Los físicos piratean el sistema visual humano para crear imágenes fantasma

La imagen fantasma es uno de los avances más extraordinarios en óptica en los últimos años. Produce imágenes de alta resolución usando cámaras de un solo píxel y luz que nunca ha interactuado con el objeto en cuestión.

La técnica se basa en algoritmos inteligentes para analizar los datos aparentemente aleatorios que parece recopilar un solo píxel. Más sobre eso a continuación.

Debido a esto, es fácil imaginar que las imágenes fantasma tienen poca relevancia para la percepción humana, ya que el sistema visual humano debe ser incapaz de procesar este tipo de datos.

No tan. Hoy, Alessandro Boccolini de la Universidad Heriot-Watt en Edimburgo, Escocia, y un par de colegas demuestran que los humanos pueden ver imágenes fantasma y sugieren cómo se puede usar la técnica para estudiar y explotar el sistema visual de formas completamente nuevas.

Primero algunos antecedentes. Las imágenes fantasma funcionan proyectando un patrón aleatorio de luz sobre un objeto y registrando la luz reflejada con un solo píxel. La repetición de este proceso con diferentes patrones aleatorios de luz produce una secuencia de puntos de datos sobre cómo varía la intensidad de la luz con el tiempo.

Es fácil pensar que estos puntos de datos deben variar al azar. Pero en realidad están correlacionados, porque la luz se refleja en el mismo objeto. Por lo tanto, analizar los datos de la manera correcta puede revelar esta correlación: una imagen del objeto.

No es necesario que todo este procesamiento se realice en una computadora. Un atajo es usar la señal del píxel único para modular la salida de luz de otro LED. Esto luego se proyecta en el mismo patrón aleatorio, y el proceso se repite para el siguiente patrón, y así sucesivamente.

La imagen del objeto, la imagen fantasma, se puede reconstruir integrando la luz reflejada de una larga secuencia de patrones aleatorios iluminados. Curiosamente, la imagen resultante se forma a partir de luz que nunca interactuó con el objeto original.

La pregunta que investigan Boccolini y compañía es si el sistema visual humano puede realizar este proceso de integración. Su idea es proyectar los patrones en rápida sucesión en una pantalla que alguien está mirando y luego ver si el sistema visual de la persona los combina.

Un efecto similar nos permite percibir una secuencia de imágenes fijas como un movimiento continuo. Pero de ninguna manera es obvio que el sistema visual integrará los patrones aleatorios, cada uno de los cuales es una disposición aleatoria de píxeles en blanco y negro llamado patrón de Hadamard.

La única forma de averiguarlo es probar el experimento con algunas víctimas voluntarias. Boccolini y compañía pidieron a cuatro sujetos humanos que vieran los patrones proyectados. Estos conejillos de indias podían cambiar la velocidad a la que aparecían los patrones para ver cómo esto cambiaba su experiencia.

Los resultados son fascinantes. Boccolini y sus colegas dicen que cuando los patrones aparecen a un ritmo relativamente lento, el ojo humano ve solo un conjunto de píxeles cuadrados. Pero cuando la tasa cruza algún umbral, la imagen del objeto aparece de repente.

El umbral es claramente una propiedad importante de la visión humana. La configuración experimental es capaz de proyectar patrones a una velocidad de 20 kilohercios; eso permite que aparezcan 200 patrones de Hadamard cada 20 milisegundos.

Boccolini y compañía dicen que los cuatro sujetos podían ver el objeto a este ritmo. Entonces el sistema visual debe estar integrando una secuencia de imágenes de una manera específica. Pero la imagen se degrada rápidamente cuando la tasa cae por debajo de 200 patrones por 20 milisegundos.

Este es un fenómeno visual completamente nuevo y proporciona una nueva herramienta para estudiar el sistema visual. Usamos esta técnica de imágenes de fantasmas humanos para evaluar la respuesta temporal del ojo y establecer que el tiempo de persistencia de la imagen sea de alrededor de 20 ms seguido de una caída exponencial adicional de 20 ms, dice el equipo.

El hecho de que el ojo nunca interactúe con la luz que incide en el objeto abre algunas posibilidades fascinantes, entre ellas la posibilidad de iluminar el objeto con una longitud de onda y luego percibirlo en otra. De hecho, la longitud de onda de iluminación no necesita ser visible para el ojo humano.

La imagen fantasma con el ojo abre una serie de aplicaciones completamente novedosas, como extender la visión humana a regímenes de longitud de onda invisibles en tiempo real, dicen Boccolini y compañía. Esto no requiere una pantalla de visualización adicional ni pasos computacionales, ya que el sistema de visión humana hace casi todo el trabajo.

Sin embargo, Boccolini y compañía están más interesados ​​en cómo esta nueva herramienta puede ayudarlos a estudiar el sistema visual con más detalle. Una idea es investigar si el sistema visual es capaz de realizar incluso más cálculos. El equipo espera estudiar esto emitiendo diferentes patrones en cada ojo o en diferentes partes de la retina para ver si el sistema visual aún puede integrar los datos para producir una imagen.

Será un trabajo interesante, digno de ver.

Ref: arxiv.org/abs/1808.05137 : Imagen fantasma con el ojo humano

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