211service.com
Fysikere hacker det menneskelige visuelle systemet for å lage spøkelsesbilder
Ghost imaging er en av de mer ekstraordinære fremskrittene innen optikk de siste årene. Den produserer høyoppløselige bilder ved hjelp av enkeltpikselkameraer og lys som aldri har interagert med det aktuelle objektet.
Teknikken er avhengig av smarte algoritmer for å knuse de tilsynelatende tilfeldige dataene som en enkelt piksel ser ut til å samle. Mer om det nedenfor.
På grunn av dette er det lett å forestille seg at spøkelsesavbildning har liten relevans for menneskelig oppfatning, siden det menneskelige visuelle systemet må være ute av stand til å behandle denne typen data.
Ikke så. I dag demonstrerer Alessandro Boccolini ved Heriot-Watt University i Edinburgh, Skottland, og et par kolleger at mennesker kan se spøkelsesbilder og foreslå hvordan teknikken kan brukes til å studere og utnytte det visuelle systemet på helt nye måter.
Først litt bakgrunn. Ghost imaging fungerer ved å projisere et tilfeldig mønster av lys på et objekt og registrere det reflekterte lyset med en enkelt piksel. Å gjenta denne prosessen med forskjellige tilfeldige lysmønstre produserer en sekvens av datapunkter om hvordan lysintensiteten varierer over tid.
Det er lett å tenke at disse datapunktene må variere tilfeldig. Men de er faktisk korrelert, fordi lyset reflekteres fra det samme objektet. Så å knuse dataene på riktig måte kan avsløre denne sammenhengen: et bilde av objektet.
Ikke all denne behandlingen trenger å gjøres på en datamaskin. En snarvei er å bruke signalet fra enkeltpikselen til å modulere lyseffekten fra en annen LED. Dette projiseres deretter på det samme tilfeldige mønsteret, og prosessen gjentas for neste mønster, og så videre.
Bildet av objektet – spøkelsesbildet – kan deretter rekonstrueres ved å integrere det reflekterte lyset fra en lang sekvens av tilfeldige mønstre som er opplyst. Interessant nok er det resulterende bildet dannet av lys som aldri har interagert med det originale objektet.
Spørsmålet som Boccolini og co undersøker er om det menneskelige visuelle systemet kan utføre denne integrasjonsprosessen. Ideen deres er å projisere mønstrene i rask rekkefølge på en skjerm som noen ser på og deretter se om personens visuelle system vil kombinere dem.
En lignende effekt lar oss oppfatte en sekvens av stillbilder som kontinuerlig bevegelse. Men det er på ingen måte åpenbart at det visuelle systemet vil integrere de tilfeldige mønstrene, som hver er et tilfeldig arrangement av svarte og hvite piksler kalt et Hadamard-mønster.
Den eneste måten å finne ut av det på er å prøve eksperimentet på noen villige ofre. Boccolini og co ba fire menneskelige forsøkspersoner se de projiserte mønstrene. Disse marsvinene kunne endre hastigheten som mønstrene dukket opp med for å se hvordan dette endret opplevelsen deres.
Resultatene er fascinerende. Boccolini og co sier at når mønstrene vises i en relativt langsom hastighet, ser det menneskelige øyet bare et sett med firkantede piksler. Men når hastigheten krysser en eller annen terskel, dukker plutselig bildet av objektet opp.
Terskelen er helt klart en viktig egenskap ved menneskesyn. Det eksperimentelle oppsettet er i stand til å projisere mønstre med en hastighet på 20 kilohertz; som lar 200 Hadamard-mønstre vises hvert 20. millisekund.
Boccolini og co sier at alle fire forsøkspersonene kunne se objektet med denne hastigheten. Så det visuelle systemet må integrere en sekvens av bilder på en bestemt måte. Men bildet forringes raskt når hastigheten faller under 200 mønstre per 20 millisekunder.
Dette er et helt nytt visuelt fenomen og gir et nytt verktøy for å studere det visuelle systemet. Vi bruker denne menneskelige spøkelsesavbildningsteknikken for å evaluere øyets tidsmessige respons og fastslå at bildets varighetstid skal være rundt 20 ms etterfulgt av ytterligere 20 ms eksponentiell forfall, sier teamet.
Det at øyet aldri samhandler med lys som har truffet objektet åpner for noen fascinerende muligheter, ikke minst utsiktene til å belyse objektet med én bølgelengde og så oppfatte det ved en annen. Den lysende bølgelengden trenger faktisk ikke være synlig for det menneskelige øyet.
Spøkelsesbilder med øyet åpner opp for en rekke helt nye applikasjoner som å utvide menneskelig syn til usynlige bølgelengderegimer i sanntid, sier Boccolini og co. Dette krever ingen ekstra visningsskjerm eller beregningstrinn, siden det menneskelige synssystemet gjør nesten alt arbeidet.
Boccolini og co er imidlertid mest interessert i hvordan dette nye verktøyet kan hjelpe dem med å studere det visuelle systemet mer detaljert. En idé er å undersøke om det visuelle systemet er i stand til enda mer beregning. Teamet håper å studere dette ved å sende forskjellige mønstre inn i hvert øye eller på forskjellige deler av netthinnen for å se om det visuelle systemet fortsatt kan integrere dataene for å produsere et bilde.
Det blir interessant arbeid, verdt å se.
Ref: arxiv.org/abs/1808.05137 : Ghost Imaging With The Human Eye