Команда Массачусетского технологического института обнаружила, что человеческий мозг способен «видеть» призрачные изображения, скрытые между группами паттернов, снятых однопиксельными камерами.
Ученые Массачусетского технологического института только что объявили о результатах исследования, которое представляет собой поразительный прорыв в том, как наш мозг визуализирует мир, и открывает дверь для расширения того, что может видеть человек.
Избегая ограничений зрения
Упаковка наших камер с миллионами пикселей имеет экономический смысл, поскольку кремний относительно недорог. Говорит Ричард Баранюк из Университета Райса: «Тот факт, что мы можем так дешево создавать [чипы кремниевых камер], объясняется очень удачным совпадением: длины волн света, на которые реагируют наши глаза, совпадают с длинами волн, на которые реагирует кремний.«Но есть много других областей электромагнитного спектра, которые мы хотели бы визуализировать и для которых кремний бесполезен: например, инфракрасное, терагерцовое излучение и радиочастоты. Однако для их захвата потребуются гораздо более дорогие датчики с чувствительностью на уровне мегапикселей, что возможно только при затратах сотен тысяч долларов на одну «камеру».
Сжатое зондирование
Сжатие изображений предлагает решение этой проблемы, позволяя камерам игнорировать низкокачественный визуальный контент, что приводит к менее «шумным» и более четким изображениям, даже при уменьшении цифровой дискретизации изображения - количества моментальных снимков, которые камера делает для изображения, - в разы меньше того, что снимает обычная камера.
Эта форма сбора данных позволяет использовать однопиксельные камеры или сенсоры. Даже когда они сделаны из дорогих материалов для улавливания невидимых длин волн, они меняют правила игры, когда дело доходит до стоимости. Однопиксельные камеры создают так называемые «призрачные изображения», потому что они получены из света, который на самом деле никогда не взаимодействует с отображаемым объектом, и потому что они существуют только в математической разнице между значениями пикселей до тех пор, пока постобработка не позволит их визуализировать как видимые изображения.
Шаблон, основанный на преобразовании Адамара, проецируется на объект светодиодом, и однопиксельная камера фиксирует количество света/темноты, которое он отражает (для черно-белых изображений). Эти данные записываются как числовое значение, одна точка данных. Затем процесс повторяется с длинной серией различных паттернов. Вы можете подумать, что точки данных из этих разных паттернов не имеют ничего общего друг с другом, но все они имеют одну общую черту: все они были отражены одним и тем же объектом. Когда они обрабатываются вместе, компьютерные алгоритмы могут выявить этот объект и создать его изображение.
Другая версия фантомного изображения сокращает количество шаблонов, необходимых для четкого изображения. Для каждого шаблона процесс начинается одинаково. Однопиксельная камера улавливает свет, отраженный от объекта, но вместо того, чтобы записывать результирующее значение, он отправляется на второй светодиод, свет которого смещается на это значение. Затем второй модулированный светодиод проецируется на шаблон и отражается на вторую однопиксельную камеру, полностью минуя объект. В конечном итоге эта камера улавливает разницу между узором и более ранним отражением узора от объекта.
И снова компьютерная обработка может анализировать значения, полученные в результате повторения этого процесса с несколькими шаблонами, и создавать изображение объекта.
Вычислительная мощность на наших плечах
Преобразование стопки паттернов в изображение, очевидно, требует большой вычислительной мощности. Но Алессандро Бокколини и его команда из Университета Хериот-Ватт в Эдинбурге, Шотландия, задумались над чем-то большим: возможно ли, что у нас самих есть какая-то неизвестная способность делать это без компьютера? Может быть, что-то вроде того, как наш мозг превращает быструю последовательность неподвижных изображений в движущиеся картинки? Эксперименты команды поразительно показывают, что мы это делаем, когда условия подходящие.
Эксперименты
Команда Бокколини наняла четырех испытуемых для просмотра серии паттернов, что дало им возможность контролировать скорость их появления. Неудивительно, что на низких скоростях они просто видели серию различных узоров. Однако на очень высоких скоростях, в частности, когда скорость достигала 20 кГц - или 200 паттернов каждые 20 миллисекунд - происходила удивительная вещь: испытуемые могли видеть объект, захваченный фантомным изображением.
Дальнейшее тестирование показало, что даже незначительное замедление скорости отображения приводит к ухудшению качества изображения, а также к тому, что видимость объекта не сохраняется, что и происходит, когда мы видим вещи нормально. Команда отмечает: «Мы используем этот метод визуализации человеческого призрака, чтобы оценить временную реакцию глаза и установить, что время сохранения изображения составляет около 20 мс, за которым следует экспоненциальное затухание еще на 20 мс».
Почему это так интересно
Как мы отмечали ранее, дорогие материалы могут реагировать на электромагнитные волны, а использование однопиксельной камеры и фантомных изображений делает это экономически целесообразным. Теперь мы знаем, что человеческий мозг способен обрабатывать - и, таким образом, «видеть» - призрачные образы, которые он создает, самостоятельно превращая серию паттернов в изображение. Как отмечается в исследовании, «визуализация призраков с помощью глаза открывает ряд совершенно новых приложений, таких как расширение человеческого зрения до режимов невидимых длин волн в режиме реального времени».