En av Superman's mest berömda förmÄgor Àr superseende, vilket gör att han kan betrakta atomer, se i mörker och pÄ stora avstÄnd samt se genom föremÄl. Denna förmÄga visas sÀllan pÄ skÀrmar, men den finns. I vÄr verklighet kan vi ocksÄ se genom praktiskt taget helt ogenomskinliga objekt genom att anvÀnda vissa vetenskapliga knep. Tidigare har de bilder som erhÄllits alltid varit svartvita, men inte lÀngre. Idag ska vi titta pÄ en forskning dÀr forskare vid Duke University (USA) lyckades ta en fÀrgbild av objekt som var dolda bakom en ogenomskinlig vÀgg med hjÀlp av en enda ljuspuls. Vad Àr denna superteknologi, hur fungerar den och inom vilka omrÄden kan den anvÀndas? Detta kommer rapporten frÄn forskargruppen att berÀtta för oss. LÄt oss börja.
Forskningsgrund
Trots alla möjliga "bonusar" med teknologin för visualisering av objekt i spridda medier, finns det ett antal problem med att implementera denna teknologi. Den frÀmsta Àr att fotonernas banor genom spridaren förÀndras kraftigt, vilket leder till slumpmÀssiga mönster. speck* pÄ andra sidan.
Speck* Àr ett slumpmÀssigt interferensmönster som skapas vid ömsesidig interferens av koherenta vÄgor som har slumpmÀssiga fasförskjutningar och/eller en slumpmÀssig intensitet. Det ser oftast ut som ett mönster av ljusa flÀckar (punkter) mot en mörk bakgrund.
Under de senaste Ă„ren har flera metoder för visualisering utvecklats som gör det möjligt att kringgĂ„ effekterna av spridaren och extrahera information om objektet frĂ„n speckelmönstret. Problemet med dessa metoder Ă€r deras begrĂ€nsningar â man mĂ„ste ha viss kunskap om objektet, ha tillgĂ„ng till spridande medium eller objekt, osv.
Samtidigt finns det en mycket mer avancerad metod, enligt forskarna â visualisering med minneffekt (ME). Denna metod möjliggör visualisering av objekt utan förhandskunskaper om objektet eller det spridande mediet. Nackdelar finns det med alla metoder, som vi vet, och ME-metoden Ă€r inget undantag. För att erhĂ„lla högkontrastiga speckmönster och dĂ€rmed mer exakta bilder mĂ„ste belysningen vara smalbandig, dvs. mindre Ă€n 1 nm.
Det Àr möjligt att kringgÄ begrÀnsningarna av ME-metoden, men dessa knep krÀver Äterigen Ätkomst till den optiska kÀllan eller objektet före spridaren, eller direkt mÀtning. PSF*.
PSF* â punktens spridningsfunktion, som beskriver bilden som systemet fĂ„r nĂ€r man observerar en punktljuskĂ€lla eller ett punktobjekt.
Forskare benÀmner dessa metoder som funktionella, men inte perfekta, dÄ mÀtning av PSF inte alltid Àr möjlig, exempelvis pÄ grund av spridarens dynamik eller dess otillgÀnglighet före visualiseringsprocessen. Med andra ord finns det fortfarande arbete kvar.
I sitt arbete föreslÄr forskarna en annan metod. De visar oss en teknik för att genomföra multispektral visualisering av objekt genom en spridande miljö med hjÀlp av en enda speckelmÀtning med en monokrom kamera. Till skillnad frÄn andra metoder krÀver denna inte förhandskunskap om PSF-systemet eller spektrumet frÄn kÀllan.
Den nya metoden möjliggör skapandet av högkvalitativa bilder av mÄlet i fem tydligt avgrÀnsade spektrala kanaler mellan 450 nm och 750 nm, vilket har bekrÀftats av berÀkningar. I praktiken har det dock hittills varit möjligt att visualisera tre tydligt avgrÀnsade spektrala kanaler mellan 450 nm och 650 nm och sex angrÀnsande spektrala kanaler mellan 515 och 575 nm.
Principen för den nya metoden
Bild 1: lampa â rumslig ljusmodulator â spridare (med irisblĂ€ndare) â kodande blĂ€ndare â prisma â optiskt relĂ€ (visualisering 1:1) â monokrom kamera.
Forskare noterar tre grundlÀggande element i varje visualisering genom en spridare: intresseobjektet (belyst utifrÄn eller sjÀlvlysande), spridaren och detektorn.
Som i standard ME-systemen, undersöker denna studie ett objekt vars vinkeldimension ligger inom ME:s synfÀlt och pÄ avstÄndet u bakom spridaren. Efter att ha interagerat med spridaren sprider sig ljuset ett avstÄnd v innan det nÄr detektorn.
Vanlig ME-visualisering anvÀnder standardkameror, medan denna metod anvÀnder en modul av kodande detektor som bestÄr av en kodande blÀndare och en optisk komponent som beror pÄ vÄglÀngd. Syftet med denna komponent Àr att unikt modulera varje spektralkanals signal innan de kombineras och omvandlas i en monokromatisk detektor.
SÄledes, istÀllet för att helt enkelt mÀta det lÄgt kontrasterande specklet, vars spektralkanaler Àr oÄterkalleligt blandade, registrerades den spektralt multiplexerade signalen, som Àr vÀl lÀmpad för separation.
Forskare understryker Äterigen att deras metod inte krÀver nÄgra förhandskÀnda egenskaper eller antaganden om spridaren eller ljuskÀllan.
Efter att preliminÀra mÀtningar av det multiplexerade specklet genomförts anvÀndes det kÀnda vÀrdet Tλ (vÄglÀngdsberoende kodande mönster) för individuell rekonstruktion av specklet i varje spektral band.
I sitt arbete, vid berÀknings- och modelleringstrinnet, tillÀmpade forskarna vissa maskininlÀrningsmetoder som kan hjÀlpa till med att genomföra en tidigare oövervÀgd metod. Först anvÀndes funktioner för inlÀrning av glesa matriser för att representera specklet.
Funktioner för inlĂ€rning* â gör att systemet automatiskt kan finna de representationer som behövs för att identifiera funktionerna i de ursprungliga datana.
Som ett resultat har en databas skapats som Àr trÀnad pÄ speckbilder frÄn olika mÀtkonfigurationer. Denna databas Àr tillrÀckligt generaliserad och oberoende av specifika objekt och spridare som deltar i genereringen av masken Iλx, y. Med andra ord, systemet trÀnas baserat pÄ en spridare som inte anvÀnds i den experimentella konfigurationen, det vill sÀga systemet har ingen tillgÄng till den, precis som forskarna avsÄg.
För att fÄ speckbilder vid varje vÄglÀngd anvÀndes OMP-algoritmen (orthogonal matching pursuit).
Slutligen, genom att berÀkna autokorrelationen av varje spektral kanal oberoende av varandra och invertera autokorrelationen vid varje vÄglÀngd, erhölls bilder av objektet. De resulterande bilderna vid varje vÄglÀngd kombinerades sedan för att skapa en fÀrgbild av objektet.
Bild nr 2: stegvist process för att skapa en bild av ett objekt.
Denna metod, enligt dess skapare, gör inga antaganden om korrelationer mellan spektrala kanaler och krÀver endast antagandet att vÄglÀngdens vÀrde Àr tillrÀckligt slumpmÀssigt. Dessutom krÀver metoden endast information om den kodande detektorn, förlitar sig pÄ förkalibrering av den kodande aperturen och en förutbildad databas. Dessa egenskaper gör metoden för visualisering ganska universell och icke-invasiv.
Resultat av simuleringen
LÄt oss börja med att titta pÄ resultaten av simuleringen.
Bild nr 3
I bilden ovan visas exempel pĂ„ multimodala bilder av tvĂ„ objekt, tagna genom en diffusor. Ăversta raden pĂ„ 3a innehĂ„ller objektet av intresse, som visas bĂ„de i falska fĂ€rger och med uppdelning efter spektral kanal. NĂ€r objektet byggs i falska fĂ€rger visas intensitetsprofilen för varje vĂ„glĂ€ngd i CIE 1931 RGB-rummet.
Det rekonstruerade objektet (nedre raden pÄ 3a) bÄde i falska fÀrger och med avseende pÄ individuella spektrala kanaler, visar att metoden ger en utmÀrkt visualisering och endast mÄttlig korsinteraktion mellan spektrala kanaler, vilket inte spelar nÄgon sÀrskild roll i processen.
Efter att ha fÄtt det rekonstruerade objektet, dvs. efter visualiseringen, var det nödvÀndigt att bedöma noggrannhetsgraden genom att jÀmföra den spektrala intensiteten (genomsnittlig över alla ljusa pixlar) av det verkliga objektet och det rekonstruerade (3b).
I bilderna 3c visas det verkliga objektet (övre raden) och den rekonstruerade bilden (nedre raden) för en cell frÄn bomullens stam, och pÄ 3d visas analys av visualiseringens noggrannhet.
För att bedöma noggrannheten i visualiseringen var det nödvÀndigt att berÀkna vÀrdena för strukturell likhetskoefficient (SSIM) och det maximala förhÄllandet mellan signal och brus (pSNR) för det verkliga objektet för varje spektral kanal.
Tabellen ovan visar att varje av de fem kanalerna har en SSIM-koefficient pĂ„ 0,8â0,9 och en PSNR pĂ„ mer Ă€n 20. Detta innebĂ€r att trots den lĂ„ga kontrasten pĂ„ speckelsignalen, möjliggör överlagringen pĂ„ detektor med fem spektrala band med en bredd av 10 nm en tillrĂ€ckligt noggrann rekonstruktion av de rumligt-spektra egenskaperna hos det studerade objektet. Med andra ord, metoden fungerar, men detta Ă€r bara resultat frĂ„n simuleringar. För att vara sĂ€kra pĂ„ sina resultat har forskarna genomfört en serie praktiska experiment.
Resultat av experimenten
En av de mest betydande skillnaderna mellan simulering och verkliga experiment Àr miljön, dvs. de förhÄllanden under vilka bÄda genomförs. I det första fallet finns det kontrollerade förhÄllanden, i det andra - oförutsÀgbara, dvs. sÄ som det blir.
Tre spektrala kanaler med en bredd pÄ 8-12 nm med centrum vid 450, 550 och 650 nm har studerats, som i kombination med olika relativa magnituder genererar ett brett fÀrgspektrum.
Bild nr 4
I bilden ovan visas en jÀmförelse mellan det verkliga objektet (den fÀrgglada bokstaven "H") och det rekonstruerade objektet. Ljusexponeringstiden (exponeringen) stÀlldes pÄ 1800 s, vilket möjliggjorde en SNR pÄ mellan 60-70 dB. En sÄdan SNR, enligt forskarna, Àr inte extremt viktig för experimentet, men fungerar som en extra bekrÀftelse pÄ effektiviteten hos deras metod, sÀrskilt i fall av komplexa objekt. I verkligheten, snarare Àn under laboratorieförhÄllanden, kan denna metod vara betydligt snabbare.
Den övre raden av bild nr 4 visar objektet vid varje vÄglÀngd (frÄn vÀnster till höger) och det verkliga fullfÀrgade objektet.
För att visualisera det verkliga objektet anvÀndes en maskinsynskamera med lÀmpliga bandfilter för att direkt visa de spektrala komponenterna och fÄ en fullfÀrgsbild genom att summera de resulterande spektrala kanalerna.
Den andra raden av bilden ovan visar autokorreleringsmönster för varje rekonstruerad spektral kanal, som bildar multiplexerade mÀtningar, vilka utgör indata till datahanteringssteget.
Den tredje raden Àr en rekonstruerad objekt i varje spektralkanalen, samt Àven en rekonstruerad fullfÀrgsobjekt, dvs. det slutliga resultatet av visualiseringen.
FullfÀrgbilden visar att de relativa vÀrdena mellan spektralkanalerna ocksÄ Àr korrekta, eftersom fÀrgen av den sammanslagna rekonstruerade bilden överensstÀmmer med det verkliga vÀrdet, och SSIM-koefficienten nÄr över 0,92 för varje kanal.
Den nedersta raden bekrÀftar detta pÄstÄende genom att visa en jÀmförelse mellan intensiteten av det verkliga objektet och det rekonstruerade. Data för bÄda överensstÀmmer i alla spektrala intervall.
Detta innebÀr att Àven om det finns brus och potentiella modellfel sÄ hindrade det inte att fÄ en högkvalitativ bild, och resultaten av experimenten stÀmmer vÀl överens med modelleringsresultaten.
Den ovan beskrivna erfarenheten genomfördes med hÀnsyn till separerade spektralkanaler. Forskarna genomförde ett annat experiment, men nu med angrÀnsande kanaler, mer exakt med ett kontinuerligt spektralintervall av 60 nm.
Bild nr 5
Som det verkliga objektet anvĂ€ndes bokstaven "X" och tecknet "+" (5a). Spektrum av bokstaven "X" Ă€r relativt jĂ€mnt och kontinuerligt â mellan 515 och 575 nm, medan "+" har ett strukturerat spektrum, huvudsakligen belĂ€get mellan 535 och 575 nm (5b). För detta experiment var exponeringen 120 s för att uppnĂ„ önskad (som tidigare) SNR pĂ„ 70 dB.
En bandpassfilter med en bredd av 60 nm anvÀndes ocksÄ över hela objektet och en lÄgpassfilter över tecknet "+". Under rekonstruktionen delas 60 nm-spektrumet upp i 6 angrÀnsande kanaler med en bredd av 10 nm (5b).
Som vi kan se frÄn bilderna 5c, överensstÀmmer de resulterande bilderna utmÀrkt med det verkliga objektet. Detta experiment visade att nÀrvaron eller frÄnvaron av spektrala korrelationer i den uppmÀtta speckeln inte pÄverkar effektiviteten hos den undersökta visualiseringstekniken. SjÀlva forskarna anser att det Àr mindre spektrala egenskaper hos objektet som spelar större roll i visualiseringsprocessen, utan snarare kalibreringen av systemet och detaljerna av dess kodande detektor.
För en mer detaljerad förstÄelse av forskningsnyanserna rekommenderar jag att du kollar in och till detta.
Epilog
I denna studie beskriver forskarna en ny metod för multispektral visualisering genom en spridare. Moduleringen av specklet, som beror pÄ vÄglÀngden, med hjÀlp av en kodande öppning, gjorde det möjligt att utföra en multiplexerad mÀtning och berÀkna specklet med hjÀlp av en OMP-algoritm baserad pÄ maskininlÀrning.
Genom att anvÀnda den flerfÀrgade bokstaven 'N' visade forskarna att fokusering pÄ fem spektrala kanaler, som motsvarar lila, grön och tre nyanser av röd, gör det möjligt att fÄ en rekonstruktion av bilden som innehÄller alla fÀrger av originalet (blÄ, gul osv.).
Enligt forskarna kan deras metod vara anvĂ€ndbar sĂ„vĂ€l inom medicin som astronomi. FĂ€rg bĂ€r pĂ„ viktig information i bĂ„da riktningarna: inom astronomi â den kemiska sammansĂ€ttningen av de studerade objekten, inom medicin â den molekylĂ€ra sammansĂ€ttningen av celler och vĂ€vnader.
I detta skede noterar forskarna endast ett problem som kan orsaka visualiseringens otillrÀcklighet, nÀmligen modelleringsfel. PÄ grund av den relativt lÄnga tiden som krÀvs för att utföra processen kan förÀndringar i omgivningen intrÀffa, vilka inte beaktas i förberedelsefasen. Det planeras dock att hitta en metod för att mildra detta problem, vilket gör att den beskrivna visualiseringsmetoden kan bli bÄde exakt och stabil under alla förhÄllanden.
Fredags-off-topic:
Ljus, fÀrg, musik och trion av de mest berömda blÄ 'galningarna' i vÀrlden (Blue Man Group).
Tack för uppmĂ€rksamheten, hĂ„ll er nyfikna och ha en hĂ€rlig helg, allihopa! đ
Tack för att ni stannar med oss. Gillar ni vÄra artiklar? Vill ni se mer intressant material? Stöd oss genom att göra en bestÀllning eller rekommendera oss till vÀnner, 30% rabatt för Habr-anvÀndare pÄ vÄrt unika alternativ till entry-level servrar, som vi har designat för er: (alternativ med RAID1 och RAID10 finns tillgÀngliga, upp till 24 kÀrnor och upp till 40GB DDR4).
Dell R730xd till halva priset? Bara hos oss i NederlĂ€nderna! Dell R420 â 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB â frĂ„n $99! LĂ€s om
KĂ€lla: habr.com
