Algorytm AI usuwa rozmycie wszechświata

Wszechświat wyglądałby dużo lepiej, gdyby ziemska atmosfera nie bombardowała go obrazami przez cały czas.

Nawet obrazy uzyskane przez najlepsze na świecie teleskopy naziemne są zamglone z powodu przesuwających się kieszeni powietrza w atmosferze. Chociaż to rozmycie wydaje się nieszkodliwe, przesłania kształty obiektów na obrazach astronomicznych, czasami powodując błędne pomiary fizyczne, które są niezbędne do zrozumienia natury naszego wszechświata.

Teraz naukowcy z Northwestern University i Tsinghua University w Pekinie ujawnili nową strategię rozwiązania tego problemu. Zespół zaadaptował dobrze znany algorytm wizji komputerowej używany do wyostrzania obrazów i po raz pierwszy zastosował go do obrazów astronomicznych z teleskopów naziemnych. Naukowcy przeszkolili również algorytm sztucznej inteligencji (AI) na symulowanych danych, aby dopasować parametry obrazowania Obserwatorium Vera C. Rubin, więc kiedy obserwatorium zostanie otwarte w przyszłym roku, instrument będzie natychmiast kompatybilny.

Podczas gdy astrofizycy już stosują techniki usuwania rozmycia, zmodyfikowany algorytm oparty na sztucznej inteligencji działa szybciej i tworzy bardziej realistyczne obrazy niż obecne technologie. Uzyskane obrazy są pozbawione rozmyć i bardziej realistyczne. Jest też ładny — chociaż nie do tego służy ta technologia.

„Często celem fotografii jest uzyskanie ładnego, pięknego zdjęcia” – powiedziała Emma Alexander z Northwestern University, naczelna autorka badania. „Ale astrofotografie są wykorzystywane w nauce. Czyszcząc obrazy we właściwy sposób, możemy uzyskać dokładniejsze dane. Algorytm algorytmicznie usuwa atmosferę, umożliwiając fizykom uzyskanie lepszych pomiarów naukowych. lepiej też wyglądać”.

Badanie zostanie opublikowane 30 marca br Miesięczne zawiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.

Alexander jest adiunktem informatyki w McCormick School of Engineering na Northwestern University, gdzie kieruje Life-Inspired BioVision Lab. Współprowadziła nowe badanie z Tianao Li, studentką elektrotechniki na Uniwersytecie Tsinghua i stażystką naukową w laboratorium Alexander.

Kiedy światło jest emitowane z odległych gwiazd, planet i galaktyk, przechodzi przez ziemską atmosferę, zanim trafi w nasze oczy. Nasza atmosfera nie tylko blokuje określone długości fal światła, ale także zniekształca światło docierające do Ziemi. Nawet czyste nocne niebo wciąż zawiera poruszające się powietrze, które wpływa na przechodzenie przez nie światła. To dlatego gwiazdy migoczą i dlatego najlepsze teleskopy naziemne znajdują się na dużych wysokościach, gdzie atmosfera jest najcieńsza.

„To trochę jak patrzenie z dna basenu” – powiedział Alexander. „Woda wypycha i zniekształca światło. Atmosfera jest oczywiście znacznie mniej gęsta, ale to podobna koncepcja”.

Rozmycie staje się problemem, gdy astrofizycy analizują obrazy w celu wydobycia danych kosmicznych. Badając widoczne kształty galaktyk, naukowcy mogą wykryć efekty grawitacyjne wielkoskalowych struktur kosmicznych, które zakrzywiają światło na drodze do naszej planety. Może to spowodować, że galaktyka eliptyczna będzie wyglądać na bardziej okrągłą lub rozciągniętą niż jest w rzeczywistości. Ale rozmycie atmosferyczne zniekształca obraz w sposób, który zniekształca kształt galaktyki. Usunięcie rozmycia umożliwia naukowcom zebranie dokładnych danych o kształcie.

„Niewielkie różnice w kształcie mogą nam powiedzieć o grawitacji we wszechświecie” – powiedział Alexander. „Naprawdę trudno jest wykryć te różnice. Jeśli spojrzysz na obraz z naziemnego teleskopu, kształt może być zniekształcony. Trudno powiedzieć, czy jest to spowodowane efektem grawitacji, czy atmosfery”.

Aby sprostać temu wyzwaniu, Alexander i Lee połączyli algorytm optymalizacyjny z siecią głębokiego uczenia wytrenowaną na obrazach astronomicznych. Wśród obrazów szkoleniowych zespół umieścił symulowane dane, które odpowiadały oczekiwanym parametrom obrazowania Obserwatorium Rubina. Powstałe narzędzie generowało obrazy z błędem o 38,6% niższym w porównaniu z tradycyjnymi metodami usuwania rozmycia io 7,4% mniejszym błędem w porównaniu z nowoczesnymi metodami.

Kiedy Obserwatorium Rubina zostanie oficjalnie otwarte w przyszłym roku, jego teleskopy rozpoczną dziesięcioletni głęboki przegląd ogromnej części nocnego nieba. Ponieważ naukowcy przeszkolili nowe narzędzie na danych specjalnie zaprojektowanych do symulacji nadchodzących obrazów Robina, będzie ono w stanie pomóc w analizie długo oczekiwanych danych ankietowych.

Dla astronomów zainteresowanych korzystaniem z narzędzia hitem jest otwarty, łatwy w użyciu kod i towarzyszące mu samouczki Dostępny online.

„Teraz przekazujemy ten instrument dalej i przekazujemy go w ręce ekspertów w dziedzinie astronomii” – powiedział Alexander. „Uważamy, że może to być cenne źródło informacji dla przeglądów nieba, aby uzyskać jak najbardziej realistyczne dane”.