Una dintre cele mai cunoscute abilități ale lui Superman este vederea sa supranaturală, care îi permite să observe atomi, să vadă în întuneric și la distanțe mari, precum și să călăuzească privirea prin obiecte. Această abilitate este extrem de rar demonstrată pe ecrane, dar există. În realitatea noastră, este posibil să vedem prin obiecte aproape complet opace, aplicând anumite trucuri științifice. Totuși, imaginile obținute au fost întotdeauna alb-negru, până de curând. Astăzi ne vom familiariza cu un studiu în care oamenii de știință de la Universitatea Duke (SUA) au reușit să facă o fotografie color a obiectelor ascunse în spatele unui perete opac, aplicând o singură expunere la lumină. Ce este această supertehnologie, cum funcționează și în ce domenii poate fi aplicată? Despre asta ne va vorbi prezentarea grupului de cercetare. Să începem.
Baza cercetării
Cu toate avantajele posibile ale tehnologiei de vizualizare a obiectelor în medii dispersive, există o serie de probleme în implementarea acestei tehnologii. Principalul este faptul că căile fotonilor care trec prin dispersor se schimbă drastic, ceea ce duce la modele aleatorii. speckle* de cealaltă parte.
Speckle* este un model de interferență aleatorie, creat prin interferența reciprocă a undelor coerente, care au deplasări de fază aleatorii și/sau o intensitate aleatorie. De cele mai multe ori, apare ca un set de pete luminoase (puncte) pe un fundal întunecat.
În ultimii ani, au fost dezvoltate mai multe tehnici de vizualizare care permit ocolirea efectelor dispersorului și extragerea informațiilor despre obiect din modelul speckle. Problema acestor tehnici este limitarea lor - este necesar să ai cunoștințe specifice despre obiect, să ai acces la mediu dispersiv sau la obiect etc.
În același timp, există o metodă mult mai avansată, conform cercetătorilor - vizualizarea cu efect de memorie (ME). Această metodă permite vizualizarea obiectului fără cunoștințe prealabile despre acesta sau despre mediu dispersiv. Toate metodele au dezavantaje, cum știm, iar metoda ME nu face excepție. Pentru a obține pattern-uri speckle cu un contrast ridicat și, prin urmare, imagini mai precise, iluminarea trebuie să fie de bandă îngustă, adică mai puțin de 1 nm.
Este posibil să ocoliți restricțiile metodei ME, dar, din nou, aceste trucuri sunt legate de accesul la sursa de lumină sau la obiect înainte de dispersor sau la măsurători directe. PSF*.
PSF* — funcția de dispersie a punctului, care descrie imaginea obținută de sistemul de formare în observarea unei surse de lumină punctiforme sau a unui obiect punctiform.
Cercetătorii numesc aceste metode funcționale, dar nu perfecte, deoarece măsurarea PSF nu este întotdeauna posibilă din cauza, de exemplu, dinamicii dispersorului sau a inaccesibilității acestuia înainte de procedura de vizualizare. Cu alte cuvinte, există loc de îmbunătățire.
În lucrarea lor, cercetătorii propun o altă abordare. Aceștia ne demonstrează o metodă de realizare a vizualizării multispectrale a obiectelor printr-un mediu de dispersie folosind o singură măsurare speckle cu o cameră monocromă. Spre deosebire de alte tehnici, aceasta nu necesită cunoștințe preliminare despre sistemul PSF sau spectrul sursei.
Noua metodă permite crearea unor imagini de înaltă calitate ale obiectului țintă în cinci canale spectrale bine separate, între 450 nm și 750 nm, lucru confirmat prin calcule. În practică, însă, s-a reușit până acum vizualizarea a trei canale spectrale bine separate, între 450 nm și 650 nm, și șase canale spectrale adiacente, între 515 și 575 nm.
Principiul de funcționare al noii metode
Imaginea nr. 1: lampa — modulatoare spațiale de lumină — dispersor (cu diafragmă iris) — apertură de codare — prismă — releu optic (vizualizare 1:1) — cameră monocromă.
Cercetătorii subliniază trei elemente principale ale oricărei vizualizări prin dispersor: obiectul de interes (iluminat din exterior sau auto-luminat), dispersorul și detectorul.
Așa cum se întâmplă și în sistemele standard ME, în această cercetare se analizează un obiect al cărui dimensiune unghiulară se află în câmpul vizual ME și la o distanță u din spatele dispersorului. După interacțiunea cu dispersorul, lumina se răspândește pe o distanță v înainte de a ajunge la detector.
Vizualizarea ME obișnuită folosește camere standard, iar în această metodă se utilizează un modul de detector codificator, compus dintr-o apertură de codificare și un element optic care depinde de lungimea de undă. Scopul acestui element este de a modula în mod unic fiecare canal spectral înainte de a le combina și a le transforma într-un detector monocrom.
Astfel, în loc de a măsura simplu un spectru de contrast scăzut, a cărui canale spectrale sunt amestecate în mod inextricabil, a fost înregistrat un semnal spectral multiplexat, care este bine adaptat pentru separare.
Cercetătorii subliniază din nou că metoda lor nu necesită cunoștințe anterioare despre caracteristicile sau presupunerile privind dispersorul sau sursa de lumină.
După efectuarea de măsurători preliminare ale spectrului multiplexat, a fost utilizată o valoare cunoscută Tλ (modelul de codificare care depinde de lungimea de undă) pentru reconstrucția individuală a spectrului în fiecare bandă spectrală.
În lucrarea lor, în etapa de calcule și modelare, cercetătorii au aplicat anumite metode de învățare automată care pot ajuta la implementarea unei metode anterior neexplorate. În primul rând, a fost utilizată învățarea caracteristicilor pentru matricea rarefiată pentru a reprezenta spectrul.
Învățarea caracteristicilor* — permite sistemului să găsească automat reprezentările necesare pentru a descoperi trăsăturile datelor originale.
Ca rezultat, a fost obținută o bază, antrenată pe imagini speckle din diferite configurații de măsurare. Această bază este suficient de generalizată și nu depinde de obiectele și dispersorii specifici implicați în generarea măștii Iλx, y. Cu alte cuvinte, sistemul este antrenat pe baza unui dispersor care nu este utilizat în configurația experimentală, adică sistemul nu are acces la acesta, așa cum doreau cercetătorii.
Pentru a obține imagini speckle la fiecare lungime de undă, a fost utilizat algoritmul OMP (cercetare ortogonală cu potriviri).
În cele din urmă, prin calcularea autocorelării fiecărui canal spectral în mod independent și inversarea autocorelării la fiecare lungime de undă, au fost obținute imagini ale obiectului. Imaginile obținute la fiecare lungime de undă sunt apoi combinate pentru a crea o imagine color a obiectului.
Imaginea nr. 2: procesul etapizat de compunere a imaginii obiectului.
Această metodă, conform creatorilor săi, nu face nicio presupunere cu privire la corelațiile între canalele spectrale și necesită doar presupunerea că valoarea lungimii de undă este suficient de aleatorie. În plus, această metodă necesită doar informații despre detectorul de codificare, bazându-se pe calibrarea prealabilă a aperturei de codare și pe o bibliotecă de date deja antrenată. Aceste caracteristici fac ca această metodă de vizualizare să fie foarte versatilă și neinvazivă.
Rezultatele simulării
Pentru început, să examinăm rezultatele simulării.
Imaginea nr. 3
În imaginea de mai sus sunt prezentate exemple de imagini multispectrale ale două obiecte, realizate printr-un dispersor. Rândul superior din 3a conține obiectul de interes, format din mai multe numere, arătate atât în fals color, cât și împărțite pe canalul spectral. La construirea obiectului în fals color este afișat profilul intensității fiecărei lungimi de undă în spațiul CIE 1931 RGB.
Obiectul reconstruit (rândul inferior din 3a) atât în fals color, cât și din perspectiva canalelor spectrale individuale, demonstrează că metodologia asigură o vizualizare excelentă și doar o interacțiune transversală minimă între canalele spectrale, care nu joacă un rol semnificativ în proces.
După obținerea obiectului reconstruit, adică după vizualizare, a fost necesar să se evalueze gradul de precizie, comparând intensitatea spectrală (mediată pe toți pixelii strălucitori) a obiectului real și a celui reconstruit (3b).
În imaginile 3c sunt prezentate obiectul real (rândul superior) și imaginea reconstruită (rândul inferior) pentru o celulă din tulpina bumbacului, iar în 3d este prezentată analiza preciziei vizualizării.
Pentru evaluarea preciziei vizualizării a fost necesar să se calculeze valorile coeficientului de similaritate structurală (SSIM) și raportul semnal-zgomot de vârf (pSNR) al obiectului real pentru fiecare canal spectral.
Tabelul de mai sus arată că fiecare dintre cele cinci canale are un coeficient SSIM de 0,8–0,9 și un PSNR de peste 20. Aceasta sugerează că, în ciuda contrastului scăzut al semnalului de speckle, suprapunerea pe detectorul celor cinci benzi spectrale cu lățimea de 10 nm permite reconstruirea destul de precisă a caracteristicilor spațiale-spectrale ale obiectului studiat. Cu alte cuvinte, metodologia funcționează, însă acestea sunt doar rezultate ale simulării. Pentru a-și consolida încrederea în propria muncă, oamenii de știință au efectuat o serie de experimente practice.
Rezultatele experimentelor
Una dintre cele mai semnificative diferențe între simulare și experimentele reale este mediul, adică condițiile în care se desfășoară fiecare dintre acestea. În primul caz, există condiții controlate, în timp ce în al doilea — imprevizibile, adică depind de cum va decurge.
Au fost analizate trei canale spectrale cu lățimi de 8-12 nm, centrându-se pe 450, 550 și 650 nm, care, în combinație cu diferite valori relative, generează o gamă largă de culori.
Imaginea nr. 4
În imaginea de mai sus este comparat obiectul real (litera „H” colorată) cu cel reconstruit. Timpul de expunere a fost stabilit la 1800 s, ceea ce a permis obținerea unui SNR în intervalul 60-70 dB. Acest nivel de SNR, conform cercetătorilor, nu este extrem de important pentru experiment, dar servește ca o confirmare suplimentară a funcționalității metodologiei lor, în special în cazul obiectelor complicate. În realitate, și nu în condiții de laborator, această metodă poate fi cu un ordin mai rapid.
Pe rândul superior al imaginii nr. 4 este prezentat obiectul la fiecare lungime de undă (de la stânga la dreapta) și obiectul colorat real.
Pentru a obține o imagine a obiectului real în urma vizualizării, a fost utilizată o cameră de viziune artificială cu filtre spectrale corespunzătoare pentru a vizualiza direct componentele spectrale și pentru a obține o imagine color completă prin sumarea canalelor spectrale rezultate.
Al doilea rând al imaginii de mai sus ilustrează modelele de autocorelație ale fiecărui canal spectral reconstruit, care generează măsurători multiplexate, ce reprezintă datele de intrare pentru etapa de procesare a datelor.
Al treilea rând reprezintă un obiect reconstruit în fiecare canal spectral, atât cât și un obiect reconstruit în culori complete, adică rezultatul final al vizualizării.
Imaginea colorată arată că valorile relative între canalele spectrale sunt, de asemenea, corecte, deoarece culoarea imaginii reconstruite combinate corespunde valorii reale, iar coeficientul SSIM depășește 0,92 pentru fiecare canal.
Cel mai de jos rând confirmă această afirmație, demonstrând comparația intensității între obiectul real și cel reconstruit. Datele ambelor coincid în toate intervalele spectrale.
Din aceasta rezultă că, chiar și în prezența zgomotului și a posibilelor erori de modelare, nu s-a împiedicat obținerea unei imagini de înaltă calitate, iar rezultatele experimentelor se corelează excelent cu cele ale modelării.
Experiența menționată mai sus a fost realizată având în vedere canalele spectrale separate. Oamenii de știință au efectuat un alt experiment, dar deja cu canale adiacente, mai precis cu un interval spectral continuu de 60 nm.
Imaginea Nr. 5
Ca obiect real a fost utilizată litera „X” și semnul „+” (5a). Spectrul literei „X” este relativ uniform și continuu — între 515 și 575 nm, iar semnul „+” are un spectru structurat, situat predominant între 535 și 575 nm (5b). Pentru acest experiment, expunerea a durat 120 s pentru a obține SNR-ul dorit (ca și anterior) de 70 dB.
De asemenea, a fost utilizat un filtru de bandă cu o lățime de 60 nm peste tot obiectul și un filtru de trecere joasă peste semnul „+”. În timpul reconstrucției, spectrul de 60 nm este împărțit în 6 canale adiacente cu o lățime de 10 nm (5b).
După cum putem observa din imagini 5c, imaginile rezultate se potrivesc excelent cu obiectul real. Acest experiment a arătat că prezența sau absența corelațiilor spectrale în măsurarea speckle-ului nu influențează eficiența metodei de vizualizare studiate. Oamenii de știință consideră că un rol mult mai mare în procesul de vizualizare, mai precis în succesul său, îl joacă nu atât caracteristicile spectrale ale obiectului, cât calibrul sistemului și detaliile detectorului său de codare.
Pentru o mai bună înțelegere a detaliilor studiului, vă recomand să consultați și la acesta.
Epilog
În această lucrare, cercetătorii au descris o nouă metodă de vizualizare multispectrală printr-un dispersor. Modularea speclului, dependentă de lungimea de undă, utilizând o apertură de codificare, a permis realizarea unei măsurători multiplexate și calcularea speclului folosind algoritmul OMP bazat pe învățarea automată.
Pe exemplul literei colorate "N", cercetătorii au arătat că focalizarea pe cinci canale spectrale, corespunzătoare violetului, verde și trei nuanțe de roșu, permite obținerea unei reconstruiri a imaginii care conține toate culorile originale (albastru, galben etc.).
Potrivit cercetătorilor, metodologia lor ar putea fi utilă atât în medicină, cât și în astronomia. Culoarea poartă informații importante în ambele domenii: în astronomie, compoziția chimică a obiectelor studiate, iar în medicină, compoziția moleculară a celulelor și țesuturilor.
În această etapă, cercetătorii semnalează o singură problemă care ar putea provoca inexactități în vizualizare, și anume erorile de modelare. Datorită timpului relativ lung necesar pentru a finaliza procesul, pot apărea schimbări în mediu care nu sunt luate în considerare în etapa de pregătire. Cu toate acestea, în continuare, se plănuiește găsirea unei metode de a atenua această problemă, ceea ce va permite ca metoda descrisă de vizualizare să fie nu doar precisă, ci și stabilă în orice condiții.
Off-topic de vineri:
Lumina, culoarea, muzica și trio-ul celor mai celebri "ciudați" albaștri din lume (Blue Man Group).
Vă mulțumesc pentru atenție, rămâneți curioși și să aveți un weekend plăcut, tuturor! 🙂
Vă mulțumim că rămâneți cu noi. Vă plac articolele noastre? Doriți să vedeți mai multe materiale interesante? Susțineți-ne făcând o comandă sau recomandându-ne prietenilor. 30% reducere pentru utilizatorii Habr pentru un server entry-level unic, creat special pentru tine: (sunt disponibile opțiuni cu RAID1 și RAID10, până la 24 nuclee și până la 40GB DDR4).
Dell R730xd la jumătate de preț? Numai la noi în Olanda! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — de la 99 $! Citiți despre
Sursa: habr.com
