Свежую научную новость принесли миру метаматериалы — композиционные материалы, свойства которых определяются не химическим составом, а микроструктурой. В частности, именно они позволяют создавать среды с «невозможным» отрицательным коэффициентом преломления, ломающие привычные представления о мире (например, милиционеру, измеряющему радаром скорость движения приближающейся машины в воздухе с отрицательным показателем преломления, показалось бы, что она едет по встречной полосе, то есть отдаляется). <2>Именно с метаматериалами связаны все новости о создании «шапок-невидимок» в некоторых диапазонах длин волн (видимый свет входит в него пока лишь отчасти).
Изучая разнообразные свойства метаматериалов, ученые из Университета Дьюка (США) разработали новый способ получать высокоточные снимки.
Их работа опубликована в журнале Science.
Системы отображения или визуализации цифровых изображений характеризуются размерностью пространства (очевидно, что фотографии двумерные, плоские, а 3D-кино — трехмерное) и их детальностью (количество пикселей на единицу площади изображения). Обычно системы визуализации строятся на том, что мерность пространства хранит в себе информацию о его детальности, не учитывая специфику некоторых объектов съемки, например информация о том, что солнце слишком яркое, чтобы его снимать на обычную «мыльницу», изначально в систему визуализации не вложена. Соответственно, в основных форматах сжатия файлов, самым распространенным из которых является JPEG (сокращение от Joint Photographic Experts Group — название компании-разработчика), процесс сжатия изображения происходит только после процесса его визуализации.
В этом как раз и состоит главное отличие JPEG от вновь созданной системы, в которой процессы сжатия и визуализации изображения происходят одновременно.
Такой подход является более эффективным, поскольку потери данных при обработке минимизируются, что сохраняет четкую детализацию и высокое разрешение.
В публикации в Science авторы представляют разработанный из метаматериалов сенсор, работающий, правда, пока только в микроволновом диапазоне. Основой устройства является оптическая система, способная фиксировать изображение без регулировки расстояния между фокусирующими линзами. Конструкция системы позволяет снимать до 10 кадров в секунду при рабочей частоте излучения в К-диапазоне (от 18 до 26 ГГц). Устройство обработки изображения состоит из пропускающего волновода, образованного компоновкой полосковой линии (так в технике сверхвысоких частот называется линия, канализирующая электромагнитные волны в воздушной или иной диэлектрической среде вдоль двух пли нескольких проводников, имеющих форму тонких полосок и пластин, то есть линия передачи СВЧ энергии) с резонансным контуром, который, в свою очередь, контролирует амплитуду и фазу возбуждаемой волны.
Такое устройство может быть разработано для любой диафрагмы в зависимости от нужных волновых характеристик.
В современных форматах растровой графики (в частности, JPEG и широко используемом в полиграфии TIFF) каждое изображение закодировано набором точек, что приводит к возникновению ошибок, обусловленных малым количеством времени на их обработку. В разработанном сенсоре из метаматериалов ученые заместили точечное получение картинки работой с волновым фронтом, обеспечив тем самым большую четкость снимков. Такое изображение занимает меньший объем памяти, чем сравнимое по размерам и разрешению изображение в векторной графике (которая основана на использовании не отдельных точек, как растровая, а элементарных геометрических объектов, таких как точки, линии, сплайны и многоугольники).
То есть речь идет о принципиально новом методе получении и обработки изображений.
Правда для этого подобный сенсор нужно построить и для других диапазонов электромагнитного излучения, в первую очередь оптического, но авторы обещают, что это станет возможным в самое ближайшее время.
Эксперты же отмечают, что результаты работы соответствуют современной тенденции рационализации обработки изображений и найдут применение в следующем поколении устройств, работающих с изображениями, — от увеличения разрешения фотокамеры в смартфоне до повышения качества трехмерной магнитно-резонансной томографии в медицине и усовершенствования рентгеновских сканеров.