211service.com
Fysiker hackar det mänskliga visuella systemet för att skapa spökbilder
Spökavbildning är en av de mer extraordinära framstegen inom optik de senaste åren. Den producerar högupplösta bilder med enpixelkameror och ljus som aldrig har interagerat med objektet i fråga.
Tekniken förlitar sig på smarta algoritmer för att krossa den till synes slumpmässiga data som en enda pixel verkar samla in. Mer om det nedan.
På grund av detta är det lätt att föreställa sig att spökbilder har liten relevans för mänsklig perception, eftersom det mänskliga visuella systemet måste vara oförmöget att bearbeta denna typ av data.
Inte så. Idag visar Alessandro Boccolini vid Heriot-Watt University i Edinburgh, Skottland, och ett par kollegor att människor kan se spökbilder och föreslå hur tekniken kan användas för att studera och utnyttja det visuella systemet på helt nya sätt.
Först lite bakgrund. Spökavbildning fungerar genom att projicera ett slumpmässigt mönster av ljus på ett objekt och registrera det reflekterade ljuset med en enda pixel. Att upprepa denna process med olika slumpmässiga ljusmönster producerar en sekvens av datapunkter om hur ljusintensiteten varierar över tiden.
Det är lätt att tro att dessa datapunkter måste variera slumpmässigt. Men de är faktiskt korrelerade, eftersom ljuset reflekteras från samma föremål. Så att knäcka data på rätt sätt kan avslöja denna korrelation: en bild av objektet.
All denna bearbetning behöver inte göras i en dator. En genväg är att använda signalen från den enda pixeln för att modulera ljusutgången från en annan lysdiod. Detta projiceras sedan på samma slumpmässiga mönster, och processen upprepas för nästa mönster, och så vidare.
Bilden av objektet – spökbilden – kan sedan rekonstrueras genom att integrera det reflekterade ljuset från en lång sekvens av slumpmässiga upplysta mönster. Intressant nog är den resulterande bilden bildad av ljus som aldrig har interagerat med det ursprungliga objektet.
Frågan som Boccolini och co undersöker är om det mänskliga visuella systemet kan utföra denna integrationsprocess. Deras idé är att projicera mönstren i snabb följd på en skärm som någon tittar på och sedan se om personens visuella system kommer att kombinera dem.
En liknande effekt gör att vi kan uppfatta en sekvens av stillbilder som en kontinuerlig rörelse. Men det är inte på något sätt självklart att det visuella systemet kommer att integrera de slumpmässiga mönstren, som vart och ett är ett slumpmässigt arrangemang av svarta och vita pixlar som kallas ett Hadamard-mönster.
Det enda sättet att ta reda på det är att prova experimentet på några villiga offer. Boccolini och co bad fyra mänskliga försökspersoner att se de projicerade mönstren. Dessa marsvin kunde ändra hastigheten med vilken mönstren verkade för att se hur detta förändrade deras upplevelse.
Resultaten är fascinerande. Boccolini och co säger att när mönstren uppträder i relativt långsam takt, ser det mänskliga ögat bara en uppsättning kvadratiska pixlar. Men när hastigheten passerar någon tröskel dyker plötsligt bilden av objektet upp.
Tröskeln är helt klart en viktig egenskap hos människans syn. Den experimentella uppställningen kan projicera mönster med en hastighet av 20 kilohertz; som tillåter 200 Hadamard-mönster att visas var 20:e millisekund.
Boccolini och co säger att alla fyra försökspersonerna kunde se objektet i denna takt. Så det visuella systemet måste integrera en sekvens av bilder på ett specifikt sätt. Men bilden försämras snabbt när hastigheten faller under 200 mönster per 20 millisekunder.
Detta är ett helt nytt visuellt fenomen och ger ett nytt verktyg för att studera det visuella systemet. Vi använder den här mänskliga spöktekniken för att utvärdera ögats tidsmässiga respons och fastställa att bildens beständighetstid är cirka 20 ms följt av ytterligare 20 ms exponentiellt förfall, säger teamet.
Att ögat aldrig interagerar med ljus som träffat föremålet öppnar upp för några fascinerande möjligheter, inte minst möjligheten att belysa föremålet med en våglängd och sedan uppfatta det vid en annan. Den lysande våglängden behöver faktiskt inte vara synlig för det mänskliga ögat.
Spökavbildning med ögat öppnar upp ett antal helt nya tillämpningar som att utöka mänskligt syn till osynliga våglängdsregimer i realtid, säger Boccolini och co. Detta kräver ingen ytterligare visningsskärm eller beräkningssteg, eftersom det mänskliga synsystemet gör nästan allt arbete.
Boccolini och co är dock mest intresserade av hur detta nya verktyg kan hjälpa dem att studera det visuella systemet mer i detalj. En idé är att undersöka om det visuella systemet är kapabelt till ännu mer beräkning. Teamet hoppas kunna studera detta genom att stråla olika mönster in i varje öga eller på olika delar av näthinnan för att se om det visuella systemet fortfarande kan integrera data för att producera en bild.
Det kommer att bli intressant arbete, värt att se.
Ref: arxiv.org/abs/1808.05137 : Spökbilder med det mänskliga ögat