Një nga aftësitë më të famshme të Supermenit është supervizioni, i cili e lejoi atë të shikonte atomet, të shihte në errësirë dhe në distanca të mëdha dhe madje të shihte nëpër objekte. Kjo aftësi shfaqet jashtëzakonisht rrallë në ekran, por ekziston. Në realitetin tonë, është gjithashtu e mundur të shihen përmes objekteve pothuajse plotësisht të errëta duke përdorur disa truke shkencore. Megjithatë, imazhet që rezultuan ishin gjithmonë bardh e zi, deri vonë. Sot do të shikojmë një studim në të cilin shkencëtarët nga Universiteti Duke (SHBA) ishin në gjendje të bënin një fotografi me ngjyra të objekteve të fshehura pas një muri të errët duke përdorur një ekspozim të vetëm drite. Çfarë është kjo super teknologji, si funksionon dhe në cilat fusha mund të përdoret? Raporti i grupit hulumtues do të na tregojë për këtë. Shkoni.
Baza e studimit
Pavarësisht të gjitha përfitimeve të mundshme të teknologjisë për vizualizimin e objekteve në media shpërndarëse, ka një sërë problemesh në zbatimin e kësaj teknologjie. Kryesorja është fakti se shtigjet e fotoneve që kalojnë nëpër shpërndarësin ndryshojnë shumë, gjë që çon në modele të rastësishme njolla* ne anen tjeter.
Pika* është një model interferenci i rastësishëm i formuar nga ndërhyrja reciproke e valëve koherente që kanë zhvendosje të rastësishme fazore dhe/ose një grup të rastësishëm intensiteti. Më shpesh duket si një grup njollash të lehta (pika) në një sfond të errët.
Vitet e fundit, janë zhvilluar disa teknika imazherike për të anashkaluar efektet shpërndarëse dhe për të nxjerrë informacionin e objektit nga modeli i njollave. Problemi me këto teknika janë kufizimet e tyre - ju duhet të keni njohuri të caktuara për objektin, të keni akses në mediumin ose objektin shpërndarës, etj.
Në të njëjtën kohë, ekziston një metodë shumë më e avancuar, sipas shkencëtarëve - vizualizimi me efekt kujtese (ME). Kjo metodë ju lejon të vizualizoni një objekt pa njohuri paraprake për veten ose mediumin e shpërndarjes. Të gjithë kanë mangësi, siç e dimë, dhe metoda ME nuk bën përjashtim. Për të marrë modele pikash me kontrast të lartë dhe, në përputhje me rrethanat, imazhe më të sakta, ndriçimi duhet të jetë me brez të ngushtë, d.m.th. më pak se 1 nm.
Është gjithashtu e mundur të tejkalohen kufizimet e metodës ME, por përsëri këto truke përfshijnë qasjen në burimin ose objektin optik përpara difuzorit, ose matjen e drejtpërdrejtë PSF*.
PSF* - një funksion i përhapjes së pikës që përshkruan imazhin që merr sistemi i imazhit kur vëzhgon një burim drite me pikë ose një objekt me pikë.
Studiuesit i quajnë këto metoda të zbatueshme, por jo perfekte, pasi matja e PSF nuk është gjithmonë e mundur, për shembull, për shkak të dinamikës së shpërndarjes ose paarritshmërisë së tij përpara procedurës së imazhit. Me fjalë të tjera, ka diçka për të punuar.
Në punën e tyre, studiuesit propozojnë një qasje të ndryshme. Ata na tregojnë një metodë për realizimin e imazheve multispektrale të objekteve përmes një mediumi shpërndarës duke përdorur një matje të vetme njollash me një kamerë njëngjyrëshe. Ndryshe nga teknikat e tjera, kjo nuk kërkon njohuri paraprake të sistemit PSF ose spektrit të burimit.
Metoda e re prodhon imazhe me cilësi të lartë të objektit të synuar në pesë kanale spektrale të ndara mirë midis 450 nm dhe 750 nm, gjë që u konfirmua nga llogaritjet. Në praktikë, deri më tani ka qenë e mundur të vizualizohen tre kanale spektrale të ndara mirë midis 450 nm dhe 650 nm dhe gjashtë kanale spektrale ngjitur midis 515 dhe 575 nm.
Si funksionon metoda e re
Imazhi nr. 1: llambë - modulator hapësinor i dritës - difuzor (me diafragmë irisit) - aperturë koduese - prizëm - rele optike (vizualizimi 1:1) - kamera monokrome.
Studiuesit vënë në dukje tre elementë bazë të çdo imazhi me difuzion: objektin e interesit (të ndriçuar nga jashtë ose vetë-ndriçues), difuzorin dhe detektorin.
Ashtu si në sistemet standarde ME, ky studim merr në konsideratë një objekt, madhësia këndore e të cilit ndodhet brenda fushës së shikimit ME dhe në një distancë u pas difuzorit. Pas ndërveprimit me shpërndarësin, drita përshkon një distancë v përpara se të arrijë në detektor.
Imazhi konvencional ME përdor kamera standarde, por kjo metodë përdor një modul detektor kodues që përbëhet nga një hapje kodimi dhe një element optik i varur nga gjatësia e valës. Qëllimi i këtij elementi është të modulojë në mënyrë unike çdo kanal spektral përpara se t'i kombinojë dhe t'i shndërrojë në një detektor monokrom.
Kështu, në vend që thjesht të matej njolla me kontrast të ulët, kanalet spektrale të të cilave janë të përziera në mënyrë të pandashme, u regjistrua një sinjal i multipleksuar spektralisht, i cili është i përshtatshëm për ndarje.
Studiuesit edhe një herë theksojnë se metoda e tyre nuk kërkon ndonjë karakteristikë ose supozim të njohur më parë në lidhje me shpërndarësin ose burimin e dritës.
Pas bërjes së matjeve paraprake të njollës së shumëfishuar, vlera e njohur e Tλ (modeli kodues i varur nga gjatësia e valës) u përdor për të rindërtuar individualisht njollën në çdo brez spektral.
Në punën e tyre, në fazën e llogaritjeve dhe modelimit, shkencëtarët përdorën disa metoda të mësimit të makinerive që mund të ndihmojnë në zbatimin e një metode të pamenduar më parë. Së pari, mësimi i veçorive të matricës së rrallë u përdor për të përfaqësuar njolla.
Mësimi i veçorive * — lejon sistemin të gjejë automatikisht paraqitjet e nevojshme për të identifikuar veçoritë e të dhënave burimore.
Rezultati ishte një bazë të dhënash e trajnuar mbi imazhet e pikave nga konfigurime të ndryshme matjeje. Kjo bazë është mjaft e përgjithësuar dhe nuk varet nga objekte specifike dhe shpërndarës që marrin pjesë në gjenerimin e maskës Iλx, y. Me fjalë të tjera, sistemi trajnohet në bazë të një difuzori që nuk përdoret në konfigurimin eksperimental, d.m.th. sistemi nuk ka akses në të, siç donin studiuesit.
Algoritmi OMP u përdor për të marrë imazhe pikash në çdo gjatësi vale (ndjekja e përputhjes ortogonale).
Së fundi, duke llogaritur autokorrelacionin e çdo kanali spektral në mënyrë të pavarur dhe duke përmbysur autokorrelacionin në çdo gjatësi vale, u përftuan imazhe të objektit. Imazhet që rezultojnë në çdo gjatësi vale më pas kombinohen për të krijuar një imazh me ngjyra të objektit.
Imazhi nr. 2: procesi hap pas hapi i kompozimit të një imazhi të një objekti.
Kjo teknikë, sipas krijuesve të saj, nuk bën supozime për korrelacionet midis kanaleve spektrale dhe kërkon vetëm supozimin se vlera e gjatësisë së valës është mjaft e rastësishme. Për më tepër, kjo metodë kërkon vetëm informacione për detektorin e kodimit, duke u mbështetur në kalibrimin paraprak të hapjes së kodimit dhe një bibliotekë të dhënash të trajnuar paraprakisht. Këto karakteristika e bëjnë këtë metodë imazherike shumë të gjithanshme dhe jo invazive.
Rezultatet e simulimit
Së pari, le të shohim rezultatet e simulimit.
Imazhi numër 3
Imazhi i mësipërm tregon shembuj të një imazhi multispektral të dy objekteve të marra përmes një difuzori. Rreshti i sipërm aktiv 3a përmban një objekt interesi të përbërë nga disa numra, të treguar me ngjyra të rreme dhe të zbërthyer sipas kanalit spektral. Kur vizatoni një objekt me ngjyra të rreme, profili i intensitetit të secilës gjatësi vale shfaqet në hapësirën CIE 1931 RGB.
Objekti i rindërtuar (rreshti i poshtëm në 3a) si me ngjyra të rreme ashtu edhe për sa i përket kanaleve spektrale individuale, tregon se teknika ofron vizualizim të shkëlqyeshëm dhe vetëm ndërlidhje të vogla midis kanaleve spektrale, gjë që nuk luan një rol të veçantë në proces.
Pas marrjes së objektit të rindërtuar, d.m.th. Pas paraqitjes, ishte e nevojshme të vlerësohej shkalla e saktësisë duke krahasuar intensitetin spektral (mesatarisht mbi të gjitha pikselët e ndritshëm) të objektit real dhe atij të rindërtuar (3b).
Në imazhet 3c tregon një objekt real (rreshti i sipërm) dhe një imazh i rindërtuar (rreshti i poshtëm) për një qelizë staminale pambuku, dhe në 3d tregohet një analizë e saktësisë së vizualizimit.
Për të vlerësuar saktësinë e imazhit, ishte e nevojshme të llogariteshin vlerat e indeksit të ngjashmërisë strukturore (SSIM) dhe raporti maksimal i sinjalit ndaj zhurmës (pSNR) të objektit real për çdo kanal spektral.
Tabela e mësipërme tregon se secili nga pesë kanalet ka një koeficient SSIM prej 0,8-0,9 dhe një PSNR prej më shumë se 20. Nga kjo rrjedh se pavarësisht nga kontrasti i ulët i sinjalit të pikave, mbivendosja e pesë brezave spektrale me gjerësi 10 nm në detektor mundëson rindërtim mjaft të saktë të vetive hapësinore-spektrale të objektit që studiohet. Me fjalë të tjera, teknika funksionon, por këto janë vetëm rezultate simulimi. Për të fituar besim të plotë në punën e tyre, shkencëtarët kryen një sërë eksperimentesh praktike.
Rezultatet eksperimentale
Një nga ndryshimet më domethënëse midis simulimit dhe eksperimenteve reale është mjedisi, d.m.th. kushtet në të cilat kryhen të dyja. Në rastin e parë ka kushte të kontrolluara, në të dytin ka kushte të paparashikueshme, d.m.th. do të shohim si do të shkojë.
Janë marrë në konsideratë tre kanale spektrale me gjerësi 8-12 nm me qendër në 450, 550 dhe 650 nm, të cilat, kur kombinohen me madhësi të ndryshme relative, gjenerojnë një gamë të gjerë ngjyrash.
Imazhi numër 4
Imazhi i mësipërm tregon një krahasim midis objektit real (H me shumë ngjyra) dhe atij të rindërtuar. Koha e ekspozimit të dritës (shpejtësia e diafragmës, d.m.th. ekspozimi) u vendos në 1800 s, gjë që bëri të mundur marrjen e një SNR në intervalin 60-70 dB. Ky tregues SNR, sipas shkencëtarëve, nuk është jashtëzakonisht i rëndësishëm për eksperimentin, por shërben si konfirmim shtesë i performancës së teknikës së tyre, veçanërisht në rastin e objekteve komplekse. Në realitet, dhe jo në kushte laboratorike, kjo metodë mund të jetë një rend i madhësisë më shpejt.
Rreshti i sipërm i imazhit #4 tregon objektin në çdo gjatësi vale (nga e majta në të djathtë) dhe objektin aktual me ngjyrë të plotë.
Për të marrë një imazh të objektit real si rezultat i imazhit, u përdor një aparat fotografik kompjuterik me filtra të përshtatshëm brezkalimi për të imazhuar drejtpërdrejt komponentët spektralë dhe për të marrë një imazh me ngjyra të plota duke përmbledhur kanalet spektrale që rezultojnë.
Rreshti i dytë i figurës së mësipërme tregon modelet e autokorrelacionit të çdo kanali spektral të rindërtuar duke formuar matjet e shumëfishta që janë hyrje në fazën e përpunimit të të dhënave.
Rreshti i tretë është objekti i rindërtuar në çdo kanal spektral, si dhe objekti i rindërtuar me ngjyra të plota, d.m.th. rezultati përfundimtar i vizualizimit.
Imazhi me ngjyra të plota tregon se madhësitë relative midis kanaleve spektrale janë gjithashtu të sakta, pasi ngjyra e imazhit të rindërtuar të kombinuar përputhet me vlerën reale dhe koeficienti SSIM arrin më shumë se 0,92 për çdo kanal.
Rreshti i poshtëm konfirmon këtë deklaratë, duke treguar një krahasim të intensitetit të objektit real dhe atij të rindërtuar. Të dhënat nga të dyja përkojnë në të gjitha vargjet spektrale.
Nga kjo rezulton se edhe prania e zhurmës dhe gabimet e mundshme të modelimit nuk na penguan të merrnim një imazh me cilësi të lartë, dhe rezultatet eksperimentale korreluan mirë me rezultatet e modelimit.
Eksperimenti i përshkruar më sipër u krye duke marrë parasysh kanalet spektrale të ndara. Shkencëtarët kryen një tjetër eksperiment, por këtë herë me kanale ngjitur, ose më mirë me një gamë të vazhdueshme spektrale prej 60 nm.
Imazhi numër 5
Objekti i vërtetë ishte shkronja "X" dhe shenja "+" (5a). Spektri i shkronjës "X" është relativisht uniform dhe i vazhdueshëm - midis 515 dhe 575 nm, por "+" ka një spektër të strukturuar, i vendosur kryesisht midis 535 dhe 575 nm (5b). Për këtë eksperiment, ekspozimi ishte 120 s për të arritur SNR-në e dëshiruar (si më parë) prej 70 dB.
Një filtër brezi i gjerë 60 nm u përdor gjithashtu mbi të gjithë objektin dhe një filtër me kalim të ulët mbi shenjën "+". Gjatë rindërtimit, spektri 60 nm ndahet në 6 kanale ngjitur me një gjerësi prej 10 nm (5b).
Siç mund ta shohim nga imazhet Vitet 5, imazhet që rezultojnë janë në përputhje të shkëlqyer me objektin real. Ky eksperiment tregoi se prania ose mungesa e korrelacioneve spektrale në njollën e matur nuk ndikon në efektivitetin e teknikës së imazhit në studim. Vetë shkencëtarët besojnë se një rol shumë më të madh në procesin e vizualizimit, ose më saktë në suksesin e tij, luhet jo aq nga karakteristikat spektrale të objektit, sa nga kalibrimi i sistemit dhe detajet e detektorit të tij kodues.
Për një vështrim më të detajuar të nuancave të studimit, ju rekomandoj t'i hidhni një sy и atij
epilog
Në këtë punë, shkencëtarët përshkruan një metodë të re të imazhit multispektral përmes një difuzori. Modulimi i pikave të varura nga gjatësia e valës duke përdorur një hapje kodimi mundësoi një matje të vetme të shumëfishtë dhe llogaritjen e pikave duke përdorur një algoritëm OMP të bazuar në mësimin e makinës.
Duke përdorur shkronjën shumëngjyrëshe "H" si shembull, shkencëtarët treguan se fokusimi në pesë kanale spektrale që korrespondojnë me vjollcën, jeshile dhe tre nuancat e së kuqes lejon që dikush të marrë një rindërtim të imazhit që përmban të gjitha ngjyrat e origjinalit (blu, të verdhë, etj.).
Sipas studiuesve, teknika e tyre mund të jetë e dobishme si në mjekësi ashtu edhe në astronomi. Ngjyra mbart informacion të rëndësishëm në të dy drejtimet: në astronomi - përbërja kimike e objekteve që studiohen, në mjekësi - përbërja molekulare e qelizave dhe indeve.
Në këtë fazë, shkencëtarët vërejnë vetëm një problem që mund të shkaktojë pasaktësi vizualizimi: gabimet e modelimit. Për shkak të kohës mjaft të gjatë të nevojshme për të përfunduar procesin, mund të ndodhin ndryshime në mjedis që do të sjellin rregullime që nuk janë marrë parasysh në fazën e përgatitjes. Megjithatë, në të ardhmen ne planifikojmë të gjejmë një mënyrë për të zbutur këtë problem, e cila do ta bëjë teknikën e përshkruar të imazhit jo vetëm të saktë, por edhe të qëndrueshme në çdo kusht.
E premte jashtë topit:
Dritat, ngjyrat, muzika dhe një treshe e çuditshëm blu më të famshëm në botë (Blue Man Group).
Faleminderit që lexoni, qëndroni kurioz dhe kaloni një fundjavë të mrekullueshme djema! 🙂
Faleminderit që qëndruat me ne. A ju pëlqejnë artikujt tanë? Dëshironi të shihni përmbajtje më interesante? Na mbështesni duke bërë një porosi ose duke rekomanduar miqve, 30% zbritje për përdoruesit e Habr në një analog unik të serverëve të nivelit të hyrjes, i cili u shpik nga ne për ju: (e disponueshme me RAID1 dhe RAID10, deri në 24 bërthama dhe deri në 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 herë më lirë? Vetëm këtu në Holandë! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - nga 99 dollarë! Lexoni rreth
Burimi: www.habr.com