211service.com
Natuurkundigen hacken het menselijke visuele systeem om spookbeelden te maken
Ghost-beeldvorming is een van de meer buitengewone ontwikkelingen in de optica van de afgelopen jaren. Het produceert afbeeldingen met een hoge resolutie met behulp van camera's met één pixel en licht dat nog nooit in contact is geweest met het object in kwestie.
De techniek is gebaseerd op slimme algoritmen om de schijnbaar willekeurige gegevens te kraken die een enkele pixel lijkt te verzamelen. Daarover hieronder meer.
Daarom is het gemakkelijk voor te stellen dat spookbeeldvorming weinig relevant is voor de menselijke waarneming, aangezien het menselijke visuele systeem niet in staat moet zijn om dit soort gegevens te verwerken.
Niet zo. Vandaag demonstreren Alessandro Boccolini van de Heriot-Watt University in Edinburgh, Schotland, en een paar collega's dat mensen spookbeelden kunnen zien en suggereren ze hoe de techniek kan worden gebruikt om het visuele systeem op geheel nieuwe manieren te bestuderen en te exploiteren.
Eerst wat achtergrond. Ghost imaging werkt door een willekeurig lichtpatroon op een object te projecteren en het gereflecteerde licht op te nemen met een enkele pixel. Door dit proces te herhalen met verschillende willekeurige lichtpatronen, ontstaat een reeks gegevenspunten over hoe de lichtintensiteit in de loop van de tijd varieert.
Het is gemakkelijk om te denken dat deze gegevenspunten willekeurig moeten variëren. Maar ze zijn eigenlijk gecorreleerd, omdat het licht weerkaatst op hetzelfde object. Dus door de gegevens op de juiste manier te kraken, kan deze correlatie worden onthuld: een afbeelding van het object.
Niet al deze verwerking hoeft op een computer te gebeuren. Een snelkoppeling is om het signaal van de enkele pixel te gebruiken om de lichtopbrengst van een andere LED te moduleren. Dit wordt vervolgens op hetzelfde willekeurige patroon geprojecteerd en het proces wordt herhaald voor het volgende patroon, enzovoort.
Het beeld van het object - het spookbeeld - kan vervolgens worden gereconstrueerd door het gereflecteerde licht van een lange reeks willekeurige verlichte patronen te integreren. Interessant is dat het resulterende beeld wordt gevormd uit licht dat nooit interactie heeft gehad met het oorspronkelijke object.
De vraag die Boccolini en co onderzoeken is of het menselijke visuele systeem dit integratieproces kan uitvoeren. Hun idee is om de patronen snel achter elkaar te projecteren op een scherm waar iemand naar kijkt en dan te kijken of het visuele systeem van de persoon ze zal combineren.
Een soortgelijk effect stelt ons in staat om een opeenvolging van stilstaande beelden waar te nemen als een continue beweging. Maar het is geenszins duidelijk dat het visuele systeem de willekeurige patronen zal integreren, die elk een willekeurige rangschikking van zwarte en witte pixels zijn, een Hadamard-patroon genoemd.
De enige manier om erachter te komen is door het experiment uit te proberen op enkele gewillige slachtoffers. Boccolini en co vroegen vier proefpersonen om de geprojecteerde patronen te bekijken. Deze cavia's konden de snelheid waarmee de patronen verschenen, veranderen om te zien hoe dit hun ervaring veranderde.
De resultaten zijn fascinerend. Boccolini en co zeggen dat wanneer de patronen relatief langzaam verschijnen, het menselijk oog alleen een reeks vierkante pixels ziet. Maar wanneer de snelheid een bepaalde drempel overschrijdt, verschijnt plotseling het beeld van het object.
De drempel is duidelijk een belangrijke eigenschap van het menselijk gezichtsvermogen. De experimentele opstelling kan patronen projecteren met een snelheid van 20 kilohertz; waarmee 200 Hadamard-patronen elke 20 milliseconden kunnen verschijnen.
Boccolini en co zeggen dat alle vier de proefpersonen het object in dit tempo konden zien. Het visuele systeem moet dus een reeks beelden op een specifieke manier integreren. Maar het beeld verslechtert snel als de snelheid onder de 200 patronen per 20 milliseconden komt.
Dit is een geheel nieuw visueel fenomeen en biedt een nieuw hulpmiddel om het visuele systeem te bestuderen. We gebruiken deze menselijke spookbeeldvormingstechniek om de temporele respons van het oog te evalueren en de beeldpersistentietijd vast te stellen op ongeveer 20 ms, gevolgd door nog eens 20 ms exponentieel verval, aldus het team.
Het feit dat het oog nooit in wisselwerking staat met licht dat het object heeft geraakt, opent een aantal fascinerende mogelijkheden, niet in de laatste plaats het vooruitzicht om het object met de ene golflengte te verlichten en het vervolgens op een andere waar te nemen. Inderdaad, de lichtgolflengte hoeft niet zichtbaar te zijn voor het menselijk oog.
Ghost-imaging met het oog opent een aantal volledig nieuwe toepassingen, zoals het in realtime uitbreiden van het menselijk zicht naar onzichtbare golflengteregimes, zeggen Boccolini en co. Dit vereist geen extra kijkscherm of rekenstappen, aangezien het menselijke zichtsysteem bijna al het werk doet.
Boccolini en co zijn echter het meest geïnteresseerd in hoe deze nieuwe tool hen kan helpen het visuele systeem in meer detail te bestuderen. Een idee is om te onderzoeken of het visuele systeem tot nog meer rekenkracht in staat is. Het team hoopt dit te bestuderen door verschillende patronen in elk oog of op verschillende delen van het netvlies te stralen om te zien of het visuele systeem de gegevens nog steeds kan integreren om een beeld te produceren.
Dat wordt interessant werk, het bekijken waard.
Referentie: arxiv.org/abs/1808.05137 : Ghost Imaging met het menselijk oog