Gendan farvebilleder fra spredt lys

Ingeniører ved Duke University har udviklet en metode til at udtrække et farvebillede fra en enkelt eksponering af lys spredt gennem et overvejende uigennemsigtigt materiale. Teknikken har anvendelser inden for en bred vifte af områder fra sundhedspleje til astronomi.

Undersøgelsen udkom online den 9. juli i tidsskriftet Optica .

"Andre har været i stand til at rekonstruere farvebilleder fra spredt lys, men disse metoder måtte ofre rumlig opløsning eller krævede forudgående karakterisering af scattereren på forhånd, hvilket ofte ikke er muligt, sagde Michael Gehm, lektor i el- og computerteknik ved Duke. "Men vores tilgang undgår alle disse problemer."

Når lyset spredes, når det passerer gennem et gennemsigtigt materiale, det nye mønster af "splettet" ser lige så tilfældigt ud som statisk på en tv-skærm uden signal. Men det er ikke tilfældigt. Fordi lyset, der kommer fra et punkt på et objekt, bevæger sig en vej, der ligner meget lyset, der kommer fra et tilstødende punkt, pletmønsteret fra hver ser meget ens ud, bare skiftet lidt.

Med nok billeder, astronomer plejede at bruge dette "hukommelseseffekt"-fænomen til at skabe klarere billeder af himlen gennem en turbulent atmosfære, så længe objekterne, der afbildes, var tilstrækkeligt kompakte.

Mens teknikken faldt i unåde med udviklingen af ​​adaptiv optik, som gør det samme arbejde ved at bruge justerbare spejle til at kompensere for spredningen, det er for nylig blevet populært igen. Fordi moderne kameraer kan optage hundredvis af millioner af pixels ad gangen, der skal kun en enkelt eksponering til for at få statistikken til at fungere.

Selvom denne tilgang kan rekonstruere et spredt billede, det har begrænsninger i farveområdet. Plettet mønstre skabt af forskellige bølgelængder er typisk umulige at adskille fra hinanden.

Den nye hukommelseseffekt billedbehandlingstilgang udviklet af forfatterne Xiaohan Li, en ph.d. studerende i Gehms laboratorium, Joel Greenberg, lektor i el- og computerteknik, og Gehm bryder igennem denne begrænsning.

Tricket er at bruge en kodet blænde efterfulgt af et prisme. En kodet blænde er dybest set et filter, der tillader lys at passere gennem nogle områder, men ikke andre i et bestemt mønster. Efter at pletten er "stemplet" af den kodede blænde, det passerer gennem et prisme, der får forskellige frekvenser af lys til at sprede sig ud fra hinanden.

Dette bevirker, at mønsteret fra den kodede blænde forskydes lidt i forhold til det billede, der optages af detektoren. Og mængden, det skifter, er direkte relateret til farven på lyset, der passerer igennem.

"Dette skift er lille sammenlignet med den samlede størrelse af det, der bliver afbildet, og fordi vores detektor ikke er følsom over for farve, det skaber en rodet kombination, " sagde Li. "Men skiftet er nok til at give vores algoritme et håndtag til at drille de individuelle plettede mønstre bortset fra hver farve, og ud fra det kan vi finde ud af, hvordan objektet ser ud for hver farve."

Forskerne viser, at ved at fokusere på fem spektralkanaler svarende til violet, grøn og tre nuancer af rød, teknikken kan rekonstruere et bogstav "H" fuld af nuancerede pink, gule og blå. Ud over dette vanskelige bevis-of-princip, forskerne mener, at deres tilgang kan finde anvendelse inden for områder som astronomi og sundhedspleje.

I astronomi, farveindholdet i lyset, der kommer fra astronomiske fænomener, indeholder værdifuld information om dets kemiske sammensætning, og pletter skabes ofte, da lyset forvrænges af atmosfæren. Tilsvarende inden for sundhedsvæsenet, farve kan fortælle forskere noget om den molekylære sammensætning af det, der bliver afbildet, eller det kan bruges til at identificere biomolekyler, der er blevet mærket med fluorescerende markører.

"Der er mange applikationer, hvor folk virkelig ønsker at vide, hvor meget energi der er i specifikke spektralbånd, der udsendes fra genstande placeret bag uigennemsigtige okklusioner, " sagde Greenberg. "Vi har vist, at denne tilgang kan nå dette mål på tværs af det synlige spektrum. At kende blændemønsteret, og hvor meget det skifter som en funktion af bølgelængden, giver den nøgle, vi skal bruge for at skille den rodede sum ud i separate kanaler."