Des physiciens piratent le système visuel humain pour créer des images fantômes

L'imagerie fantôme est l'une des avancées les plus extraordinaires de l'optique ces dernières années. Il produit des images haute résolution à l'aide de caméras à un pixel et d'une lumière qui n'a jamais interagi avec l'objet en question.

La technique repose sur des algorithmes intelligents pour analyser les données apparemment aléatoires qu'un seul pixel semble rassembler. Plus à ce sujet ci-dessous.

Pour cette raison, il est facile d'imaginer que l'imagerie fantôme a peu de pertinence pour la perception humaine, puisque le système visuel humain doit être incapable de traiter ce type de données.

Pas si. Aujourd'hui, Alessandro Boccolini de l'Université Heriot-Watt d'Édimbourg, en Écosse, et quelques collègues démontrent que les humains peuvent voir des images fantômes et suggèrent comment la technique peut être utilisée pour étudier et exploiter le système visuel de manière entièrement nouvelle.

Tout d'abord un peu de contexte. L'imagerie fantôme fonctionne en projetant un motif aléatoire de lumière sur un objet et en enregistrant la lumière réfléchie avec un seul pixel. La répétition de ce processus avec différents modèles aléatoires de lumière produit une séquence de points de données sur la façon dont l'intensité lumineuse varie dans le temps.

Il est facile de penser que ces points de données doivent varier au hasard. Mais ils sont en fait corrélés, car la lumière se réfléchit sur le même objet. Donc, analyser les données de la bonne manière peut révéler cette corrélation : une image de l'objet.

Tout ce traitement n'a pas besoin d'être effectué sur un ordinateur. Un raccourci consiste à utiliser le signal du pixel unique pour moduler la sortie lumineuse d'une autre LED. Celui-ci est ensuite projeté sur le même motif aléatoire, et le processus est répété pour le motif suivant, et ainsi de suite.

L'image de l'objet - l'image fantôme - peut alors être reconstruite en intégrant la lumière réfléchie à partir d'une longue séquence de motifs aléatoires illuminés. Fait intéressant, l'image résultante est formée de lumière qui n'a jamais interagi avec l'objet d'origine.

La question que Boccolini et ses collaborateurs étudient est de savoir si le système visuel humain peut effectuer ce processus d'intégration. Leur idée est de projeter les motifs en succession rapide sur un écran que quelqu'un regarde et de voir ensuite si le système visuel de la personne les combinera.

Un effet similaire nous permet de percevoir une séquence d'images fixes comme un mouvement continu. Mais il n'est en aucun cas évident que le système visuel intégrera les motifs aléatoires, dont chacun est un arrangement aléatoire de pixels noirs et blancs appelé motif Hadamard.

La seule façon de le savoir est de tenter l'expérience sur des victimes consentantes. Boccolini et co ont demandé à quatre sujets humains de voir les motifs projetés. Ces cobayes pouvaient changer la vitesse à laquelle les modèles apparaissaient pour voir comment cela changeait leur expérience.

Les résultats sont fascinants. Boccolini et co disent que lorsque les motifs apparaissent à un rythme relativement lent, l'œil humain ne voit qu'un ensemble de pixels carrés. Mais lorsque le taux franchit un certain seuil, l'image de l'objet apparaît soudainement.

Le seuil est clairement une propriété importante de la vision humaine. La configuration expérimentale est capable de projeter des modèles à un taux de 20 kilohertz ; qui permet à 200 motifs Hadamard d'apparaître toutes les 20 millisecondes.

Boccolini et co disent que les quatre sujets pouvaient voir l'objet à ce rythme. Le système visuel doit donc intégrer une séquence d'images d'une manière spécifique. Mais l'image se dégrade rapidement lorsque le rythme tombe en dessous de 200 motifs par 20 millisecondes.

Il s'agit d'un phénomène visuel entièrement nouveau et fournit un nouvel outil pour étudier le système visuel. Nous utilisons cette technique d'imagerie fantôme humaine pour évaluer la réponse temporelle de l'œil et établir le temps de persistance de l'image à environ 20 ms suivi d'une autre décroissance exponentielle de 20 ms, selon l'équipe.

Le fait que l'œil n'interagisse jamais avec la lumière qui a frappé l'objet ouvre des possibilités fascinantes, notamment la perspective d'éclairer l'objet avec une longueur d'onde puis de le percevoir sur une autre. En effet, la longueur d'onde d'éclairage n'a pas besoin d'être visible par l'œil humain.

L'imagerie fantôme avec l'œil ouvre un certain nombre d'applications complètement nouvelles telles que l'extension de la vision humaine dans des régimes de longueur d'onde invisibles en temps réel, disent Boccolini et co. Cela ne nécessite aucun écran de visualisation supplémentaire ni aucune étape de calcul, car le système de vision humaine fait presque tout le travail.

Cependant, Boccolini et co sont plus intéressés par la façon dont ce nouvel outil peut les aider à étudier le système visuel plus en détail. Une idée est d'étudier si le système visuel est capable d'encore plus de calcul. L'équipe espère étudier cela en projetant différents motifs dans chaque œil ou sur différentes parties de la rétine pour voir si le système visuel peut encore intégrer les données pour produire une image.

Ce sera un travail intéressant, à regarder.

Réf : arxiv.org/abs/1808.05137 : Imagerie fantôme avec l'œil humain

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