Ang isa sa pinakatanyag na kakayahan ng Superman ay ang super vision, na nagbigay-daan sa kanya na tumingin sa mga atom, makakita sa dilim at sa malalayong distansya, at kahit na makakita sa mga bagay. Ang kakayahang ito ay napakabihirang ipakita sa screen, ngunit ito ay umiiral. Sa ating realidad, posible ring makita ang halos ganap na mga opaque na bagay sa pamamagitan ng paggamit ng ilang mga pang-agham na trick. Gayunpaman, ang mga nagresultang larawan ay palaging nasa itim at puti, hanggang kamakailan lamang. Ngayon ay titingnan natin ang isang pag-aaral kung saan ang mga siyentipiko mula sa Duke University (USA) ay nakakuha ng isang kulay na litrato ng mga bagay na nakatago sa likod ng isang malabo na dingding gamit ang isang solong pagkakalantad sa liwanag. Ano ang sobrang teknolohiyang ito, paano ito gumagana at sa anong mga lugar ito magagamit? Ang ulat ng pangkat ng pananaliksik ay magsasabi sa atin tungkol dito. Pumunta ka.
Batayan sa pananaliksik
Sa kabila ng lahat ng posibleng benepisyo ng teknolohiya para sa paggunita ng mga bagay sa scattering media, may ilang mga problema sa pagpapatupad ng teknolohiyang ito. Ang pangunahing isa ay ang katotohanan na ang mga landas ng mga photon na dumadaan sa scatterer ay lubos na nagbabago, na humahantong sa mga random na pattern speckles* sa kabila.
Speckle* ay isang random na pattern ng interference na nabuo sa pamamagitan ng magkaparehong interference ng magkakaugnay na mga alon na may mga random na phase shift at/o isang random na set ng intensity. Kadalasan ito ay mukhang isang hanay ng mga light spot (tuldok) sa isang madilim na background.
Sa mga nakalipas na taon, maraming mga diskarte sa imaging ang binuo upang iwasan ang mga epekto ng scatterer at kunin ang impormasyon ng bagay mula sa pattern ng speckle. Ang problema sa mga diskarteng ito ay ang kanilang mga limitasyon - kailangan mong magkaroon ng ilang kaalaman tungkol sa bagay, magkaroon ng access sa scattering medium o object, atbp.
Kasabay nito, mayroong isang mas advanced na paraan, ayon sa mga siyentipiko - visualization na may memory effect (ME). Ang pamamaraang ito ay nagbibigay-daan sa iyo upang mailarawan ang isang bagay nang walang paunang kaalaman tungkol sa sarili nito o sa scattering medium. Ang bawat tao'y may mga pagkukulang, tulad ng alam natin, at ang ME method ay walang exception. Upang makakuha ng mga high-contrast speckle pattern at, nang naaayon, mas tumpak na mga imahe, ang pag-iilaw ay dapat na makitid-band, i.e. mas mababa sa 1 nm.
Posible rin na dayain ang mga limitasyon ng ME method, ngunit muli ang mga trick na ito ay kinabibilangan ng pag-access sa optical source o object bago ang diffuser, o direktang pagsukat. PSF*.
PSF* - isang point spread function na naglalarawan sa imahe na natatanggap ng imaging system kapag nagmamasid sa isang point light source o isang point object.
Tinatawag ng mga mananaliksik ang mga pamamaraang ito na magagawa, ngunit hindi perpekto, dahil ang pagsukat ng PSF ay hindi laging posible dahil, halimbawa, sa dynamics ng scatterer o ang hindi naa-access nito bago ang pamamaraan ng imaging. Sa madaling salita, may dapat gawin.
Sa kanilang trabaho, ang mga mananaliksik ay nagmumungkahi ng ibang diskarte. Nagpapakita sila sa amin ng isang paraan para sa pagsasakatuparan ng multispectral imaging ng mga bagay sa pamamagitan ng isang scattering medium gamit ang isang solong speckle measurement gamit ang isang monochrome camera. Hindi tulad ng ibang mga diskarte, hindi ito nangangailangan ng paunang kaalaman sa sistema ng PSF o sa source spectrum.
Ang bagong pamamaraan ay gumagawa ng mga de-kalidad na larawan ng target na bagay sa limang well-separated spectral channels sa pagitan ng 450 nm at 750 nm, na kinumpirma ng mga kalkulasyon. Sa pagsasagawa, sa ngayon ay posible na mailarawan ang tatlong mahusay na pinaghiwalay na mga spectral na channel sa pagitan ng 450 nm at 650 nm at anim na katabing spectral na mga channel sa pagitan ng 515 at 575 nm.
Paano gumagana ang bagong pamamaraan
Image No. 1: lamp - spatial light modulator - diffuser (may iris diaphragm) - coding aperture - prism - optical relay (1:1 visualization) - monochrome camera.
Napansin ng mga mananaliksik ang tatlong pangunahing elemento ng anumang diffuser imaging: ang object ng interes (externally iluminated o self-luminous), ang diffuser, at ang detector.
Tulad ng sa mga karaniwang sistema ng ME, isinasaalang-alang ng pag-aaral na ito ang isang bagay na ang laki ng angular ay matatagpuan sa loob ng field of view ng ME at sa layo na u sa likod ng diffuser. Pagkatapos makipag-ugnayan sa diffuser, ang ilaw ay naglalakbay sa isang distansya v bago maabot ang detektor.
Gumagamit ang conventional ME imaging ng mga karaniwang camera, ngunit ang paraang ito ay gumagamit ng encoding detector module na binubuo ng isang encoding aperture at isang wavelength-dependent optical element. Ang layunin ng elementong ito ay ang natatanging modulate ng bawat spectral channel bago pagsamahin ang mga ito at i-convert ang mga ito sa isang monochrome detector.
Kaya, sa halip na sukatin lamang ang mababang-contrast speckle na ang mga spectral na channel ay inextricably halo-halong, isang spectrally multiplexed signal ay naitala, na kung saan ay angkop para sa paghihiwalay.
Ang mga mananaliksik ay muling binibigyang-diin na ang kanilang pamamaraan ay hindi nangangailangan ng anumang mga paunang kilalang katangian o pagpapalagay tungkol sa diffuser o pinagmumulan ng liwanag.
Matapos gumawa ng mga paunang pagsukat ng multiplexed speckle, ang kilalang halaga ng TΞ» (wavelength-dependent coding pattern) ay ginamit upang indibidwal na muling buuin ang speckle sa bawat spectral band.
Sa kanilang trabaho, sa yugto ng mga kalkulasyon at pagmomodelo, ang mga siyentipiko ay gumamit ng ilang mga pamamaraan sa pag-aaral ng makina na makakatulong sa pagpapatupad ng isang dati nang hindi isinasaalang-alang na pamamaraan. Una, ginamit ang sparse matrix feature learning para kumatawan sa speckle.
Feature learning* β nagbibigay-daan sa system na awtomatikong mahanap ang mga representasyong kinakailangan upang matukoy ang mga feature ng source data.
Ang resulta ay isang database na sinanay sa mga speckle na imahe mula sa iba't ibang mga configuration ng pagsukat. Ang base na ito ay medyo pangkalahatan at hindi nakasalalay sa mga partikular na bagay at mga scatterer na nakikilahok sa pagbuo ng mask IΞ»x, y. Sa madaling salita, ang system ay sinanay batay sa isang diffuser na hindi ginagamit sa pang-eksperimentong pagsasaayos, i.e. ang sistema ay walang access dito, gaya ng gusto ng mga mananaliksik.
Ang OMP algorithm ay ginamit upang makakuha ng mga speckle na imahe sa bawat wavelength (orthogonal matching pursuit).
Sa wakas, sa pamamagitan ng pagkalkula ng autocorrelation ng bawat spectral channel nang nakapag-iisa at inverting ang autocorrelation sa bawat wavelength, nakuha ang mga imahe ng object. Ang mga resultang imahe sa bawat wavelength ay pinagsama upang lumikha ng isang kulay na imahe ng bagay.
Image No. 2: ang sunud-sunod na proseso ng pagbuo ng isang imahe ng isang bagay.
Ang diskarteng ito, ayon sa mga tagalikha nito, ay hindi gumagawa ng mga pagpapalagay tungkol sa mga ugnayan sa pagitan ng mga spectral na channel at nangangailangan lamang ng pagpapalagay na ang halaga ng wavelength ay medyo random. Bilang karagdagan, ang paraang ito ay nangangailangan lamang ng impormasyon tungkol sa encoding detector, na umaasa sa paunang pagkakalibrate ng encoding aperture at isang pre-trained na data library. Ginagawa ng mga katangiang ito ang pamamaraan ng imaging na ito na lubos na maraming nalalaman at hindi nagsasalakay.
Mga resulta ng simulation
Una, tingnan natin ang mga resulta ng simulation.
Larawan #3
Ang larawan sa itaas ay nagpapakita ng mga halimbawa ng isang multispectral na imahe ng dalawang bagay na kinuha sa pamamagitan ng isang diffuser. Nangungunang hilera sa 3 naglalaman ng isang bagay na kinaiinteresan na binubuo ng ilang numero, na ipinapakita sa parehong maling kulay at pinaghiwa-hiwalay ng spectral na channel. Kapag nag-plot ng isang bagay sa maling kulay, ang intensity profile ng bawat wavelength ay ipinapakita sa CIE 1931 RGB space.
Reconstructed object (ibaba na hilera sa 3) kapwa sa maling kulay at sa mga tuntunin ng mga indibidwal na parang multo na channel, ay nagpapakita na ang pamamaraan ay nagbibigay ng mahusay na visualization at maliit lamang na crosstalk sa pagitan ng mga spectral na channel, na hindi gumaganap ng isang espesyal na papel sa proseso.
Pagkatapos matanggap ang reconstructed object, i.e. Pagkatapos ng pag-render, kinakailangang suriin ang antas ng katumpakan sa pamamagitan ng paghahambing ng spectral intensity (na-average sa lahat ng maliliwanag na pixel) ng tunay na bagay at ang na-reconstruct na isa (3b).
Sa mga larawan 3c ay nagpapakita ng isang tunay na bagay (itaas na hilera) at isang muling itinayong imahe (ibaba na hilera) para sa isang cotton stem cell, at sa 3d isang pagsusuri ng katumpakan ng visualization ay ipinapakita.
Upang masuri ang katumpakan ng imaging, kinakailangan upang kalkulahin ang mga halaga ng structural similarity index (SSIM) at ang peak signal-to-noise ratio (pSNR) ng tunay na bagay para sa bawat spectral channel.
Ang talahanayan sa itaas ay nagpapakita na ang bawat isa sa limang channel ay may SSIM coefficient na 0,8β0,9 at isang PSNR na higit sa 20. Ito ay sumusunod na sa kabila ng mababang contrast ng speckle signal, ang superposisyon ng limang spectral band na may lapad na 10 nm sa detector ay nagbibigay-daan para sa medyo tumpak na muling pagtatayo ng spatial-spectral na katangian ng bagay na pinag-aaralan. Sa madaling salita, gumagana ang pamamaraan, ngunit ito ay mga resulta lamang ng simulation. Upang makakuha ng kumpletong kumpiyansa sa kanilang trabaho, nagsagawa ang mga siyentipiko ng isang serye ng mga praktikal na eksperimento.
Mga resultang pang-eksperimento
Ang isa sa mga pinaka makabuluhang pagkakaiba sa pagitan ng simulation at tunay na mga eksperimento ay ang kapaligiran, i.e. mga kondisyon kung saan isinasagawa ang dalawa. Sa unang kaso may mga kinokontrol na kondisyon, sa pangalawa ay may mga hindi mahuhulaan na kondisyon, i.e. tingnan natin kung paano ito mangyayari.
Tatlong spectral channel na may lapad na 8-12 nm na nakasentro sa 450, 550 at 650 nm ay isinasaalang-alang, na, kapag pinagsama sa iba't ibang mga kamag-anak na magnitude, ay bumubuo ng isang malawak na hanay ng mga kulay.
Larawan #4
Ang larawan sa itaas ay nagpapakita ng paghahambing sa pagitan ng tunay na bagay (ang multi-kulay na "H") at ang muling itinayo. Ang light exposure time (shutter speed, i.e. exposure) ay itinakda sa 1800 s, na naging posible upang makakuha ng SNR sa hanay na 60-70 dB. Ang tagapagpahiwatig ng SNR na ito, ayon sa mga siyentipiko, ay hindi napakahalaga para sa eksperimento, ngunit nagsisilbing karagdagang kumpirmasyon ng pagganap ng kanilang pamamaraan, lalo na sa kaso ng mga kumplikadong bagay. Sa katotohanan, at hindi sa mga kondisyon ng laboratoryo, ang pamamaraang ito ay maaaring maging isang order ng magnitude nang mas mabilis.
Ang itaas na hilera ng larawan #4 ay nagpapakita ng bagay sa bawat wavelength (mula kaliwa hanggang kanan) at ang aktwal na buong kulay na bagay.
Upang makakuha ng isang imahe ng totoong bagay bilang isang resulta ng imaging, ginamit ang isang computer vision camera na may naaangkop na mga filter ng bandpass upang direktang imahen ang mga spectral na bahagi at makakuha ng full-color na imahe sa pamamagitan ng pagbubuod ng mga resultang spectral channel.
Ang pangalawang row ng larawan sa itaas ay nagpapakita ng mga pattern ng autocorrelation ng bawat na-reconstruct na spectral na channel na bumubuo sa mga multiplex na sukat na siyang input sa yugto ng pagproseso ng data.
Ang ikatlong hilera ay ang reconstructed object sa bawat spectral channel, pati na rin ang reconstructed full-color na bagay, i.e. huling resulta ng visualization.
Ang full-color na imahe ay nagpapakita na ang mga kamag-anak na magnitude sa pagitan ng mga spectral na channel ay tama rin, dahil ang kulay ng pinagsamang reconstructed na imahe ay tumutugma sa tunay na halaga, at ang SSIM coefficient ay umaabot ng higit sa 0,92 para sa bawat channel.
Ang ilalim na hilera ay nagpapatunay sa pahayag na ito, na nagpapakita ng isang paghahambing ng intensity ng tunay na bagay at ang muling itinayo. Ang data mula sa parehong nag-tutugma sa lahat ng spectral range.
Kasunod nito na kahit ang pagkakaroon ng ingay at potensyal na mga error sa pagmomodelo ay hindi naging hadlang sa amin na makakuha ng mataas na kalidad na imahe, at ang mga pang-eksperimentong resulta ay mahusay na nakakaugnay sa mga resulta ng pagmomodelo.
Ang eksperimento na inilarawan sa itaas ay isinagawa na isinasaalang-alang ang mga hiwalay na spectral channel. Ang mga siyentipiko ay nagsagawa ng isa pang eksperimento, ngunit sa pagkakataong ito ay may mga katabing channel, o sa halip ay may tuloy-tuloy na spectral range na 60 nm.
Larawan #5
Ang tunay na bagay ay ang letrang "X" at ang sign na "+" (5). Ang spectrum ng letrang "X" ay medyo pare-pareho at tuluy-tuloy - sa pagitan ng 515 at 575 nm, ngunit ang "+" ay may nakabalangkas na spectrum, higit sa lahat ay matatagpuan sa pagitan ng 535 at 575 nm (5b). Para sa eksperimentong ito, ang pagkakalantad ay 120 s upang makamit ang ninanais (tulad ng dati) SNR na 70 dB.
Ginamit din ang 60 nm wide bandpass filter sa buong object at low-pass na filter sa sign na "+". Sa panahon ng muling pagtatayo, ang 60 nm spectrum ay nahahati sa 6 na katabing channel na may lapad na 10 nm (5b).
Tulad ng nakikita natin mula sa mga larawan 5s, ang mga nagresultang imahe ay nasa mahusay na pagsang-ayon sa tunay na bagay. Ipinakita ng eksperimentong ito na ang pagkakaroon o kawalan ng spectral correlations sa sinusukat na speckle ay hindi nakakaapekto sa pagiging epektibo ng imaging technique na pinag-aaralan. Ang mga siyentipiko mismo ay naniniwala na ang isang mas malaking papel sa proseso ng visualization, o sa halip sa tagumpay nito, ay hindi gaanong nilalaro ng mga spectral na katangian ng bagay kundi sa pamamagitan ng pagkakalibrate ng system at ang mga detalye ng encoding detector nito.
Para sa mas detalyadong impormasyon tungkol sa mga nuances ng pag-aaral, inirerekumenda ko ang pagtingin sa ΠΈ sa kanya.
Epilogo
Sa gawaing ito, inilarawan ng mga siyentipiko ang isang bagong paraan ng multispectral imaging sa pamamagitan ng isang diffuser. Ang wavelength-dependent speckle modulation gamit ang isang coding aperture ay nagpagana ng isang multiplexed measurement at speckle na pagkalkula gamit ang machine learning-based na OMP algorithm.
Gamit ang maraming kulay na titik na "H" bilang isang halimbawa, ipinakita ng mga siyentipiko na ang pagtuon sa limang mga spectral na channel na tumutugma sa violet, berde at tatlong lilim ng pula ay nagpapahintulot sa isa na makakuha ng muling pagtatayo ng imahe na naglalaman ng lahat ng mga kulay ng orihinal (asul, dilaw, atbp.).
Ayon sa mga mananaliksik, ang kanilang pamamaraan ay maaaring maging kapaki-pakinabang sa parehong gamot at astronomiya. Ang kulay ay nagdadala ng mahalagang impormasyon sa parehong direksyon: sa astronomiya - ang kemikal na komposisyon ng mga bagay na pinag-aaralan, sa medisina - ang molekular na komposisyon ng mga selula at tisyu.
Sa yugtong ito, ang mga siyentipiko ay nagpapansin lamang ng isang problema na maaaring magdulot ng mga kamalian sa visualization: mga error sa pagmomodelo. Dahil sa medyo mahabang oras na kinakailangan upang makumpleto ang proseso, ang mga pagbabago sa kapaligiran ay maaaring mangyari na magpapasok ng mga pagsasaayos na hindi isinasaalang-alang sa yugto ng paghahanda. Gayunpaman, sa hinaharap ay pinlano na makahanap ng isang paraan upang mai-level out ang problemang ito, na gagawing hindi lamang tumpak ang inilarawan na pamamaraan ng imaging, ngunit matatag din sa ilalim ng anumang mga kondisyon.
Biyernes off-top:
Mga ilaw, kulay, musika at isang trio ng pinakasikat na blue weirdos sa mundo (Blue Man Group).
Salamat sa pagbabasa, manatiling mausisa, at magkaroon ng magandang weekend guys! π
Salamat sa pananatili sa amin. Gusto mo ba ang aming mga artikulo? Gustong makakita ng mas kawili-wiling nilalaman? Suportahan kami sa pamamagitan ng pag-order o pagrekomenda sa mga kaibigan, 30% na diskwento para sa mga gumagamit ng Habr sa isang natatanging analogue ng mga entry-level na server, na inimbento namin para sa iyo: (magagamit sa RAID1 at RAID10, hanggang 24 na core at hanggang 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 beses na mas mura? Dito lang sa Netherlands! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mula $99! Basahin ang tungkol sa
Pinagmulan: www.habr.com