3o de objetos atrav\u00e9s de um difusor","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

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\nUma das habilidades mais famosas do Superman \u00e9 a vis\u00e3o superpoderosa, que lhe permite ver \u00e1tomos, enxergar no escuro e a grandes dist\u00e2ncias, al\u00e9m de ver atrav\u00e9s de objetos. Essa habilidade \u00e9 extremamente rara de ser demonstrada nas telas, mas ela existe. Na nossa realidade, ver atrav\u00e9s de objetos praticamente opacos tamb\u00e9m \u00e9 poss\u00edvel utilizando alguns truques cient\u00edficos. Entretanto, as imagens obtidas sempre foram em preto e branco, at\u00e9 recentemente. Hoje, vamos conhecer um estudo em que cientistas da Universidade de Duke (EUA) conseguiram capturar uma foto colorida de objetos escondidos atr\u00e1s de uma parede opaca, utilizando uma \u00fanica emiss\u00e3o de luz. Que tecnologia \u00e9 essa, como funciona e em quais \u00e1reas pode ser aplicada? Um relat\u00f3rio do grupo de pesquisa nos contar\u00e1. Vamos l\u00e1.<\/a><\/noindex><\/p>\n

Base da pesquisa<\/h3>\n

\nApesar de todos os poss\u00edveis 'benef\u00edcios' da tecnologia de visualiza\u00e7\u00e3o de objetos em meios dispersivos, existem uma s\u00e9rie de problemas na implementa\u00e7\u00e3o dessa tecnologia. O principal \u00e9 o fato de que os caminhos dos f\u00f3tons que passam pelo dispersor mudam drasticamente, levando a padr\u00f5es aleat\u00f3rios. especkle*<\/i> do outro lado.<\/p>\n

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\nSpeckle*<\/b> \u00e9 um padr\u00e3o de interfer\u00eancia aleat\u00f3rio formado pela interfer\u00eancia m\u00fatua de ondas coerentes que possuem desvios de fase aleat\u00f3rios e\/ou um conjunto de intensidades aleat\u00f3rios. Geralmente, aparece como um conjunto de pontos claros em um fundo escuro.<\/p><\/blockquote>\n

Nos \u00faltimos anos, v\u00e1rias metodologias de visualiza\u00e7\u00e3o foram desenvolvidas para contornar os efeitos do dispersor e extrair informa\u00e7\u00f5es sobre o objeto a partir do padr\u00e3o de speckle. O problema dessas metodologias \u00e9 sua limita\u00e7\u00e3o \u2014 \u00e9 necess\u00e1rio ter certos conhecimentos sobre o objeto, acesso ao meio dispersivo ou objeto, etc.<\/p>\n

Ao mesmo tempo, existe um m\u00e9todo considerado pelos cientistas como muito mais avan\u00e7ado \u2014 visualiza\u00e7\u00e3o com efeito de mem\u00f3ria (ME). Esse m\u00e9todo permite visualizar o objeto sem conhecimentos pr\u00e9vios a respeito dele ou do meio dispersivo. Todos os m\u00e9todos t\u00eam desvantagens, como sabemos, e o m\u00e9todo ME n\u00e3o \u00e9 exce\u00e7\u00e3o. Para obter padr\u00f5es de speckle de alto contraste e, consequentemente, imagens mais precisas, a ilumina\u00e7\u00e3o deve ser em banda estreita, ou seja, menos de 1 nm.<\/p>\n

\u00c9 poss\u00edvel contornar as limita\u00e7\u00f5es do m\u00e9todo ME, mas, novamente, esses truques est\u00e3o relacionados ao acesso \u00e0 fonte \u00f3ptica ou ao objeto antes do dispersor, ou ainda \u00e0 medi\u00e7\u00e3o direta. PSF*<\/i>.<\/p>\n

PSF*<\/b> \u2014 fun\u00e7\u00e3o de dispers\u00e3o pontual que descreve a imagem que o sistema de forma\u00e7\u00e3o obt\u00e9m ao observar uma fonte de luz pontual ou um objeto pontual. <\/p><\/blockquote>\n

Os pesquisadores consideram esses m\u00e9todos funcionais, mas n\u00e3o perfeitos, uma vez que a medi\u00e7\u00e3o da PSF nem sempre \u00e9 vi\u00e1vel devido, por exemplo, \u00e0 din\u00e2mica do dispersor ou \u00e0 sua inacessibilidade antes do procedimento de visualiza\u00e7\u00e3o. Em outras palavras, h\u00e1 espa\u00e7o para melhoria. <\/p>\n

Em seu trabalho, os pesquisadores prop\u00f5em uma abordagem diferente. Eles nos mostram um m\u00e9todo de implementa\u00e7\u00e3o da visualiza\u00e7\u00e3o multiespectral de objetos atrav\u00e9s de um meio dispersor utilizando uma \u00fanica medi\u00e7\u00e3o de speckle com uma c\u00e2mera monocrom\u00e1tica. Diferente de outras metodologias, esta n\u00e3o requer conhecimentos pr\u00e9vios sobre o sistema de PSF ou o espectro da fonte.<\/p>\n

O novo m\u00e9todo permite criar imagens de alta qualidade do objeto alvo em cinco canais espectrais bem separados entre 450 nm e 750 nm, o que foi confirmado por c\u00e1lculos. Na pr\u00e1tica, at\u00e9 agora, conseguiu-se visualizar tr\u00eas canais espectrais bem separados entre 450 nm e 650 nm e seis canais espectrais adjacentes entre 515 e 575 nm.<\/p>\n

Princ\u00edpio de funcionamento do novo m\u00e9todo<\/h3>\n

\n\"Ver
\nImagem n\u00ba 1: l\u00e2mpada \u2014 modulador espacial de luz \u2014 dispersor (com diafragma de \u00edris) \u2014 abertura codificadora \u2014 prisma \u2014 rel\u00e9 \u00f3ptico (visualiza\u00e7\u00e3o 1:1) \u2014 c\u00e2mera monocrom\u00e1tica.<\/i><\/p>\n

Os pesquisadores destacam tr\u00eas elementos principais de qualquer visualiza\u00e7\u00e3o atrav\u00e9s de um dispersor: o objeto de interesse (iluminado externamente ou que brilha por conta pr\u00f3pria), o dispersor e o detector.<\/p>\n

Assim como nos sistemas ME padr\u00e3o, neste estudo \u00e9 considerado um objeto cujo tamanho angular est\u00e1 localizado dentro do campo de vis\u00e3o do ME e a uma dist\u00e2ncia u do dispersor. Ap\u00f3s interagir com o dispersor, a luz se propaga uma dist\u00e2ncia v antes de atingir o detector. <\/p>\n

A visualiza\u00e7\u00e3o ME comum utiliza c\u00e2meras padr\u00e3o, enquanto este m\u00e9todo utiliza um m\u00f3dulo de detector codificador, que consiste em uma abertura codificadora e um elemento \u00f3ptico dependente do comprimento de onda. O objetivo deste elemento \u00e9 a modula\u00e7\u00e3o \u00fanica de cada canal espectral antes de sua combina\u00e7\u00e3o e transforma\u00e7\u00e3o em um detector monocrom\u00e1tico.<\/p>\n

Assim, em vez de apenas medir um espectro de baixo contraste, cujos canais espectrais est\u00e3o interligados, foi registrada uma sinaliza\u00e7\u00e3o espectralmente multiplexada, que \u00e9 bem adequada para separa\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

Os pesquisadores ressaltam novamente que seu m\u00e9todo n\u00e3o requer caracter\u00edsticas conhecidas ou suposi\u00e7\u00f5es sobre o dispersor ou a fonte de luz.<\/p>\n

Ap\u00f3s realizar medi\u00e7\u00f5es preliminares do espectro multiplexado, foi utilizado um valor conhecido de T\u03bb (padr\u00e3o de codifica\u00e7\u00e3o dependente do comprimento de onda) para a reconstru\u00e7\u00e3o individual do espectro em cada banda espectral.<\/p>\n

Em seu trabalho na fase de c\u00e1lculos e modelagem, os cientistas aplicaram determinados m\u00e9todos de aprendizado de m\u00e1quina que podem ajudar na implementa\u00e7\u00e3o de um m\u00e9todo anteriormente n\u00e3o considerado. Primeiro, foi utilizado o aprendizado de caracter\u00edsticas de matriz esparsa para representar o espectro. <\/p>\n

Aprendizado de caracter\u00edsticas*<\/b> \u2013 permite que o sistema encontre automaticamente representa\u00e7\u00f5es necess\u00e1rias para identificar caracter\u00edsticas dos dados brutos.<\/p><\/blockquote>\n

Como resultado, foi obtida uma base treinada em imagens de speckle de v\u00e1rias configura\u00e7\u00f5es de medi\u00e7\u00f5es. Essa base \u00e9 bastante generalizada e n\u00e3o depende de objetos ou dispersores espec\u00edficos envolvidos na gera\u00e7\u00e3o da m\u00e1scara I\u03bbx, y. Em outras palavras, o sistema \u00e9 treinado com base em um dispersor que n\u00e3o \u00e9 utilizado na configura\u00e7\u00e3o experimental, ou seja, o sistema n\u00e3o tem acesso a ele, como os pesquisadores desejavam.<\/p>\n

Para obter imagens de speckle em cada comprimento de onda, foi utilizado o algoritmo OMP (orthogonal matching pursuit<\/i>).<\/p>\n

No final, ao calcular a autocorrela\u00e7\u00e3o de cada canal espectral de forma independente e invertendo a autocorrela\u00e7\u00e3o em cada comprimento de onda, foram obtidas imagens do objeto. As imagens obtidas em cada comprimento de onda s\u00e3o ent\u00e3o combinadas para criar uma imagem colorida do objeto.<\/p>\n

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\nImagem n\u00ba 2: processo passo a passo para compor a imagem de um objeto.
\nDe acordo com seus criadores, esta metodologia n\u00e3o faz suposi\u00e7\u00f5es sobre correla\u00e7\u00f5es entre os canais espectrais e requer apenas a suposi\u00e7\u00e3o de que o valor do comprimento de onda \u00e9 suficientemente aleat\u00f3rio. Al\u00e9m disso, este m\u00e9todo requer apenas informa\u00e7\u00f5es sobre o detector codificador, dependendo da calibra\u00e7\u00e3o pr\u00e9via da abertura codificadora e de uma biblioteca de dados pr\u00e9-treinada. Essas caracter\u00edsticas tornam o m\u00e9todo de visualiza\u00e7\u00e3o bastante vers\u00e1til e n\u00e3o invasivo. <\/p>\n

Resultados da simula\u00e7\u00e3o<\/h3>\n

\nPara come\u00e7ar, vamos analisar os resultados da simula\u00e7\u00e3o. <\/p>\n

\"Ver
\nImagem n\u00ba 3<\/i><\/p>\n

Na imagem acima, s\u00e3o mostrados exemplos de uma captura multiespectral de dois objetos, feitos atrav\u00e9s de um dispersor. A linha superior em 3a<\/b> cont\u00e9m o objeto de interesse, que consiste em v\u00e1rios n\u00fameros representados tanto em cores falsas quanto em separa\u00e7\u00e3o por canal espectral. Ao construir o objeto em cor falsa, o perfil de intensidade de cada comprimento de onda \u00e9 exibido no espa\u00e7o CIE 1931 RGB.<\/p>\n

O objeto reconstru\u00eddo (linha inferior em 3a<\/b>) tanto em cor falsa quanto em termos dos canais espectrais individuais, demonstra que a metodologia proporciona uma excelente visualiza\u00e7\u00e3o e apenas uma intera\u00e7\u00e3o cruzada insignificante entre os canais espectrais, a qual n\u00e3o desempenha um papel significativo no processo.<\/p>\n

Ap\u00f3s obter o objeto reconstru\u00eddo, ou seja, ap\u00f3s a visualiza\u00e7\u00e3o, foi necess\u00e1rio avaliar o grau de precis\u00e3o, comparando a intensidade espectral (m\u00e9dia de todos os pixels brilhantes) do objeto real com a do objeto reconstru\u00eddo (3b<\/b>).<\/p>\n

Nas imagens 3c<\/b> mostram o objeto real (linha superior) e a imagem reconstru\u00edda (linha inferior) de uma c\u00e9lula do talo de algod\u00e3o, e em 3d<\/b> \u00e9 mostrado a an\u00e1lise da precis\u00e3o da visualiza\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

Para avaliar a precis\u00e3o da visualiza\u00e7\u00e3o, foi necess\u00e1rio calcular os valores do coeficiente de similaridade estrutural (SSIM) e a raz\u00e3o pico de sinal para ru\u00eddo (pSNR) do objeto real para cada canal espectral.<\/p>\n

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\n
\nA tabela acima mostra que cada um dos cinco canais tem um coeficiente SSIM entre 0,8 e 0,9 e PSNR superior a 20. Isso indica que, apesar do baixo contraste do sinal de speckle, a sobreposi\u00e7\u00e3o em um detector de cinco bandas espectrais com largura de 10 nm permite reconstruir com precis\u00e3o as propriedades espa\u00e7o-espectrais do objeto em estudo. Em outras palavras, a metodologia funciona, embora esses sejam apenas resultados de simula\u00e7\u00e3o. Para ter certeza de suas conclus\u00f5es, os cientistas realizaram uma s\u00e9rie de experimentos pr\u00e1ticos.<\/p>\n

Resultados dos experimentos<\/h3>\n

\nUma das diferen\u00e7as mais significativas entre simula\u00e7\u00f5es e experimentos reais \u00e9 o ambiente, ou seja, as condi\u00e7\u00f5es em que ambos s\u00e3o realizados. No primeiro caso, as condi\u00e7\u00f5es s\u00e3o controladas, enquanto no segundo, s\u00e3o imprevis\u00edveis, ou seja, como sai.<\/p>\n

Foram considerados tr\u00eas canais espectrais com largura de 8-12 nm, centrados em 450, 550 e 650 nm, que em combina\u00e7\u00e3o com diferentes magnitudes relativas geram uma ampla gama de cores.<\/p>\n

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\nImagem n\u00ba 4<\/i><\/p>\n

A imagem acima mostra uma compara\u00e7\u00e3o entre o objeto real (a letra 'H' colorida) e o reconstitu\u00eddo. O tempo de exposi\u00e7\u00e3o foi definido em 1800 s, permitindo alcan\u00e7ar um SNR de 60-70 dB. Esse n\u00edvel de SNR, segundo os cientistas, n\u00e3o \u00e9 essencial para a experi\u00eancia, mas serve como uma confirma\u00e7\u00e3o adicional da viabilidade de sua metodologia, especialmente em casos de objetos complexos. Na realidade, fora das condi\u00e7\u00f5es laboratoriais, esse m\u00e9todo pode ser significativamente mais r\u00e1pido.<\/p>\n

Na linha superior da imagem n\u00ba 4, o objeto \u00e9 mostrado em cada comprimento de onda (da esquerda para a direita) junto com o objeto real em cores completas.<\/p>\n

Para visualizar a imagem do objeto real, foi utilizada uma c\u00e2mera de vis\u00e3o computacional com filtros de faixa apropriados para exibir diretamente os componentes espectrais e gerar uma imagem em cores completas atrav\u00e9s da soma dos canais espectrais resultantes.<\/p>\n

A segunda linha da imagem acima mostra os padr\u00f5es de autocorrela\u00e7\u00e3o de cada canal espectral reconstitu\u00eddo, formando medi\u00e7\u00f5es multiplexadas que s\u00e3o dados de entrada para a etapa de processamento de dados.<\/p>\n

A terceira linha \u00e9 um objeto reconstitu\u00eddo em cada canal espectral, bem como um objeto de cor completa reconstitu\u00eddo, ou seja, o resultado final da visualiza\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

A imagem em cores completa mostra que as magnitudes relativas entre os canais espectrais tamb\u00e9m s\u00e3o corretas, uma vez que a cor da imagem reconstitu\u00edda combinada corresponde ao valor real, e o coeficiente SSIM atinge mais de 0,92 para cada canal.<\/p>\n

A linha mais inferior confirma esta afirma\u00e7\u00e3o, demonstrando a compara\u00e7\u00e3o da intensidade entre o objeto real e o reconstitu\u00eddo. Os dados de ambos coincidem em todos os intervalos espectrais.<\/p>\n

Isso indica que, mesmo na presen\u00e7a de ru\u00eddo e potenciais erros de modelagem, foi poss\u00edvel obter uma imagem de alta qualidade, e os resultados dos experimentos correlacionam-se bem com os resultados da modelagem.<\/p>\n

A experi\u00eancia acima mencionada foi realizada levando em conta canais espectrais separados. Os cientistas realizaram um novo experimento, mas agora com canais adjacentes, ou seja, com um intervalo espectral cont\u00ednuo de 60 nm.<\/p>\n

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\nImagem \u21165<\/i><\/p>\n

O objeto real foi a letra 'X' e o s\u00edmbolo '+'.5a<\/b>O espectro da letra 'X' \u00e9 relativamente uniforme e cont\u00ednuo \u2014 entre 515 e 575 nm, enquanto que o '+' tem um espectro estruturado, predominantemente localizado entre 535 e 575 nm.5b<\/b>Para este experimento, a exposi\u00e7\u00e3o foi de 120 s para atingir o desejado (como anteriormente) SNR de 70 dB.<\/p>\n

Um filtro de banda de 60 nm foi utilizado sobre todo o objeto e um filtro passa-baixa sobre o s\u00edmbolo '+'. Durante a reconstru\u00e7\u00e3o, o espectro de 60 nm \u00e9 dividido em 6 canais adjacentes de 10 nm.5b<\/b>).<\/p>\n

Como podemos ver nas imagens, 5c<\/b>, as imagens resultantes est\u00e3o bem alinhadas com o objeto real. Este experimento mostrou que a presen\u00e7a ou aus\u00eancia de correla\u00e7\u00f5es espectrais no speckle medido n\u00e3o afeta a efic\u00e1cia do m\u00e9todo de visualiza\u00e7\u00e3o investigado. Os pr\u00f3prios cientistas acreditam que um papel muito maior no processo de visualiza\u00e7\u00e3o, ou melhor, em seu sucesso, \u00e9 desempenhado n\u00e3o tanto pelas caracter\u00edsticas espectrais do objeto, mas pela calibra\u00e7\u00e3o do sistema e dos detalhes de seu detector codificador.<\/p>\n

Ep\u00edlogo<\/h3>\n

\nNeste trabalho, os pesquisadores descreveram um novo m\u00e9todo de visualiza\u00e7\u00e3o multiespectral atrav\u00e9s de um dispersor. A modula\u00e7\u00e3o do padr\u00e3o, que depende do comprimento de onda, utilizando uma abertura codificadora, permitiu realizar uma medi\u00e7\u00e3o multiplexada e calcular o padr\u00e3o com um algoritmo OMP baseado em aprendizado de m\u00e1quina. <\/p>\n

Usando a letra colorida \u00abH\u00bb como exemplo, os pesquisadores demonstraram que focar em cinco canais espectrais correspondentes ao violeta, verde e tr\u00eas tons de vermelho permite a reconstru\u00e7\u00e3o da imagem contendo todas as cores do original (azul, amarelo, etc.). <\/p>\n

De acordo com os pesquisadores, sua metodologia pode ser \u00fatil tanto na medicina quanto na astronomia. A cor carrega informa\u00e7\u00f5es importantes em ambas as \u00e1reas: na astronomia \u2014 a composi\u00e7\u00e3o qu\u00edmica dos objetos estudados, na medicina \u2014 a composi\u00e7\u00e3o molecular das c\u00e9lulas e tecidos.<\/p>\n

Neste est\u00e1gio, os pesquisadores observaram apenas um problema que pode causar imprecis\u00f5es na visualiza\u00e7\u00e3o, que s\u00e3o erros de modelagem. Dado o tempo relativamente longo necess\u00e1rio para executar o processo, podem ocorrer mudan\u00e7as no ambiente que n\u00e3o s\u00e3o consideradas na fase de prepara\u00e7\u00e3o. No entanto, no futuro, pretende-se encontrar uma maneira de mitigar esse problema, permitindo que a metodologia de visualiza\u00e7\u00e3o descrita seja n\u00e3o apenas precisa, mas tamb\u00e9m est\u00e1vel em quaisquer condi\u00e7\u00f5es.<\/p>\n

Off-topic de sexta-feira:<\/b>

\r\n \"Por\r\n
<\/div>\r\n <\/div><\/center>
\nLuz, cor, m\u00fasica e o trio dos mais famosos \"esquisitos\" azuis do mundo (Blue Man Group).<\/i><\/p>\n

Obrigado pela aten\u00e7\u00e3o, mantenham-se curiosos, e um \u00f3timo fim de semana a todos, pessoal! \ud83d\ude42<\/p>\n

\nObrigado por estar conosco. Voc\u00ea gosta dos nossos artigos? Quer ver mais materiais interessantes? Apoie-nos fazendo um pedido ou recomendando a amigos, 30% de desconto para usu\u00e1rios do Habra em um an\u00e1logo \u00fanico de servidores de entrada, que foi desenvolvido para voc\u00ea:<\/b> Toda a verdade sobre VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps a partir de $20 ou como dividir o servidor corretamente?<\/a><\/noindex> (dispon\u00edveis op\u00e7\u00f5es com RAID1 e RAID10, at\u00e9 24 n\u00facleos e at\u00e9 40GB DDR4).<\/p>\n

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

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Para uma compreens\u00e3o mais detalhada das nuances da pesquisa, recomendo visitar o relat\u00f3rio dos cientistas<\/a><\/noindex> e materiais adicionais<\/a><\/noindex> para ele.<\/p>\n