Engenheiros transformam ruido em visão

Ajustando uma tensão elétrica sobre o cristal de niobato de estrôncio e bário, os pesquisadores conseguiram de "sintonizar" uma imagem nítida no monitor.[Imagem: Jason Fleischer/Dmitry Dylov]

Uma nova técnica capaz de criar imagens nítidas de objetos escondidos poderá um dia permitir que os pilotos enxerguem além da neblina e os médicos vejam mais precisamente o interior do corpo humano sem a necessidade de uma cirurgia.
Desenvolvido por engenheiros da Universidade de Princeton, nos Estados Unidos, o método baseia-se na surpreendente possibilidade de aumentar a nitidez de uma imagem usando os mesmos raios de luz que normalmente borram a imagem, fazendo-a ficar irreconhecível.

Interação entre ruído e sinal
"Normalmente, o ruído é considerado uma coisa ruim," afirma Jason Fleischer, um dos criadores da nova técnica. "Mas às vezes o ruído e o sinal podem interagir, e a energia do ruído pode ser usada para amplificar o sinal. Para sinais fracos, como imagens distantes ou muito escuras, na verdade a adição de ruído pode melhorar a sua qualidade."
Para demonstrar isto, os pesquisadores restauraram uma imagem obscurecida em um padrão claro de números e linhas. O processo equivale a melhorar a recepção de TV usando a parte do sinal de transmissão que dá o chiado ou a interferência às imagens.
A capacidade de amplificar sinais dessa forma pode ser utilizada para melhorar uma ampla gama de tecnologias baseadas na transmissão de sinais, incluindo os ultrassons que os médicos utilizam para ver imagens dos bebês ainda no útero e os sistemas de radar que os pilotos usam para navegar através das tempestades.
A técnica também abre caminho para tecnologias como óculos de visão noturna, inspeção de estruturas submarinas, como oleodutos ou pilares de pontes, e até na esteganografia, a prática de mascarar sinais para fins de segurança.



Ruído nas imagens
Em seu experimento, Fleischer e seu colega Dmitry Dylov primeiro disparam um feixe de laser através de um pequeno pedaço de vidro gravado com números e linhas, semelhantes aos cartões utilizados pelos oftalmologistas.
O laser "imprimiu" a imagem dos números e das linhas em um receptor conectado a um monitor de vídeo, que exibiu claramente o padrão.
A seguir, eles colocaram um pedaço de plástico translúcido entre o vidro e o receptor.
O plástico dispersou a luz do laser antes que ela chegasse ao receptor, tornando o sinal visual tão cheio de ruído que os números e as linhas do padrão tornaram-se irreconhecíveis no monitor, de maneira parecida com o que acontece quando a fumaça ou a neblina obstruem a visão de uma pessoa.

Substância não-linear
A parte essencial da experiência veio quando Fleischer e Dylov colocaram outro objeto no caminho do feixe de laser.
Exatamente na frente do receptor, eles montaram um cristal de niobato de estrôncio e bário (SBN), um material que pertence a uma classe de substâncias conhecidas como "não-lineares" por sua capacidade de alterar o comportamento da luz de forma estranha - neste caso, o cristal não-linear mistura diferentes partes da imagem, permitindo que o sinal e o ruído interajam.
Ajustando uma tensão elétrica sobre o cristal de SBN, os pesquisadores conseguiram de "sintonizar" uma imagem nítida no monitor.
O SBN reuniu os raios que tinham sido espalhados pelo plástico translúcido e usou sua energia para aumentar a nitidez da tênue imagem de linhas e números.
"Nós usamos o ruído para alimentar os sinais," afirma Dylov. "É como se você tirasse uma foto de uma pessoa no escuro, e nós aumentamos o brilho da pessoa e tornamos o fundo mais escuro para que você possa vê-la. O contraste faz com que a pessoa se destaque."

Ressonância estocástica
A técnica, conhecida como "ressonância estocástica", só funciona com uma quantidade determinada de ruído, já que o excesso pode sobrecarregar o sinal.
Com base nos resultados de sua experiência, Fleischer e Dylov desenvolveram uma nova teoria sobre como os sinais cheios de ruido movem-se através de materiais não-lineares, combinando conceitos das áreas de física estatística, teoria da informação e óptica.
Agora eles planejam incorporar sua técnica de processamento de sinais para melhorar a clareza das imagens no campo do imageamento médico, incluindo os exames que usam o som e o ultrassom em vez da luz.

Bibliografia:
Nonlinear self-filtering of noisy images via dynamical stochastic resonance
Dmitry V. Dylov, Jason W. Fleischer
Nature Photonics
March 2010
Vol.: Advance online publication
DOI: 10.1038/nphoton.2010.31