Шумная картинка: Много шума — и хорошо
«Как правило, — говорит один из авторов работы, профессор Джейсон Флейшер (Jason Fleischer), — шум рассматривается, как проблема, с которой надо бороться. Но в некоторых случаях сигнал и шум можно заставить взаимодействовать, и тогда шум будет усиливать сигнал. Для слабых сигналов — например, для изображения слишком темных или слишком далеких объектов — шум вообще может даже улучшить полученную картинку».
Вместе со своим студентом, нашим соотечественником Дмитрием Дыловым, Флейшер провел такой эксперимент. Лазерный луч пропускался через небольшую стеклянную пластину с нанесенным на ней рисунком — линиями и цифрами. Луч попадал на принимающее устройство, связанное с компьютером, на мониторе которого и отображалась итоговая картинка.
Затем в эту схему был внесен источник шума, полупрозрачная пластиковая пластина, расположенная между стеклом и приемником. Рассеивая львиную долю излучения, она делала картинку на мониторе совершенно нечитаемой, как туман делает невидимыми объекты, скрытые его пеленой.
Теперь мы подошли к главной части опыта: на пути луча Флейшер и Дылов установили еще один объект. Между пластиковой пластиной и приемником они поместили кристалл ниобата стронция-бария (НСБ), вещества, обладающего нелинейными оптическими свойствами. Иначе говоря, движение луча света в нем подчиняется довольно необычным законам, позволяя сигналу и шуму взаимодействовать друг с другом.
Эти свойства НСБ зависят от приложенного к кристаллу вещества напряжения, так что, аккуратно варьируя этот показатель, ученые в конце концов добились того, что на мониторе была снова получена ясная и четкая картинка исходного объекта — стеклянной пластины с нанесенными цифрами и линиями.
Сам по себе подобный подход отнюдь не нов, это явление называется стохастическим резонансом. Упрощенно объяснить его можно так. Представим систему, которая под влиянием периодического сигнала изменяется — соответственно, тоже периодически. Если на систему действует только шум, то изменения ее будут случайными.
Теперь представим систему, на которую влияет слишком слабый сигнал: при таком подпороговом воздействии она не будет менять свое состояние. Но если мы добавим к ней еще и шум, который привнесет в систему дополнительную энергию, то даже сравнительно слабого периодического воздействия будет уже достаточно. Шум как бы понижает порог чувствительности системы к периодическому сигналу.
«Шум мы использовали, чтобы "подкормить" сигнал, — комментирует Дмитрий Дымов. — Это как если бы вы сфотографировали человека в темноте, а затем, обработав фотографию определенным образом, получили его изображение более светлым, а фон — более темным, чем на исходном снимке. На контрасте портрет становится более четким».
Ученые уверены, что несмотря на то, что пока что они сделали лишь первые шаги в своей работе, она имеет самые невероятные перспективы использования. Такое «восстановление» картинки с помощью шума найдет применение и в медицине, и в авиации, и в сонарах подводных лодок, и в устройствах ночного видения, и где угодно, где исходный сигнал испытывает значительное воздействие шума.
По пресс-релизу Princeton Engineering