Imagen: Barmak Heshmat. Fuente: MIT News.
Investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology, Boston, EE.UU.) y del Instituto Tecnológico de Georgia (Atlanta) están diseñando un sistema de imágenes que puede leer libros cerrados.
En el último número de Nature Communications, los investigadores describen un prototipo del sistema, que pusieron a prueba con una pila de papeles, cada uno con una letra impresa. El sistema fue capaz de identificar correctamente las letras de las nueve hojas superiores.
"El Museo Metropolitano de Nueva York ha mostrado mucho interés, porque quieren, por ejemplo, mirar algunos libros antiguos que no quieren ni tocar", dice Barmak Heshmat, científico del MIT Media Lab y autor correspondiente del nuevo artículo, en MIT News. Además, el sistema podría utilizarse para analizar cualquier material organizado en capas delgadas, como revestimientos sobre piezas de maquinaria o productos farmacéuticos.
Los investigadores del MIT desarrollaron los algoritmos que captan imágenes de hojas individuales en pilas de papel, y los de Georgia Tech desarrollaron el algoritmo que interpreta las imágenes a menudo distorsionadas o incompletas y las traduce a letras individuales. "En realidad da un poco de miedo", dice Heshmat del algoritmo que interpreta letras. "Una gran cantidad de sitios web tienen letras para certificar que no eres un robot [captchas], y este algoritmo puede superar una gran cantidad de estas pruebas."
Terahercios
El sistema utiliza radiación de terahercios, la banda de radiación electromagnética entre las microondas y la luz infrarroja, que tiene varias ventajas sobre otros tipos de ondas que pueden penetrar superficies, tales como los rayos X o las ondas de sonido. La radiación de terahercios ha sido ampliamente investigada para su uso en controles de seguridad, ya que los diferentes productos químicos absorben diferentes frecuencias de la radiación de terahercios en diferentes grados, produciendo cada una una huella distintiva. De la misma manera, los perfiles de frecuencia de terahercios pueden distinguir entre la tinta y el papel en blanco, algo que los rayos X no pueden hacer.
La radiación de terahercios también puede emitirse en ráfagas tan cortas que la distancia que recorren se puede medir por la diferencia entre su tiempo de emisión y la hora a la que refleja su retorno un sensor. Eso le da mucho mejor resolución de profundidad que la de las ecografías.
El sistema explota el hecho de que entre las páginas de un libro hay atrapadas diminutas bolsas de aire de sólo unos 20 micrómetros de profundidad. La diferencia en el índice de refracción -el grado en que doblan la luz- entre el aire y el papel significa que la frontera entre los dos hará que se refleje la radiación de terahercios de nuevo a un detector.
En la configuración de los investigadores, una cámara de terahercios estándar emite ráfagas ultracortas de radiación, y el sensor incorporado en la cámara detecta sus reflexiones. A partir de la hora de llegada de las reflexiones, el algoritmo de MIT puede medir la distancia a las diferentes páginas del libro.
En el último número de Nature Communications, los investigadores describen un prototipo del sistema, que pusieron a prueba con una pila de papeles, cada uno con una letra impresa. El sistema fue capaz de identificar correctamente las letras de las nueve hojas superiores.
"El Museo Metropolitano de Nueva York ha mostrado mucho interés, porque quieren, por ejemplo, mirar algunos libros antiguos que no quieren ni tocar", dice Barmak Heshmat, científico del MIT Media Lab y autor correspondiente del nuevo artículo, en MIT News. Además, el sistema podría utilizarse para analizar cualquier material organizado en capas delgadas, como revestimientos sobre piezas de maquinaria o productos farmacéuticos.
Los investigadores del MIT desarrollaron los algoritmos que captan imágenes de hojas individuales en pilas de papel, y los de Georgia Tech desarrollaron el algoritmo que interpreta las imágenes a menudo distorsionadas o incompletas y las traduce a letras individuales. "En realidad da un poco de miedo", dice Heshmat del algoritmo que interpreta letras. "Una gran cantidad de sitios web tienen letras para certificar que no eres un robot [captchas], y este algoritmo puede superar una gran cantidad de estas pruebas."
Terahercios
El sistema utiliza radiación de terahercios, la banda de radiación electromagnética entre las microondas y la luz infrarroja, que tiene varias ventajas sobre otros tipos de ondas que pueden penetrar superficies, tales como los rayos X o las ondas de sonido. La radiación de terahercios ha sido ampliamente investigada para su uso en controles de seguridad, ya que los diferentes productos químicos absorben diferentes frecuencias de la radiación de terahercios en diferentes grados, produciendo cada una una huella distintiva. De la misma manera, los perfiles de frecuencia de terahercios pueden distinguir entre la tinta y el papel en blanco, algo que los rayos X no pueden hacer.
La radiación de terahercios también puede emitirse en ráfagas tan cortas que la distancia que recorren se puede medir por la diferencia entre su tiempo de emisión y la hora a la que refleja su retorno un sensor. Eso le da mucho mejor resolución de profundidad que la de las ecografías.
El sistema explota el hecho de que entre las páginas de un libro hay atrapadas diminutas bolsas de aire de sólo unos 20 micrómetros de profundidad. La diferencia en el índice de refracción -el grado en que doblan la luz- entre el aire y el papel significa que la frontera entre los dos hará que se refleje la radiación de terahercios de nuevo a un detector.
En la configuración de los investigadores, una cámara de terahercios estándar emite ráfagas ultracortas de radiación, y el sensor incorporado en la cámara detecta sus reflexiones. A partir de la hora de llegada de las reflexiones, el algoritmo de MIT puede medir la distancia a las diferentes páginas del libro.
El 'ruido'
Aunque la mayor parte de la radiación es o bien absorbida o bien reflejada por el libro, parte de lla rebota entre las páginas antes de regresar al sensor, produciendo una señal espuria. La electrónica del sensor también producen un zumbido de fondo. Una de las tareas del algoritmo de los investigadores de MIT es filtrar todo este "ruido".
La información sobre la distancia de las páginas ayuda: Permite que el algoritmo filtre sólo las señales de terahercios cuyos tiempos de llegada sugieren que son verdaderos reflejos. A continuación, se basa en dos medidas diferentes de la energía de las reflexiones y en hipótesis acerca tanto de los perfiles de energía de las reflexiones verdaderas como de las estadísticas de ruido para extraer información sobre las propiedades químicas de las superficies reflectantes.
Por el momento, el algoritmo puede deducir correctamente la distancia desde la cámara hasta los 20 páginas superiores de una pila, pero más allá de una profundidad de nueve páginas, la energía de la señal reflejada es tan baja que las diferencias entre las firmas de frecuencia están llenas de ruido.
La tecnología de imágenes por terahercios es aún relativamente joven, sin embargo, y los investigadores están trabajando constantemente para mejorar tanto la precisión de los detectores como la potencia de las fuentes de radiación, para permitir una penetración más profunda.
Aunque la mayor parte de la radiación es o bien absorbida o bien reflejada por el libro, parte de lla rebota entre las páginas antes de regresar al sensor, produciendo una señal espuria. La electrónica del sensor también producen un zumbido de fondo. Una de las tareas del algoritmo de los investigadores de MIT es filtrar todo este "ruido".
La información sobre la distancia de las páginas ayuda: Permite que el algoritmo filtre sólo las señales de terahercios cuyos tiempos de llegada sugieren que son verdaderos reflejos. A continuación, se basa en dos medidas diferentes de la energía de las reflexiones y en hipótesis acerca tanto de los perfiles de energía de las reflexiones verdaderas como de las estadísticas de ruido para extraer información sobre las propiedades químicas de las superficies reflectantes.
Por el momento, el algoritmo puede deducir correctamente la distancia desde la cámara hasta los 20 páginas superiores de una pila, pero más allá de una profundidad de nueve páginas, la energía de la señal reflejada es tan baja que las diferencias entre las firmas de frecuencia están llenas de ruido.
La tecnología de imágenes por terahercios es aún relativamente joven, sin embargo, y los investigadores están trabajando constantemente para mejorar tanto la precisión de los detectores como la potencia de las fuentes de radiación, para permitir una penetración más profunda.
Referencia bibliográfica:
Albert Redo-Sanchez, Barmak Heshmat, Alireza Aghasi, Salman Naqvi, Mingjie Zhang, Justin Romberg y Ramesh Raskar: Terahertz time-gated spectral imaging for content extraction through layered structures. Nature Communications (2016). DOI:10.1038/ncomms12665.
Albert Redo-Sanchez, Barmak Heshmat, Alireza Aghasi, Salman Naqvi, Mingjie Zhang, Justin Romberg y Ramesh Raskar: Terahertz time-gated spectral imaging for content extraction through layered structures. Nature Communications (2016). DOI:10.1038/ncomms12665.