Multiplexage temporel de Super Résolution technique d'imagerie à partir d'une plate-forme mobile
12 février 2014
Un procédé pour surmonter la limite de diffraction optique est présenté. Le procédé comprend un processus en deux étapes: l'extraction de phase optique en utilisant l'algorithme itératif Gerchberg-Saxton, et le déplacement du système de formation d'image suivie d'une répétition de la première étape. Une ouverture de l'objectif par synthèse accrue est générée le long de la direction de déplacement, ce qui donne une meilleure résolution d'image.
L’objectif global de cette procédure est d’augmenter synthétiquement l’ouverture de l’objectif d’une plate-forme d’imagerie à balayage. Pour ce faire, il faut d’abord capturer trois images à basse résolution et différemment défocalisées d’une cible tout en se déplaçant le long de l’axe optique du système. La deuxième étape consiste à décaler l’ensemble du système d’imagerie perpendiculairement, puis à prendre trois images défocalisées de la cible.
Ensuite, déplacez le système d’imagerie de l’autre côté de l’axe optique et capturez trois autres images défocalisées de la cible. La dernière étape consiste à récupérer numériquement les phases optiques afin de déterminer les champs optiques, puis à les combiner correctement pour obtenir une image super résolue. En fin de compte, une ouverture de l’objectif synthétiquement accrue est générée le long de la direction du mouvement, ce qui donne une résolution d’image plus élevée.
Le principal avantage de la technique proposée par rapport aux autres approches de super-résolution de multiplexage temporel est que notre technique est passive, et ne nécessite donc pas la projection de motifs d’encodage qui sont ensuite inutilisés pour obtenir l’image super-résolue, Cette expérience est normalement réalisée dans une obscurité relative. Cependant, une partie de la vidéo est filmée avec la lumière allumée. Afin de mieux visualiser le protocole, commencez la configuration avec l’alignement approximatif de la lentille de l’extenseur de faisceau laser et de la caméra sur le même axe optique. Montez l’objectif et l’appareil photo sur une platine de translation pour permettre des mouvements subtils perpendiculaires à l’axe optique.
De plus, montez la caméra sur une platine de translation pour un petit mouvement parallèle à l’axe optique. Allumez le laser et utilisez un diaphragme d’ouverture pour vous assurer que la lumière passe par le centre de la lentille. Ensuite, allumez la caméra et utilisez la platine Z linéaire pour vérifier l’alignement du faisceau laser.
Lorsqu’il est aligné, en se défocalisant, l’appareil photo ne fera que changer de taille du spot, mais ne provoquera pas de décalage latéral du spot. Une fois l’alignement terminé, insérez une cible de test de l’US Air Force devant l’expanseur de faisceau. Placez la cible de manière à ce que la lumière qui la traverse passe par le centre de l’objectif.
Utilisez la platine Z linéaire afin de faire la mise au point de la cible. Cette position initiale xz de la caméra servira de point d’ancrage. Une fois la mise au point effectuée, insérez l’ouverture carrée de 0,1 pouce et capturez la première image de la cible.
Ajustez maintenant la platine Z linéaire. Utilisez-le pour éloigner la caméra de la cible de 0,2 pouce. Capturez une deuxième image de la cible, déplacez la caméra de 0,2 pouce supplémentaire.
Prenez une troisième image. Ces trois images seront appelées la série B. Remettez l’appareil photo dans sa position d’ancrage d’origine avant de continuer.
Après être revenu à la position d’ancrage, commencez à utiliser le décalage linéaire de la scène X. L’ensemble du système d’imagerie latéralement à une distance positive de 0,1 pouce. Le système d’imagerie n’est plus centré sur le faisceau laser.
Capturez une image de la cible à partir de cette position. Ajustez la platine Z pour éloigner la caméra de la cible de 0,2 pouce. Capturez une image, puis reculez-la de 0,2 pouce.
Prenez une troisième image de la cible. Ces trois images seront désignées comme la série A. Remettez l’appareil photo en position d’ancrage.
En commençant par la position d’ancrage, décalez la caméra négativement de 0,1 pouce. Capturez trois autres images aux mêmes positions Z que les autres séries. Ces images seront la série C.
Étant donné que la caméra ne capture que l’intensité du champ, les informations de phase optique sont perdues. Afin de le récupérer et de trouver le champ optique, utilisez la méthode des trois plans numériques. Une fois que le champ optique de chaque série d’images est trouvé, utilisez l’intégrale de l’espace libre phénal pour propager le champ optique de la série B vers l’objectif jouant pour la série A.
Assurez-vous que le champ est décalé pour refléter sa position par rapport à l’axe optique. L’espace libre propage son champ optique dans le plan de l’objectif. Répétez les mêmes étapes pour la série C sous l’axe optique.
Additionnez les trois champs pour les combiner et augmentez synthétiquement la taille de l’ouverture. Enfin, l’espace libre propage le champ résultant au plan de l’image. La cible utilisée dans l’expérience était la cible d’essai négative de l’USAF de 1951 montrée ici dans une image à haute résolution.
Comparez cela à l’image basse résolution prise à la position d’ancrage sur l’axe optique. Aucune des barres de résolution n’est visible dans l’image super résolue. Les barres verticales sont visibles jusqu’au troisième élément à droite.
Étant donné que l’ouverture n’a été augmentée que dans la direction horizontale X, il n’y a pas d’amélioration de la résolution des barres horizontales. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’utiliser un système de super résolution passif qui augmente synthétiquement l’ouverture de l’objectif en utilisant le mouvement de la plate-forme d’imagerie et le calcul numérique. Bien que la démonstration que vous avez vue ait été faite sur un banc optique, le concept proposé est réalisable pour de vrais systèmes d’imagerie aéroportés.
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Aperçu
Cet article présente une méthode permettant de dépasser la limite de diffraction optique par un processus en deux étapes impliquant la récupération de phase optique et le décalage du système d'imagerie. Cette technique permet d'augmenter synthétiquement l'ouverture de l'objectif, ce qui améliore la résolution d'imagerie.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Imagerie optique
- Techniques de super-résolution
- Méthodes de récupération de phase
Contexte
- La diffraction optique limite la résolution des systèmes d'imagerie.
- Les méthodes traditionnelles nécessitent souvent des dispositifs complexes ou une illumination active.
- Les techniques passives peuvent simplifier le processus d'imagerie.
- La compréhension de la récupération de phase optique est essentielle pour améliorer la résolution.
Objectif de l'étude
- Développer une méthode passive pour augmenter l'ouverture du diaphragme.
- Améliorer la résolution d'image sans recourir à des motifs de codage complexes.
- Démontrer la faisabilité de la technique dans des applications réelles.
Méthodes utilisées
- Acquérir des images à faible résolution et défocalisées tout en se déplaçant le long de l'axe optique.
- Déplacer perpendiculairement le système d'imagerie et acquérir des images supplémentaires défocalisées.
- Utiliser des méthodes numériques pour reconstruire les phases optiques et combiner les images.
- Propager en espace libre les champs résultants afin d'obtenir une super-résolution.
Résultats principaux
- La méthode proposée augmente avec succès l'ouverture efficace de l'objectif.
- Des images de résolution plus élevée ont été obtenues par rapport aux captures à faible résolution.
- Les barres de résolution verticales étaient visibles jusqu'au troisième élément dans l'image super-résolue.
- La technique est applicable aux systèmes d'imagerie aéroportés.
Conclusions
- La méthode offre une approche novatrice de la super-résolution passive.
- Elle simplifie le processus d'imagerie tout en améliorant la résolution.
- La technique présente des applications potentielles dans divers domaines de l'imagerie.
Questions fréquemment posées
Pertinence professionnelle pour l'industrie
Cette technique répond au défi de l'obtention d'images haute résolution dans des environnements dynamiques où les systèmes optiques classiques sont limités par la diffraction et le mouvement de la plateforme. En augmentant synthétiquement l'ouverture efficace de l'objectif grâce à une récupération passive de la phase optique et à un décalage contrôlé de la plateforme, la méthode améliore la confiance prédictive dans la détection et la caractérisation des cibles. Elle soutient les flux de travail de découverte précoce en permettant la collecte de données d'imagerie fiables à partir de plateformes mobiles, réduisant ainsi l'ambiguïté mécanistique dans les applications de surveillance et de reconnaissance.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmaceutique
Début de la découverte et validation de la cible
- Valeur scientifique : Permet l'interrogation d'hypothèses spatiales en résolvant les détails structuraux fins des cibles imagées.
- Valeur opérationnelle : Offre une approche passive qui évite les motifs d'illumination complexes, simplifiant ainsi la configuration expérimentale.
- Valeur prédictive : Renforce la confiance dans l'identification des cibles grâce à une meilleure résolution, sans codage actif.
Développement de tests et criblage
- Valeur scientifique : Génère des données quantitatives sur le champ optique, adaptées à l'analyse d'image et à la reconnaissance de motifs en aval.
- Valeur opérationnelle : Produit des séries d'images défocalisées reproductibles, pouvant être standardisées entre différentes sessions d'acquisition.
- Valeur en termes de montée en échelle : Permet la réutilisation de la plateforme en exploitant une synthèse d'ouverture basée sur le mouvement, plutôt qu'une modification matérielle.
Recherche translationnelle et préclinique
- Valeur translationnelle : Assure une continuité entre la démonstration en laboratoire et le déploiement éventuel d'un système aéroporté.
- Atténuation des risques : Réduit l'incertitude dans la classification des cibles en améliorant la résolution dans la direction du mouvement.
- Fiabilité prédictive : Permet de prendre de meilleures décisions d'acceptation ou de rejet dans les chaînes de validation fondées sur l'imagerie.
Intégration des pipelines et des flux de travail
La méthode s'intègre dans le continuum de la découverte en améliorant la préparation à l'imagerie durant les premières phases de test d'hypothèses et en soutenant une génération de données à grande échelle pour les étapes d'identification de composés d'intérêt.
- Biologie de la découverte : Permet la vérification d'hypothèses en résolvant des caractéristiques subdiffractionnelles dans les structures cibles.
- Analyse : Fournit des données d'image quantitatives prêtes à l'analyse grâce à une acquisition défocus standardisée et à une récupération de phase.
- Analytique : Permet la comparaison des champs optiques entre différentes conditions par rétropropagation numérique et combinaison de champs.
- Recherche translationnelle : Établit un lien entre la validation en laboratoire optique et la faisabilité d'imagerie aéroportée dans des conditions réelles.
- Réutilisation en entreprise : Fonctionne comme une capacité d'amélioration d'imagerie réutilisable, plutôt que comme un protocole à usage unique.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Accroît la confiance prédictive dans la validation des cibles grâce à l'amélioration de la résolution limitée par la diffraction.
- Valeur opérationnelle : Garantit la reproductibilité et la standardisation par une acquisition d'images passive et basée sur le mouvement.
- Valeur stratégique : Réduit les risques biologiques et techniques dans les flux de découverte dépendant de l'imagerie.
- Impact sur le portefeuille : Favorise la priorisation ajustée au risque en améliorant la qualité des données pour les évaluations de poursuite ou d'abandon.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en physique optique, en algorithmes de récupération de phase et en plateformes de translation de précision.
- Dépend d'un éclairage laser stable, d'un alignement précis du faisceau et d'un déplacement contrôlé de la plateforme selon des axes orthogonaux.
- Implique une standardisation interéquipes des protocoles d'acquisition d'images et des chaînes de traitement numérique.
- Implique des adaptations à prendre en compte lors du passage d'un montage optique en laboratoire à des plateformes aéroportées ou satellitaires.
- Limité à l'amélioration de la résolution uniquement dans la direction du mouvement de l'ouverture synthétique, comme démontré uniquement sur l'axe X.
