Новое ПО устраняет проблему с «шевелёнкой» на фото на микроуровне
Для получения чётких изображений микроскопических объектов необходимо сделать несколько последовательных снимков, а затем с помощью вычислительных алгоритмов восстановить из них одно изображение с высоким разрешением. Результат получается достаточно качественным, если объект съёмки неподвижен. Но если он в динамике, как это часто бывает, например, с микробами, то итоговое изображение всё равно получается размытым или искажённым.
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли нашли способ улучшить разрешение при съёмке подвижных объектов микроскопической величины. В статье об исследовании, опубликованной в издании Nature Methods, они рассказали о новом инструменте вычислительной визуализации под названием neural space-time model (NSTM), что можно перевести как «нейронная модель пространства-времени». Новинка использует небольшую в плане программного кода нейронную сеть для уменьшения так называемых артефактов движения («шевелёнки») и расчёта траекторий движения.
— Руйминг Цао, ведущий автор достижения.
По словам исследователей, NSTM можно совместить с другими методами обработки изображений без необходимости в дополнительном дорогостоящем оборудовании. Что касается эффективности, то новое ПО обеспечивает улучшение по времени на порядок, сказал Цао. Инструмент с открытым исходным кодом позволяет воссоздать один чёткий снимок быстрее на базе немногих кадров. Например, для компьютерной реконструкции хватит 10 или 20 изображений для воссоздания одного со сверхвысоким разрешением.
Участница исследования Лаура Уоллер объяснила, что по сути они с коллегами использовали нейронную сеть для моделирования динамики во времени, чтобы затем реконструировать изображение соответственно быстрее. Получился очень мощный инструмент, потому что им можно ускорить обработку в 10 и более раз, в зависимости от того, сколько изображений использовали изначально как базовые.
NSTM использует машинное обучение, но не требует предварительной подготовки. Это упрощает настройку и предотвращает возможное искажение данных при обучении. Единственные данные, которые использует компьютерная модель, — это фактические кадры, которые она зафиксировала.
В ходе тестирования NSTM показала хорошие результаты для трёх различных технологий микроскопии и фотографии: дифференциально-фазово-контрастной микроскопии, 3D-микроскопии со структурированным освещением и для съёмки диффузорной камерой с подвижным затвором.
Но, как говорится, это только верхушка айсберга. NSTM можно будет использовать для улучшения любого метода компьютерной визуализации по нескольким кадрам, отметила Уоллер. Такая перспектива обещает расширить спектр научных применений, особенно в биологических науках.
Разработанную модель можно подключить к любой вычислительной задаче с динамическими (подвижными) объектами съёмки. Например, использовать при проведении компьютерной томографии, МРТ и других методах наблюдения и диагностики со сверхвысоким разрешением. Результаты использования сканирующего микроскопа также можно улучить благодаря NSTM.
Исследователи предполагают, что когда-нибудь NSTM интегрируют в уже доступные на рынке системы визуализации по принципу простого обновления программного обеспечения.
Тем временем разработчики продолжают совершенствовать инструмент, пытаясь расширить его возможности.
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли нашли способ улучшить разрешение при съёмке подвижных объектов микроскопической величины. В статье об исследовании, опубликованной в издании Nature Methods, они рассказали о новом инструменте вычислительной визуализации под названием neural space-time model (NSTM), что можно перевести как «нейронная модель пространства-времени». Новинка использует небольшую в плане программного кода нейронную сеть для уменьшения так называемых артефактов движения («шевелёнки») и расчёта траекторий движения.
Проблема с визуализацией движущихся целей в том, что алгоритм реконструкции предполагает статичную картинку. NSTM расширяет эти вычислительные методы для динамических образов, моделируя и реконструируя движение объектов в каждый момент времени съёмки. Это уменьшает искажения, вызванные динамикой, позволяя к тому же видеть сверхбыстрые изменения, происходящие с предметом съёмки
— Руйминг Цао, ведущий автор достижения.
По словам исследователей, NSTM можно совместить с другими методами обработки изображений без необходимости в дополнительном дорогостоящем оборудовании. Что касается эффективности, то новое ПО обеспечивает улучшение по времени на порядок, сказал Цао. Инструмент с открытым исходным кодом позволяет воссоздать один чёткий снимок быстрее на базе немногих кадров. Например, для компьютерной реконструкции хватит 10 или 20 изображений для воссоздания одного со сверхвысоким разрешением.
Участница исследования Лаура Уоллер объяснила, что по сути они с коллегами использовали нейронную сеть для моделирования динамики во времени, чтобы затем реконструировать изображение соответственно быстрее. Получился очень мощный инструмент, потому что им можно ускорить обработку в 10 и более раз, в зависимости от того, сколько изображений использовали изначально как базовые.
NSTM использует машинное обучение, но не требует предварительной подготовки. Это упрощает настройку и предотвращает возможное искажение данных при обучении. Единственные данные, которые использует компьютерная модель, — это фактические кадры, которые она зафиксировала.
В ходе тестирования NSTM показала хорошие результаты для трёх различных технологий микроскопии и фотографии: дифференциально-фазово-контрастной микроскопии, 3D-микроскопии со структурированным освещением и для съёмки диффузорной камерой с подвижным затвором.
Но, как говорится, это только верхушка айсберга. NSTM можно будет использовать для улучшения любого метода компьютерной визуализации по нескольким кадрам, отметила Уоллер. Такая перспектива обещает расширить спектр научных применений, особенно в биологических науках.
Разработанную модель можно подключить к любой вычислительной задаче с динамическими (подвижными) объектами съёмки. Например, использовать при проведении компьютерной томографии, МРТ и других методах наблюдения и диагностики со сверхвысоким разрешением. Результаты использования сканирующего микроскопа также можно улучить благодаря NSTM.
Исследователи предполагают, что когда-нибудь NSTM интегрируют в уже доступные на рынке системы визуализации по принципу простого обновления программного обеспечения.
Тем временем разработчики продолжают совершенствовать инструмент, пытаясь расширить его возможности.
- Дмитрий Ладыгин
- youtu.be/EVgLBFVUCow
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
«Космос-2612» против спутника-шпиона: Россия показала, что не будет мириться с американской разведкой на орбите
Почему западные эксперты считают, что противостояние на орбите выходит на более новую и крайне опасную стадию...
Что-то странное живет в старом топливе, вытекшем из затонувших кораблей во Вторую мировую войну
По словам ученых, в нефтепродуктах на дне моря «не протолкнуться»: 42 типа, 107 классов, 249 отрядов, 432 семейства, 1 047 родов микроорганизмов...
Сверхзвуковой флот США стоимостью 3,8 миллиарда долларов едва не был уничтожен детской игрушкой
По словам американских экспертов, Пентагон находится в панике. Против США применили технологию, которую разработали… американские союзники...
1319 подтвержденных случаев реинкарнации: исследование американских ученых выявило поразительные закономерности
Исследователи не знают, как объяснить механизм перерождения, но игнорировать статистику тоже не могут...
Секрет шаровой молнии раскрыт? Китайские ученые провели серию крайне необычных опытов
До разгадки феномена еще далеко, но, возможно, сделаны большие шаги в нужном направлении...
Загадочный звездный узор на знаменитой картине Ван Гога поставил точку в споре столетней давности
Выяснилось, что целая толпа литературоведов сильно ошибалась в биографии великого художника...
1600-летняя нанотехнология удивительного римского стекла, меняющего цвет, наконец-то раскрыта
У древних мастеров не было ни микроскопов, ни знаний о наномире, но почему современные ученые смогли повторить их материал только сейчас?...
Шимпанзе смогли создать свою цивилизацию, если бы 4 миллиона лет назад в их развитие не вмешался древний вирус
Новая научная работа наглядно демонстрирует, как сильно вирусы могут управлять развитием жизни на Земле. Страшно подумать, но ведь человечества могло и не быть...
Европа и Северная Америка — это… один континент: по революционной теории, Атлантический океан так и не разделил их до конца
При этом западные географы «лишились» целого континента, а в России Азия ушла в «самостоятельное плавание»...
Новая окаменелость подтверждает: предок человека появился на 200 000 лет раньше, чем считали ученые
Антропологи говорят, что доминировал тогда совсем другой вид, а в итоге выжил именно наш далекий пращур...
Марс и Луну проверят на следы древних цивилизаций: как ученые собираются это сделать
Новая технология принесет пользу, даже если исследователи не найдут инопланетян...
Что творится с климатом: почему четыре сезона в России уходят в прошлое?
Эксперт — о зимах без снега, внезапных смерчах и солнце, которое стало злее...
Горбатые киты растут гораздо быстрее в одних океанах, чем в других: что скрывается за этой аномалией?
Но, может быть, разгадка феномена проще, чем думают ученые. И она вовсе не в китах...
Зеркальная жизнь — новая угроза для человечества: способ ее обнаружить уже имеется, но есть нюансы
Стоит ли бояться уже сейчас или поверить скептикам и пока что успокоиться?...