Wyniki ich badań zostały opublikowane w czasopiśmie "Journal of Physics: Photonics".

W świecie badań optycznych precyzja pomiaru jest na wagę złota. Odpowiednie przetwarzanie danych umożliwia rozwój mikroskopii, inżynierii materiałowej czy nawet medycyny. Teraz analiza złożonych obrazów optycznych może stać się nie tylko szybsza, ale też dokładniejsza.

Naukowcy z Laboratorium QCI na Wydziale Mechatroniki Politechniki Warszawskiej, Arktycznego Uniwersytetu Norweskiego w Tromsø oraz Uniwersytetu w Münster opracowali bowiem narzędzie oparte na sztucznej inteligencji - DeepQuadrature, które umożliwia precyzyjne odtworzenie pełnej informacji fazowej obrazu na podstawie tylko jednej ramki pomiarowej, bez konieczności stosowania klasycznych, wieloetapowych procedur.

Jak poinformowali PAP twórcy rozwiązania, w wielu nowoczesnych technikach pomiarowych wykorzystuje się zjawisko interferencji fal świetlnych. Metody takie, jak interferometria, mikroskopia holograficzna, projekcja prążków czy metoda Moiré umożliwiają niezwykle precyzyjne, nieinwazyjne i szybkie badanie całych obszarów (tzw. pełnopowierzchniowy pomiar). Znajdują one szerokie zastosowanie w biologii i biotechnologii (np. analizie masy, morfologii czy reakcji komórek), optyce (testowanie jakości elementów optycznych), fizyce i mechanice (analiza odkształceń i drgań w mikrosystemach) czy inżynierii materiałowej.

W tego typu pomiarach informacja o badanym obiekcie nie jest zapisana bezpośrednio, lecz zaszyta w strukturze wzorca prążkowego, najczęściej w modulacji fazy (czyli zmianach położenia prążków), a czasem w modulacji amplitudy (zmianie ich kontrastu). Dlatego celem pomiaru jest odtworzenie rozkładu fazy zarejestrowanego wzorca – interferogramu lub hologramu, co pozwala uzyskać pełną informację o badanym obiekcie.

Choć metody prążkowe są bardzo precyzyjne i nieinwazyjne, mają jedną wadę - ich dokładność jest ograniczona przepustowością informacyjną, czyli tzw. space-bandwidth product (SBP), który decyduje o ilości i jakości informacji możliwej do pozyskania z obrazu.

W praktyce, aby "wyciągnąć" pełną informację z interferogramu lub hologramu, potrzeba więcej niż jednej fotografii (jednej ramki pomiarowej). Standardowo wykonuje się więc kilka zdjęć tego samego obrazu, ale przy różnych znanych przesunięciach fazowych – na przykład różniących się o 90 stopni, 180 stopni, 270 stopni.

Wymóg wielokrotnego pomiaru znacząco ogranicza szybkość analizy, komplikuje aparaturę i czyni pomiar wrażliwym na ruch lub zmiany w próbce.

Rozwiązaniem tych problemów ma być DeepQuadrature. Jest to model głębokiego uczenia, który potrafi wirtualnie generować brakującą funkcję kwadraturową - obraz odpowiadający przesunięciu fazy o π/2 względem obrazu wejściowego - mając do dyspozycji tylko jedną ramkę pomiarową.

Dzięki temu rozkład fazy można numerycznie odtworzyć tak, jakby dysponowało się pełnym zestawem klasycznych pomiarów, bez potrzeby ich rzeczywistego wykonywania. Innymi słowy - z jednego zdjęcia uzyskuje się pełną informację, którą normalnie trzeba byłoby zbierać w kilku etapach.

Co więcej, DeepQuadrature potrafi zwiększyć współczynnik SBP, czyli ilość i jakość informacji zawartej w obrazie, bez zmiany układu optycznego. A im wyższy SBP, tym więcej informacji o obiekcie można uzyskać z jednego pomiaru.

"Konsekwencją nie jest tylko oszczędność pieniędzy. Pomiary jednoramkowe są szybsze i łatwiejsze, co pozwala na ich mobilne stosowanie poza laboratorium optycznym. To duża szansa na szerokie upowszechnienie tej technologii" - powiedziała główna autorka publikacji dr inż. Maria Cywińska.

Model został wytrenowany na syntetycznych danych o zróżnicowanej geometrii i częstotliwości prążków, dzięki czemu dobrze radzi sobie również z realnymi obrazami, pełnymi zakłóceń i szumów. W badaniach eksperymentalnych naukowcy QCI Lab osiągnęli dokładność porównywalną z metodami wieloramkowymi, zachowując przy tym prostotę podejścia jednoramkowego.

Zdaniem twórców wdrożenie DeepQuadrature przyspieszy i uprości pomiary w mikroskopii optycznej, a także sprawi, że układy pomiarowe będą tańsze i mniej wrażliwe na zakłócenia, co przyda się szczególnie w trudnych warunkach, np. w obrazowaniu dynamicznych procesów biologicznych, gdzie wielokrotne pomiary są niemożliwe.

Nauka w Polsce, Katarzyna Czechowicz

kap/ zan/