I fisici hackerano il sistema visivo umano per creare immagini di fantasmi

L'imaging fantasma è uno dei più straordinari progressi nell'ottica degli ultimi anni. Produce immagini ad alta risoluzione utilizzando fotocamere a pixel singolo e una luce che non ha mai interagito con l'oggetto in questione.

La tecnica si basa su algoritmi intelligenti per sgranocchiare i dati apparentemente casuali che un singolo pixel sembra raccogliere. Altro su quello di seguito.

Per questo motivo, è facile immaginare che l'imaging fantasma abbia poca rilevanza per la percezione umana, poiché il sistema visivo umano deve essere incapace di elaborare questo tipo di dati.

Non così. Oggi, Alessandro Boccolini della Heriot-Watt University di Edimburgo, in Scozia, e un paio di colleghi dimostrano che gli esseri umani possono vedere immagini di fantasmi e suggeriscono come la tecnica possa essere utilizzata per studiare e sfruttare il sistema visivo in modi completamente nuovi.

Prima un po' di background. L'imaging fantasma funziona proiettando uno schema di luce casuale su un oggetto e registrando la luce riflessa con un singolo pixel. La ripetizione di questo processo con diversi modelli casuali di luce produce una sequenza di punti dati su come l'intensità della luce varia nel tempo.

È facile pensare che questi punti dati debbano variare in modo casuale. Ma in realtà sono correlati, perché la luce si riflette sullo stesso oggetto. Quindi, sgranocchiare i dati nel modo giusto può rivelare questa correlazione: un'immagine dell'oggetto.

Non tutta questa elaborazione deve essere eseguita in un computer. Una scorciatoia consiste nell'utilizzare il segnale del singolo pixel per modulare l'emissione di luce da un altro LED. Questo viene quindi proiettato sullo stesso modello casuale e il processo ripetuto per il modello successivo e così via.

L'immagine dell'oggetto, l'immagine fantasma, può quindi essere ricostruita integrando la luce riflessa da una lunga sequenza di schemi casuali illuminati. È interessante notare che l'immagine risultante è formata da una luce che non ha mai interagito con l'oggetto originale.

La domanda che Boccolini e co indagano è se il sistema visivo umano possa svolgere questo processo di integrazione. La loro idea è di proiettare i modelli in rapida successione su uno schermo che qualcuno sta guardando e quindi vedere se il sistema visivo della persona li combinerà.

Un effetto simile ci permette di percepire una sequenza di immagini fisse come un movimento continuo. Ma non è affatto ovvio che il sistema visivo integrerà i modelli casuali, ognuno dei quali è una disposizione casuale di pixel bianchi e neri chiamata modello Hadamard.

L'unico modo per scoprirlo è provare l'esperimento su alcune vittime volontarie. Boccolini e compagni hanno chiesto a quattro soggetti umani di visualizzare i modelli proiettati. Queste cavie potrebbero cambiare la velocità con cui i modelli sono apparsi per vedere come questo ha cambiato la loro esperienza.

I risultati sono affascinanti. Boccolini e colleghi affermano che quando i modelli appaiono a una velocità relativamente bassa, l'occhio umano vede solo una serie di pixel quadrati. Ma quando la velocità supera una certa soglia, appare all'improvviso l'immagine dell'oggetto.

La soglia è chiaramente una proprietà importante della visione umana. La configurazione sperimentale è in grado di proiettare modelli a una velocità di 20 kilohertz; che consente la visualizzazione di 200 modelli Hadamard ogni 20 millisecondi.

Boccolini e compagni affermano che tutti e quattro i soggetti potevano vedere l'oggetto a questa velocità. Quindi il sistema visivo deve integrare una sequenza di immagini in un modo specifico. Ma l'immagine si degrada rapidamente quando la frequenza scende al di sotto di 200 modelli ogni 20 millisecondi.

Questo è un fenomeno visivo completamente nuovo e fornisce un nuovo strumento per studiare il sistema visivo. Utilizziamo questa tecnica di imaging fantasma umano per valutare la risposta temporale dell'occhio e stabilire che il tempo di persistenza dell'immagine sia di circa 20 ms seguito da un ulteriore decadimento esponenziale di 20 ms, afferma il team.

Il fatto che l'occhio non interagisca mai con la luce che ha colpito l'oggetto apre alcune affascinanti possibilità, non ultima la prospettiva di illuminare l'oggetto con una lunghezza d'onda e poi di percepirlo con un'altra. In effetti, la lunghezza d'onda illuminante non deve essere necessariamente visibile dall'occhio umano.

L'imaging dei fantasmi con l'occhio apre una serie di applicazioni completamente nuove come l'estensione della visione umana a regimi di lunghezza d'onda invisibile in tempo reale, affermano Boccolini e co. Ciò non richiede schermo di visualizzazione aggiuntivo o passaggi di calcolo, poiché il sistema di visione umana fa quasi tutto il lavoro.

Tuttavia, Boccolini e colleghi sono molto interessati a come questo nuovo strumento possa aiutarli a studiare il sistema visivo in modo più dettagliato. Un'idea è indagare se il sistema visivo è in grado di eseguire ancora più calcoli. Il team spera di studiarlo trasmettendo modelli diversi in ciascun occhio o su diverse parti della retina per vedere se il sistema visivo può ancora integrare i dati per produrre un'immagine.

Sarà un lavoro interessante, che vale la pena guardare.

Rif: arxiv.org/abs/1808.05137 : Immagini fantasma con l'occhio umano

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