Видети готово невидљиво, такође у боји: техника визуелизације објеката кроз дифузор

Једна од најпознатијих Суперменових способности је супер визија, која му је омогућила да гледа у атоме, види у мраку и на великим удаљеностима, па чак и кроз објекте. Ова способност се изузетно ретко приказује на екрану, али постоји. У нашој стварности могуће је и кроз неке научне трикове прозрети готово потпуно непрозирне објекте. Међутим, настале слике су увек биле црно-беле, све до недавно. Данас ћемо погледати студију у којој су научници са Универзитета Дјук (САД) успели да направе фотографију у боји објеката скривених иза непрозирног зида користећи једну експозицију светлости. Шта је ово супер технологија, како функционише и у којим областима се може користити? О томе ће нам рећи извештај истраживачке групе. Иди.

Основа истраживања

Упркос свим могућим предностима технологије за визуелизацију објеката у распршеним медијима, постоји низ проблема у имплементацији ове технологије. Главна је чињеница да се путање фотона који пролазе кроз распршивач у великој мери мењају, што доводи до насумичних образаца мрље* с друге стране.

пега* је случајни интерферентни образац формиран међусобном интерференцијом кохерентних таласа који имају насумичне фазне помаке и/или насумични скуп интензитета. Најчешће изгледа као скуп светлих тачака (тачака) на тамној позадини.

Последњих година развијено је неколико техника снимања како би се заобишли ефекти расејања и извукле информације о објекту из шаре шара. Проблем са овим техникама су њихова ограничења - потребно је да имате одређено знање о објекту, да имате приступ медијуму за распршивање или објекту, итд.

Истовремено, постоји много напреднија метода, према научницима – визуализација са меморијским ефектом (МЕ). Овај метод вам омогућава да визуализујете објекат без претходног знања о себи или распршивачу. Сви имају недостатке, као што знамо, а МЕ метода није изузетак. Да би се добили спекле узорци високог контраста и, сходно томе, тачније слике, осветљење мора бити ускопојасно, тј. мање од 1 нм.

Такође је могуће надмудрити ограничења МЕ методе, али опет ови трикови укључују приступ оптичком извору или објекту пре дифузора, или директно мерење ПСФ*.

ПСФ* - функција ширења тачке која описује слику коју систем за снимање добија када посматра тачкасти извор светлости или тачкасти објекат.

Истраживачи ове методе називају изводљивим, али не и савршеним, пошто ПСФ мерење није увек могуће због, на пример, динамике распршивача или његове неприступачности пре поступка снимања. Другим речима, има на чему да се ради.

У свом раду истраживачи предлажу другачији приступ. Они нам показују метод за остваривање мултиспектралног снимања објеката кроз распршујући медијум коришћењем једног мерења спекла монохроматском камером. За разлику од других техника, ово не захтева претходно познавање ПСФ система или изворног спектра.

Нова метода производи висококвалитетне слике циљног објекта у пет добро раздвојених спектралних канала између 450 нм и 750 нм, што је потврђено прорачунима. У пракси је до сада било могуће визуализовати три добро раздвојена спектрална канала између 450 нм и 650 нм и шест суседних спектралних канала између 515 и 575 нм.

Како функционише нова метода

Слика бр. 1: лампа - просторни модулатор светлости - дифузор (са ирис дијафрагмом) - отвор за кодирање - призма - оптички релеј (визуелизација 1:1) - монохроматска камера.

Истраживачи примећују три основна елемента било ког дифузора: предмет интересовања (спољно осветљен или самосветлећи), дифузор и детектор.

Као иу стандардним МЕ системима, ова студија разматра објекат чија се угаона величина налази унутар МЕ видног поља и на растојању у иза дифузора. Након интеракције са дифузором, светлост путује растојање в пре него што стигне до детектора.

Конвенционално МЕ снимање користи стандардне камере, али овај метод користи модул детектора за кодирање који се састоји од отвора за кодирање и оптичког елемента који зависи од таласне дужине. Сврха овог елемента је да јединствено модулише сваки спектрални канал пре него што их комбинује и конвертује у монохроматски детектор.

Дакле, уместо једноставног мерења спекла ниског контраста чији су спектрални канали нераскидиво мешани, снимљен је спектрално мултиплексирани сигнал, који је веома погодан за раздвајање.

Истраживачи још једном наглашавају да њихов метод не захтева никакве унапред познате карактеристике или претпоставке о дифузору или извору светлости.

Након прелиминарних мерења мултиплексованог спекла, позната вредност Тλ (таласно-зависни образац кодирања) је коришћена за индивидуалну реконструкцију спекла у сваком спектралном опсегу.

У свом раду, у фази прорачуна и моделирања, научници су користили одређене методе машинског учења које могу помоћи у имплементацији раније неразмотрене методе. Прво, учење о ретким матричним карактеристикама коришћено је за представљање спекла.

Функција учења* — омогућава систему да аутоматски пронађе репрезентације неопходне за идентификацију карактеристика изворних података.

Резултат је била база података обучена на спекле сликама из различитих конфигурација мерења. Ова база је прилично генерализована и не зависи од конкретних објеката и расејача који учествују у генерисању маске Иλк, и. Другим речима, систем је обучен на основу дифузора који се не користи у експерименталној конфигурацији, тј. систем нема приступ њему, као што су истраживачи желели.

ОМП алгоритам је коришћен за добијање спекле слика на свакој таласној дужини (потрага за ортогоналним подударањем).

Коначно, израчунавањем аутокорелације сваког спектралног канала независно и инвертовањем аутокорелације на свакој таласној дужини, добијене су слике објекта. Добијене слике на свакој таласној дужини се затим комбинују да би се створила слика објекта у боји.

Слика број 2: корак по корак процес састављања слике објекта.
Ова техника, према њеним креаторима, не даје никакве претпоставке о корелацијама између спектралних канала и само захтева претпоставку да је вредност таласне дужине прилично насумична. Поред тога, овај метод захтева само информације о детектору кодирања, ослањајући се на претходну калибрацију отвора за кодирање и унапред обучену библиотеку података. Ове карактеристике чине ову методу снимања веома разноврсном и неинвазивном.

Резултати симулације

Прво, погледајмо резултате симулације.

Слика #3

Слика изнад приказује примере мултиспектралне слике два објекта снимљена кроз дифузор. Горњи ред на КСНУМКС садржи објекат од интереса који се састоји од неколико бројева, приказаних лажном бојом и рашчлањених по спектралним каналима. Када се црта објекат у лажној боји, профил интензитета сваке таласне дужине се приказује у ЦИЕ 1931 РГБ простору.

Реконструисани објекат (доњи ред на КСНУМКС) како у лажној боји тако иу смислу појединачних спектралних канала, показује да техника пружа одличну визуализацију и само мање преслушавање између спектралних канала, што не игра посебну улогу у процесу.

Након пријема реконструисаног објекта, тј. Након рендеровања, било је потребно проценити степен тачности упоређивањем спектралног интензитета (усредњеног по свим светлим пикселима) стварног објекта и реконструисаног (3b).

На сликама 3c приказује прави објекат (горњи ред) и реконструисану слику (доњи ред) за матичну ћелију памука, а у 3d приказана је анализа тачности визуелизације.

Да би се проценила тачност снимања, било је потребно израчунати вредности индекса структурне сличности (ССИМ) и вршни однос сигнал-шум (пСНР) стварног објекта за сваки спектрални канал.

Горња табела показује да сваки од пет канала има ССИМ коефицијент од 0,8–0,9 и ПСНР већи од 20. Из тога следи да упркос ниском контрасту спекле сигнала, суперпозиција пет спектралних трака ширине 10 нм на детектору омогућава прилично прецизну реконструкцију просторно-спектралних својстава објекта који се проучава. Другим речима, техника функционише, али ово су само резултати симулације. Да би стекли потпуно поверење у свој рад, научници су спровели низ практичних експеримената.

Експериментални резултати

Једна од најзначајнијих разлика између симулације и реалних експеримената је окружење, тј. условима у којима се оба спроводе. У првом случају постоје контролисани услови, у другом непредвидиви услови, тј. видећемо како ће бити.

Разматрана су три спектрална канала ширине 8–12 нм са центром на 450, 550 и 650 нм, који, у комбинацији са различитим релативним величинама, генеришу широк спектар боја.

Слика #4

Слика изнад приказује поређење између стварног објекта (разнобојног "Х") и реконструисаног. Време експозиције светлости (брзина затварача, тј. експозиција) је подешено на 1800 с, што је омогућило добијање СНР у опсегу од 60-70 дБ. Овај индикатор СНР, према научницима, није изузетно важан за експеримент, али служи као додатна потврда перформанси њихове технике, посебно у случају сложених објеката. У стварности, а не у лабораторијским условима, овај метод може бити за ред величине бржи.

Горњи ред слике #4 приказује објекат на свакој таласној дужини (с лева на десно) и стварни објекат у пуној боји.

Да би се добила слика стварног објекта као резултат снимања, коришћена је камера за компјутерски вид са одговарајућим пропусним филтерима за директну слику спектралних компоненти и добијање слике у пуној боји сумирањем резултирајућих спектралних канала.

Други ред горње слике приказује обрасце аутокорелације сваког реконструисаног спектралног канала који формирају мултиплексирана мерења која су улаз у фазу обраде података.

Трећи ред је реконструисани објекат у сваком спектралном каналу, као и реконструисани објекат у пуној боји, тј. коначни резултат визуелизације.

Слика у пуној боји показује да су релативне величине између спектралних канала такође тачне, пошто боја комбиноване реконструисане слике одговара стварној вредности, а ССИМ коефицијент достиже већи од 0,92 за сваки канал.

Доњи ред потврђује ову тврдњу, приказујући поређење интензитета стварног и реконструисаног објекта. Подаци из оба се поклапају у свим спектралним опсезима.

Из овога следи да нас чак ни присуство шума и потенцијалних грешака у моделирању није спречило да добијемо квалитетну слику, а експериментални резултати су добро корелирали са резултатима моделирања.

Горе описани експеримент је изведен узимајући у обзир одвојене спектралне канале. Научници су спровели још један експеримент, али овог пута са суседним каналима, тачније са континуираним спектралним опсегом од 60 нм.

Слика #5

Прави објекат је било слово „Кс“ и знак „+“ (КСНУМКС). Спектар слова „Кс“ је релативно уједначен и континуиран - између 515 и 575 нм, али „+“ има структуриран спектар, углавном лоциран између 535 и 575 нм (5b). За овај експеримент, експозиција је била 120 с да би се постигао жељени (као и раније) СНР од 70 дБ.

Појасни филтер ширине 60 нм је такође коришћен преко целог објекта и нископропусни филтер изнад знака „+“. Током реконструкције, спектар од 60 нм је подељен на 6 суседних канала ширине 10 нм (5b).

Као што видимо из слика КСНУМКСс, добијене слике се одлично слажу са стварним објектом. Овај експеримент је показао да присуство или одсуство спектралних корелација у измереном спеклу не утиче на ефикасност технике снимања која се проучава. Сами научници верују да много већу улогу у процесу визуелизације, односно у његовом успеху, играју не толико спектралне карактеристике објекта колико калибрација система и детаљи детектора његовог кодирања.

За детаљнији поглед на нијансе студије, препоручујем да погледате саопштавају научници и Додатни материјали њему.

Епилог

У овом раду научници су описали нову методу мултиспектралног снимања кроз дифузор. Спекл модулација зависна од таласне дужине коришћењем отвора за кодирање омогућила је једно мултиплексно мерење и израчунавање спекла коришћењем ОМП алгоритма заснованог на машинском учењу.

Користећи вишебојно слово „Х“ као пример, научници су показали да фокусирање на пет спектралних канала који одговарају љубичастој, зеленој и три нијансе црвене омогућава да се добије реконструкција слике која садржи све боје оригинала (плава, жута итд.).

Према истраживачима, њихова техника може бити корисна и у медицини и у астрономији. Боја носи важне информације у оба смера: у астрономији - хемијски састав објеката који се проучавају, у медицини - молекуларни састав ћелија и ткива.

У овој фази, научници примећују само један проблем који може изазвати нетачности у визуализацији: грешке у моделирању. Због прилично дугог времена потребног за завршетак процеса, може доћи до промена у окружењу које ће увести прилагођавања која нису узета у обзир у фази припреме. Међутим, у будућности планирамо да пронађемо начин да ублажимо овај проблем, који ће описану технику снимања учинити не само тачном, већ и стабилном у свим условима.

петак ван врха:

Светла, боје, музика и трио најпознатијих светских плавих чудака (Блуе Ман Гроуп).

Хвала на читању, останите радознали и угодан викенд момци! 🙂

Хвала вам што сте остали са нама. Да ли вам се свиђају наши чланци? Желите да видите још занимљивијег садржаја? Подржите нас тако што ћете наручити или препоручити пријатељима, 30% попуста за кориснике Хабра на јединствени аналог сервера почетног нивоа, који смо ми измислили за вас: Цела истина о ВПС (КВМ) Е5-2650 в4 (6 језгара) 10ГБ ДДР4 240ГБ ССД 1Гбпс од 20 долара или како делити сервер? (доступно са РАИД1 и РАИД10, до 24 језгра и до 40 ГБ ДДР4).

Делл Р730кд 2 пута јефтинији? Само овде 2 к Интел ТетраДеца-Цоре Ксеон 2к Е5-2697в3 2.6ГХз 14Ц 64ГБ ДДР4 4к960ГБ ССД 1Гбпс 100 ТВ од 199 УСД у Холандији! Делл Р420 - 2к Е5-2430 2.2Гхз 6Ц 128ГБ ДДР3 2к960ГБ ССД 1Гбпс 100ТБ - од 99 долара! Читали о Како изградити инфраструктурну корпорацију. класе уз коришћење Делл Р730кд Е5-2650 в4 сервера у вредности од 9000 евра за пени?

Извор: ввв.хабр.цом