[inPHASE] Algorytmy wnioskujące do ilościowego obrazowania fazowego opartego o analizę obrazów prążkowych

kierownik projektu: mgr inż. Maria Cywińska

okres realizacji zadania: 4.01.2022-3.01.2024

przyznane środki na realizację zadania: 139 568 pln

Celem projektu inPHASE jest wykorzystanie nowatorskich algorytmów wnioskujących (opartych o konwolucyjne sieci neuronowe i algorytm dynamicznego próbkowania zagnieżdżonego) do odzyskania wielkości mierzonej zakodowanej w rozkładzie intensywności obrazu prążkowego rejestrowanego przez techniki ilościowego obrazowania fazowego (tzn. interferometrię, mikroskopię holograficzną, technikę mory czy metodę z oświetleniem strukturalnym). Metody te są jednymi z najdokładniejszych technik pomiarowych obiektów w nano, mikro i makro skali, a ich ogromną zaletą jest precyzyjność i bezkontaktowość.

Ze względu na to, że w metodach ilościowego obrazowania fazowego wielkość mierzona zakodowana jest w rejestrowanym rozkładzie intensywności (fazie rejestrowanego obrazu prążkowego) wymagają one dodatkowo specjalnej metody odszyfrowania, której dokładność wpływa bezpośrednio na jakość dokonywanego pomiaru. Badanie i udoskonalanie algorytmów umożliwiających analizę obrazów prążkowych (dekodowanie informacji nt. wielkości mierzonej) jest niezwykle istotnym zagadnieniem będącym tematem aktywnej pracy naukowo-badawczej wielu międzynarodowych grup.

Decydując się na podjęcie tematyki badawczej związanej z rozwojem algorytmów numerycznych do estymacji funkcji fazy zauważono, że w przypadku klasycznych metod każda z nich ma określony zakres zastosowań i wciąż brakuje jednego uniwersalnego rozwiązania, które z powodzeniem można by zastosować dla wszystkich rodzajów obrazów prążkowych.

Dodatkowo, w przypadku nowatorskich metod opartych o sieci neuronowe, dedykowane są one konkretnym układom pomiarowym i generalnie pozwalają na uzyskanie dokładnych wyników tylko jeśli analizowany obraz prążkowy jest podobny do danych ze zbioru uczącego. Zdefiniowana w ten sposób luka w aktualnym stanie wiedzy zostanie uzupełniona przez uniwersalne i niezależne od pochodzenia obrazu prążkowego algorytmy wnioskujące, jak zostało to pokazane na Rys. 1.

Rys.1. Schemat prezentujący obecny state-of-the-art w zakresie analizy obrazu prążkowego i rozwiązania rozwijane w ramach projektu inPHASE.

Rys.1. Schemat prezentujący obecny state-of-the-art w zakresie analizy obrazu prążkowego i rozwiązania rozwijane w ramach projektu inPHASE.

W projekcie inPHASE wykorzystane zostaną niezwykłe możliwości obliczeniowe konwolucyjnych sieci neuronowych (Rys. 2) wraz z nowatorskim podejściem do definicji zbioru uczącego opartym na ekspertyzie społeczności interferometrycznej i optymalizacji procesu uczenia.

Zdjęcie 2

Rys. 2. Wyniki wstępne związane z wykorzystaniem sieci neuronowej do filtracji obrazów prążkowych; góra: schemat rozwiązania DeepVID, dół: separacja tła i prążków interferogramu mikrokulki z wykorzystaniem podejścia (a), (b) DeepVID oraz (c), (d) klasycznego uVID; separacja tła i prążków interferogramu komórek prostaty RWPE z wykorzystaniem podejścia (e), (f) DeepVID oraz (g), (h) klasycznego uVID; separacja tła i prążków interferogramu kodującego informację o kształcie kropli z wykorzystaniem podejścia (i), (j) DeepVID oraz (k), (l) klasycznego uVID; separacja tła i prążków besselogramu z wykorzystaniem podejścia (m), (n) DeepVID oraz (o), (p) klasycznego uVID.

W wyniku współpracy kierowniczki projektu Marii Cywińskiej z opiekunem naukowym dr Maciejem Wielgusem z Instytutu Radioastronomii im. Maxa Plancka w Bonn problem estymacji funkcji fazy w interferometrii optycznej zostanie rozwiązany z wykorzystaniem algorytmu dynamicznego próbkowania zagęszczonego zaimplementowanego (Rys. 3) z powodzeniem do radiointerferometrii.

Zdjęcie 3

Rys. 3. Przykład wyniku otrzymanego z wykorzystaniem algorytmu próbkowania zagęszczonego dla 8-wymiarowego modelu geometrycznego dopasowanego do eksperymentalnego obrazu prążkowego.

Wiele pojęć z interferometrii optycznej łatwo przekłada się na radiointerferometrię, ponieważ zjawiska fizyczne leżące u ich podstaw są zasadniczo takie same (interferencja fal, fale optyczne w mikroskopii interferencyjnej i głównie fale radiowe w astronomii). Ostateczna weryfikacja zaimplementowanych algorytmów zostanie przeprowadzona w oparciu o dane eksperymentalne otrzymane od partnerów (z Instytutu Mikromechaniki i Fotoniki Politechniki Warszawskiej, Norweskiego Uniwersytetu Arktycznego, Uniwersytetu w Walencji, Uniwersytetu Nauki i Technologii w Nanjing i Uniwersytetu w Munster). Rozwijane w ramach projektu inPHASE algorytmy numeryczne znajdą zastosowanie w wielu dziedzinach nauki: w medycynie do analizy komórek biologicznych, w optyce do pomiaru elementów optycznych, w badaniach fizyki płynów (analiza kształtu kropli) czy w mechanice eksperymentalnej do analizy odkształceń lub drgań mikrosystemów (Rys. 4).

Zdjęcie 4

Rys. 4. Wyniki pomiarów opartych na obrazach prążkowych.