▒ 신호가 서로 상호작용하며 노이즈에서 나오는 에너지가 신호를 증폭

감춰진 물체의 이미지를 볼 수 있는 새로운 기술로 머지않아 비행사들이 안개 속을 들여다 볼 수 있으며,의사들이 수술없이도 인체를 정확히 볼 수 있게 할 것으로 보인다.

미국 프린스턴 대학의 연구진에 의해서 개발된 이 방법은 일반적으로 구름이나 인체 조직 또는 흐린 물에 의해서 산란되어 상을 판별할 수 없게 하는 빛살을 이용하여 이미지를 오히려 뚜렷하게 만드는 것이다 .

그들의 실험에서, 연구진은 불투명한 상을 숫자와 라인의 명확한 패턴으로 복원시켰다. 그 과정은 부정확하고 노이즈가 나는 방송 신호의 일부를 이용하여 낡은 TV 수신기를 향상시키는 것이다. “일반적으로, 노이즈는 나쁜 것으로 간주한다. 그러나 때로는 노이즈와 신호가 서로 상호작용하며 노이즈로 부터 나오는 에너지가 신호를 증폭시키는 데 사용될 수 있다. 멀고 어둡게 보이는 영상을 만드는 약한 신호는 실제로 노이즈를 추가하면 그 영상의 질이 향상될 수 있다.”라고 프린스턴 대학 전기 공학부 조교수인 Jason Fleischer가 말했다.

이러한 방법으로 신호를 증폭시키는 능력은 뱃속의 태아를 볼 때 사용하는 초음파나 조종사들이 폭풍이나 난기류를 통해 길을 탐색하는 데 사용하는 레이더 시스템을 포함한 넓은 범위의 신호 기술을 향상시키는 잠재력이 있다. 이 방법은 또한 야시 장치 또는 부과 및 교량 지원 등에 사용되는 수중 구조물 검사 그리고 보안을 목적으로 신호를 가장하는 스테가노그라피(steganography)같은 기술에도 적용될 수 있다.

이 연구 결과는 3월 14일 자 Nature Photonics에 게재되었다.

노이즈 속에 감춰진 이미지가 프린스턴 대학의 Jason Fleischer와 Dmitry Dylov이 개발한 기술에 의해서 보인다. 그들의 실험에서, 전기 공학부 대학원생인 Fleischer와 공동 저자인 Dmitry Dylov는 레이저 빛살을 시력 검사에 사용되는 것과 유사한 숫자와 선이 새겨진 작은 유리 조각을 통해서 보냈다. 빛살은 숫자와 라인의 이미지를 비디오 모니터에 연결된 수신기에 보내며 이것은 패턴을 표시한다. 그런 다음, 연구진은 셀로판테이프와 유사한 투명한 플라스틱 조각을 유리 접시와 수신기 사이에 놓는다. 테이프와 유사한 물질은 그것이 수신기에 도착하기 전에 레이저 빛을 산란시켜서 영상 신호를 만들고 숫자와 라인 패턴 노이즈는 연기 또는 안개가 사람의 시야를 방해하는 것과 비슷하게 모니터에서 판독할 수 없게 된다.

연구진은 셀로판(cellophane)과 유사한 반투명의 플라스틱을 유리판과 수신기 사이에 두었다. 이 물질은 레이저빔이 수신기에 도달하기도 전에 레이저를 산란시켰다. 하지만 Fleischer교수 등이 레이저빔의 경로에 다른 물질(strontium barium niobate의 결정)을 두었을 때는 빛의 양상을 바꿔서 신호와 잡음이 서로 상호작용할 수 있었다.


실험에서 중요한 부분은 Fleischer와 Dylov가 또 다른 개체를 레이저 빛살이 지나가는 경로에 놓을 때 나타난다.그들은수신기 바로 앞에, 스트론튬 바륨 니오베이트(SBN) 결정을 장착하였다. SBN은 이상한 방법으로 빛의 행동을 변경하는 능력을 갖춘 “비선형” 물질이다.

이 경우에, 비선형 결정은 그림의 다른 부분과 혼합하여 신호와 소음이 서로 상호작용하도록 한다. SBN 조각에 걸쳐져 있는 전기 전압을 조절함으로써, 연구진은 모니터에 명확한 영상이 나오게 할 수 있었다. SBN은 투명한 플라스틱에 의해서 산란하는 SBN 광선을 모아서 숫자와 라인의 약한 이미지를 명확하게 만드는 에너지로 사용한다.

“우리는 노이즈을 신호로 만드는데 사용한다. 그것은 당신이 어둠 속에서 사람을 찍는 것과 같다. 우리는 그 사람을 좀 더 밝게 만들고 배경은 좀 더 어둡게 만들어서 그 사람을 좀 더 자세히 볼 수 있게 한다. 대비는 사람을 두드러지게 만든다.”라고 Dylov가 말했다. “확률적 공명(stochastic resonance)”이라고 알려진 이 기술은 적절한 양의 노이즈에만 작동하며 너무 많은 노이즈은 신호를 압도해 버린다. 이 기술은 신경 과학에서 에너지 수확에 이르는 다양한 분야에서 관찰됐으나 이미지 처리 분야에서는 응용된 적은 없다. 그들의 결과를 토대로, Fleischer와 Dylov는 어떻게 노이즈를 가진 신호가 비선형 물질을 통과하여 움직이는지에 관한 새로운 이론을 개발했으며 이는 통계 물리학과 정보 이론 및 광학 분야를 결합시킨 것이다.

그들의 이론은 광범위한 기술 분야에서 적용될 수 있는 비선형 통신에 관한 일반적인 기초를 제공했다. 연구진은 그들이 생성한 영상의 선명도를 향상시키기 위하여 다른 신호 처리 기술을 통합할 계획이며 그들이 개발한 개념을 빛 대신에 소리와 초음파를 사용하는 생체 의학 이미지 처리 장비에 적용할 생각이다.


[발표문헌] Dylov et al. Nonlinear self-filtering of noisy images via dynamical stochastic resonance. Nature Photonics, 2010; DOI: 10.1038/nphoton.2010.31

비선형물질의 수정에 전기를 걸어줌으로서 연구진은 소리속에 감춰졌던 선 및 숫자들을 볼 수 있었다.(왼쪽 위)

이들이 시스템을 튜닝함에 따라 (왼쪽에서 오른쪽으로 위에서 아래로) 이 이미지는 소리로부터 에너지를 가져온다.

일단 나타났다가 최적화된 전압을 지나면서 사라져가는 것이다.



URL: http://www.sciencedaily.com/releases/2010/04/100402110133.htm

http://www.physorg.com/news189353482.html

<출처>NDSL, 2010-04-03

Posted by TopARA

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