Foto: Jeppe Revall Frisvad

Forskere skaber billeder med matematik

fredag 01 jun 18

Kontakt

Knut Conradsen
Professor emeritus
DTU Compute
45 25 34 16
Det er lykkedes forskere inden for billedanalyse at skabe billeder af glasobjekter med fotografisk præcision – uden at fotografere dem.

Grænsen mellem virkelighed og en virtuel verden er blevet yderligere udvisket, efter at et hold forskere har udviklet en ny metode, der kan gengive glasobjekter med fotografisk præcision – vel at mærke uden at fotografere dem.

Billederne er digitalt frembragte ved hjælp af computere, som er fodret med matematiske modeller, algoritmer, samt data fra skanninger af objekterne. De digitale gengivelser af de virkelige glasobjekter er så vellykkede, at forskerne i efteråret 2017 fik publiceret deres resultater i det videnskabelige tidsskrift Applied Optics og samtidig opnåede en del medieomtale, især i USA.

”Øjet er nemt at narre, hvis vi kigger på komplekse optiske materialer som glas, der nok er det mest udfordrende materiale at digitalisere. Vi har derfor udviklet en metode, som gør det muligt at afgøre, i hvilken grad digitalt glas svarer til virkeligt glas,” fortæller professor emeritus Knut Conradsen, som var med på holdet af de i alt 13 forskere fra DTU Compute samt en fra DTU Fysik.

”Klart glas er nærmest usynligt. Det er lyset og dets brydning gennem materialet, der sætter mennesker i stand til at se det. Samtidig bliver lyset også reflekteret på mange måder i glas. Det anses derfor for lidt af en bedrift at opnå så vellignende renderinger af glasobjekter,” siger Knut Conradsen.

Virtuelle glasobjekter

Forskerne havde sat sig for at lave en digital kopi af en virkelig opstilling af tre glasobjekter – en kande, en kugle og et fad med låg – på en ternet baggrund belyst med LED-lys. Først blev hvert objekt fotograferet af to kameraer. Dernæst anvendte forskerne en robotarm til at registrere den nøjagtige placering af de to kameraer for at få data på den rumlige dimension af sceneriet, hvilket er afgørende for at kunne genskabe opstillingerne digitalt.


Den øverste række billeder er computerskabte renderinger af tre glasobjekter. De tre billeder nedenunder er de faktiske fotos af samme objekter. Foto: DTU Compute og Applied Optics.


Efterfølgende har forskerne placeret de digitale glasobjekter i et billede af et sofabord. Det er umuligt at se, at glaskanden, fadet og kuglen aldrig har stået på sofabordet.

Beregninger af lys

De tre glasobjekter blev så CT-skannet, så forskerne kunne få oplysningerne om objekternes udformning, hvilket de oversatte til matematiske modeller. Det kombinerede forskerne med modeller for, hvordan lysstråler bevæger sig gennem forskellige objekter. Sluttelig blev de mange data samlet til de vellignende billeder. Med de oprindelige fotos af glasobjekterne kunne forskerne pixel for pixel sammenligne virkeligheden med den digitale version.

”Der er jo en fantastisk god lighed. Hvis man ser nøje efter, vil man opdage lidt afvigelser i lysspredningen i den digitale version. Men vi har vist, at vi kan genskabe glasobjekter digitalt. Ikke alene fordi vi har en kraftig computer, men også fordi vi har en forståelse af, hvad der sker. Det sætter os i stand til at lave matematiske modeller af, hvordan virkeligheden agerer,” siger Knut Conradsen.

Billeder gengiver virkeligheden

Metoden til at skabe virtuelle glasobjekter kan være nyttig til filmproduktion og virtual reality-oplevelser, men her er kravene til absolut naturtro gengivelse ikke så store. Mere relevant er anvendelser i prototyping og designforbedringer af produkter samt i kvalitetssikring.

Men DTU-forskerne har demonstreret en større pointe: Med så avancerede billedanalysekompetencer er det rimeligt at antage, at de renderinger, der skabes ved hjælp af data fra f.eks. røntgensynkrotroner, og som visualiserer enzymer, nervebaner eller fibre i en vindmøllevinge, faktisk viser os en verden, som den ville se ud, hvis man kunne fotografere den.

 Photo: Jeppe Revall Friisvad              

De tre glaselefanter er alle computerskabte renderinger, og der findes intet foto af en ægte glaselefant. De går fra en simpel fremstilling af glas til stadig mere avancerede renderinger af glaselefanten.

Læg bl.a. mærke til, hvordan refleksionen af personen i baggrunden forandres i de sidste to renderinger, hvor forskerne har tilføjet beregninger af lysets brydning i materialet.

Den øverste rendering illustrerer, hvordan vi kan narres til at tro på, at noget er glas, selvom det bare forvrænger lyset en smule.

 

I den midterste rendering indeholder renderingen nogle af beregningerne af lysets brydning i glasset. Men hvis man kigger på detaljerne, så er det ret mangelfuldt, fordi der mangler absorption samt mange brydninger og interne lysrefleksioner.

 

 

 

 

 

I den nederste rendering bruges metoden, som forskerne har publiceret i Applied Optics, hvor man tager en fuld beregning af lysets brydninger, og hvor man tager højde for, at glasset også absorberer en lille del af lyset.


Fotos: Jeppe Revall Friisvad.


Nyheder og filtrering

Få besked om fremtidige nyheder, der matcher din filtrering.