不可见成为可见!超材料和AI融合洛桑联邦理工「破译」了声音图像

声音在空气中作了一幅我们看不见的画,人们需要用一些手段将其显现出来。

听上去有点玄幻,能做到吗?

利用一个物体的成像,人们能够对它传播或辐射的光波、声波进行一个所谓的远场(far-field)分析,以此来描绘物体本身。

如 c 部分所示,小组将麦克风阵列采集到的远场幅值和相位输入到神经网络中。

小组使用了两种不同类型的神经网络,一是 U -net 型卷积神经网络,用于图像重建;二是多层并行 CNN,用于图像分类。

中北大学是一所由山西省人民政府与国家国防科技工业局共建、山西省人民政府管理的多科性教学研究型大学。学校的前身是1941年八路军总司令部在太行抗日根据地创办的我党我军第一所兵工学校——太行工业学校,被誉为“人民兵工第一校”。学校位于中国历史文化名城——山西省太原市,并在朔州市设有校区。

据中北大学网站消息,8月28日,学校召开干部大会,会上宣读了干部任免决定:沈兴全同志任中北大学党委书记,免去李忠人同志中北大学党委书记、常委、委员职务;熊继军同志任中北大学校长,免去沈兴全同志中北大学校长职务。

据了解,研究小组创建了一个包含 600 个培训样本和 200 个测试样本的新数据集,其中包含四个字母 E、 F、L 和 P,然后在这个新的、较小的数据集上重新训练 U -net 型卷积神经网络,要求神经网络对数据集中的未知字母进行分类和重构。

分辨率和分类精度的显著提升

【用于亚波长图像重建和识别的实验装置】

“共筑”跨境物流通道。昆明片区空港航点覆盖面广,红河片区、德宏片区跨境陆路水路通道畅通,“水陆空立体化”的物流条件,为区域跨境物流产业合作,建设面向南亚东南亚国际大通道带来了机遇。

近日,瑞士洛桑联邦理工学院波工程实验室(Laboratory of Wave Engineering,EPFL)的一个小组利用超材料结合深度学习技术的创新思路实现了这个过程。

“共建”联席工作机制。以区域合作、优势互补、互利共赢为出发点,重点围绕联席会议、制度创新、产业规划、招商引资、日常信息等,共同建立区域协作联席工作制度,并在各片区管委会设立区域联络办公室,做好制度设计,定期视频会商,打破空间、时间限制,实现政务互通、资源共享、信息对称,形成“拧成一股绳”的工作合力。

会议指出,支持中北大学创建“双一流”大学,是推进我省高校“三个调整优化”的重要举措。要深入实施创新驱动、科教兴省、人才强省战略,强化服务指导,加大投入保障,形成工作合力,推动中北大学聚焦“六新”、瞄准前沿、勇攀高峰,在全省一流创新生态建设中发挥科研支撑作用。中北大学要进一步深化改革创新,健全办学治教体系,抓住用好机遇,乘势而上推进“双一流”大学创建。

在初步证明了神经网络能够从远场中记录的幅度相位分布恢复初始的亚波长图像之后,该小组又有了一个新目标:证实该网络在新数据库中快速重新学习的能力。

为实现这一目的,较为关键的一个因素是成像的分辨率。分辨率受限于波长,波越短,分辨率越高。

而在加入 ñ=29 有损谐振器的情况下,远场分类精度从 57.5% 提高到 74%,不过图像重建仍然质量较低(下图第一行)。

论文合著者之一 Romain Fleury 强调了这一方法的独特性:

山西省副省长、省委教育工作领导小组副组长吴伟强调,中北大学有希望冲击“双一流”大学,前景光明,大有可为。要着力靠构建一流创新生态,吸引一流人才干事创业,持续完善政产学研用一体化科技创新体系,加快建设中国科学院大学太原能源材料学院,深化校际、校地、校企合作,主动对接一流高校和重点企业,打造科研创新延伸平台,大力推动科研体制机制创新。要深入实施“1331工程”,进一步发挥仪器和兵器科学学科优势,打造一流平台、一流学科。要创新实施引才、柔性引才相结合的引才机制,完善和优化人才激励机制和评价机制,加快双一流建设。

研究小组在论文中表示:

也就是说,正是因为衍射极限,物体的成像质量会受影响。因此,远场观察、识别那些尺寸比光波长小得多的物体,这项任务具有挑战性。

侵入性标记方法:需要复杂、昂贵的光学设备,图像后处理过程繁琐; 谐振超材料透镜方法:虽然无需标记、成像分辨率也高,但谐振金属材料对吸收损耗敏感,这在很大程度上阻碍了其实际应用。

虽然科学家们此前已经设计出了几种方法来克服这种限制,但这些方法还存在一些问题,比如:

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实际上研究小组还认为,这一方法能在声学图像分析、特征检测、对象分类中进行应用,或是在生物医学应用中作为一种新型无标记声学传感工具。正如论文合著者之一 Romain Fleury 所说:

“共进”招商引资项目。进一步发挥资源优势,探索建立招商引资跨区域合作平台,组建“云南自贸试验区招商联盟”,共同制定招商计划,共同举办招商推介,共同外出考察招商,并对意向入区企业,根据各片区产业布局的互补性和差异性,相互推介引荐,努力实现差异化与精准化招商。

在加入 ñ=302 有损谐振器的情况下,不仅整体分类精度提高到了 84%,而且亚波长图像的重建也非常准确,分辨率提高到了 30 倍(下图第二行)。

中北大学校长熊继军与清华大学科研院院长方红卫代表双方签署科技合作协议。根据协议,双方将进一步深化合作,充分利用山西省支持中北大学推进“双一流”建设的良好机遇和政策,充分发挥清华大学的科技和教育优势,通过在学科建设、科学研究、学术交流等方面开展相应合作,支持、推动我校加快“双一流”学科建设,争取早日建成为区域特色鲜明的高水平教学研究型大学,为引领山西高等教育发展、服务山西转型发展提供有力支持。

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对于任何一项科学研究而言,发现问题之后,就要提出研究课题,尝试给出解决方案了。

机器学习在不断进步,不同领域的科学家们开始尝试通过深度学习进行研究,如工程、生物、医学、量子物理等。近年来,深度学习成功的例子包括医学图像分析、语音识别、图像分类、逆成像问题以及各种复杂的分析问题。

实际上,由具有非线性模块的多个处理层组成的深度神经网络,能够通过自调整每一层的内部参数,发现、学习隐藏在复杂数据中的结构,无需人工干预。

目前梅西转会陷入僵局,西班牙媒体之前的报道指出,巴托梅乌现在不愿意和梅西见面,也不愿意进行相关的转会谈判。

在医学成像领域,使用长波来观察非常小的物体将会是一个重大突破。长波意味着医生可以使用更低的频率,即便面对着致密的骨组织,也能获取到有效的声学成像。

该小组的这一尝试要从物理学中的「衍射极限」(Diffraction limit)说起。

消息提到,在与北京大学深化合作座谈会上,楼阳生指出,要重视支持高等教育事业发展,发挥好高校在我省转型发展中的重要作用,重点建设山西大学、太原理工大学和中北大学三所学校;在与清华大学深化合作座谈会上,楼阳生特别提到,中北大学是我党我军第一所兵工院校,具有较大的发展潜力,希望清华大学给予帮助支持。楼阳生对我校此次与两大名校开展合作、加快实现高质量发展、进入“双一流”建设高校行列寄予了很高的期望。

通过使用长度大约为一米的声波,生成分辨率仅为几厘米的图像,我们远远超过了衍射极限。与此同时,超材料吸收信号曾被认为是一个很大的缺点,但事实证明,与神经网络相结合时,它成了一种优势。

中北大学党委书记沈兴全参加了与北京大学合作签约仪式。中北大学副校长、半导体学院院长刘俊与北京大学软件与微电子学院院长吴中海代表双方签署合作协议。根据协议,双方将充分利用山西省聚力打造半导体产业集群行动计划和支持中北大学推进“双一流”建设的良好政策机遇,发挥各自优势和特色,在学科建设与人才培养、重点实验室建设与联合科研及科教融合、军民结合与成果转化等方面开展深入合作。

此前,中北大学官网曾于10月23日消息:10月19日—20日,山西省委书记、省人大常委会主任楼阳生率领山西省党政代表团前往北京,与科技部举行省部工作会商,赴中国科学院、北京大学、清华大学学习考察,签署战略合作协议,共商深化合作、共促转型发展。我校党委书记沈兴全、校长熊继军、副校长刘俊参加考察并与清华大学、北京大学软件与微电子学院签署相关合作协议。

上述官方消息证实,有望冲击双一流大学的中北大学此番获得了北大、清华两大世界一流大学的有力加持。

值得一提的是,据微信公号“山西广播电视台”消息,沈兴全和熊继军分别是中北大学88级和89级的校友,且都有中北大学仪器科学与技术学科的教育背景。同门的师兄弟在冲击“双一流”的关键时期共同执掌中北大学,为明年中北大学仪器科学与技术学科冲击“双一流”注入动力。

类似数字“5”的形状是一个亚波长声源。

澎湃新闻注意到,沈兴全曾任中北大学副校长、太原理工大学党委副书记等职,2018年3月任中北大学党委副书记、校长。熊继军曾任中北大学电子与计算机科学技术学院院长、中北大学副校长,2017年6月至2020年8月任吕梁学院院长。

超材料与深度学习的结合

在“行走自贸区”网络主题活动云南自贸区云座谈会上,相关负责人表示,云南省委省政府高度重视片区协同发展,要求昆明、红河、德宏三个片区既要共同承担起国家赋予自贸试验区在规则体系、制度创新上先行先试的任务,又要在加强片区协调联动方面形成更大合力,形成既良性竞争、又协同发展的局面,并进一步优化全省国家级新区、开发开放试验区、经济技术开发区、边(跨)境经济合作区,以及综合保税区等各类开放合作平台的功能布局,努力形成做强滇中、搞活沿边、多点支撑、联动廊带的全省区域协调发展新格局。

“共推”跨境产能合作。红河、德宏片区在跨境电商、跨境物流和跨境金融等产业中,地缘优势明显、产业基础扎实、境外需求较旺。通过联盟,昆明片区将鼓励农业农产、装备制造、贸易物流等产业主体设立区域分支机构,向越南、缅甸和老挝转移劳动密集型产业,加大针对越南、缅甸市场的研发制造,并将部分中高端产品线落户红河片区、德宏片区,共同推动区域跨境产能转型升级,促进生产要素跨区域流动。

衍射是一个我们日常生活中都遇到过的物理现象——波遇到障碍物时会偏离原本的直线传播。而在此基础上的衍射极限则是指,受到衍射现象的限制,一个物点经光学系统成像,并不能得到理想像点。

据悉,三个片区通过联盟积极探索建设覆盖区域物流信息共享平台,构建发布物流需求、交通运力和货运价格等信息的物流管理系统,消除物流链“堵点”,加速货邮流通,减轻企业成本,做到“眼光朝外、服务国内”。

“共享”制度创新成果。三个片区的试验任务部分需要协同推进,主要涉及互联网+政务服务、平行进口等。以昆明片区为“中枢”,与红河片区、德宏片区建立制度创新联席会议制度,定期通告改革进展、研究存在问题、制定具体对策,并建立成果分享机制,减少“走弯路、重复做”,共同探索形成一批具有代表性、体现云南“沿边”与“跨境”特色的改革创新经验。同时,探索“智慧政务”系统平台数据共享,拓展至片区间的政务服务系统、网络及数据的互联互通,实现云南自贸试验区内“一张网”跨区域审批。

今年8月下旬,中北大学刚刚调整了领导层。

如上图所示,经过重新学习的网络实现了 ≥0.94 的图像保真度(这里指输入字母和重构字母之间的差异),说明这种方法具有高度适应性,在学习新数据类型时可以更加高效,不受输入数据多样性的限制。

如 b 部分所示,随机插入了一簇亚波长亥姆霍兹谐振器之后,关于亚波长细节的信息辐射到了远场中。

研究小组在亚波长输入图像(subwavelength input images)附近放置金属,并训练神经网络直接对图像进行重构和分类。其中,金属的吸收损失是有效学习的关键。

区域协同联动发展是自贸试验区的重要内涵之一。经济日报-中国经济网记者在会上了解到,昆明片区资源集聚、基础扎实、体量较大,红河片区面向越南、通道齐备、政策创新,德宏片区融通缅甸、“七区合一”、外向度高,三个片区各有特点、资源互补、优势叠加,重点在工作机制、制度创新、产能合作、招商引资、跨境物流等五个方面,加强区域联动、合作共建,共同推动云南自贸试验区高质量跨越式发展。

受此启发,波工程实验室研究小组的思路是:将超材料与深度学习技术结合,把衍射极限由劣势变成优势,为无标记成像技术的新应用开辟一条新路。

雷锋网了解到,超材料即 Metamaterial,是指一类自然界中不存在的、人工制造的非活体复合材料或结构。在这一研究中,小组采用的是有损耗(小组特地进行的设计)的谐振金属。

如 a 部分所示,放置在远场中的麦克风阵列捕获的信号不包含关于声源的亚波长细节的任何信息,换句话说,不管使用什么信号处理策略,都不可能实现成像。

实验结果表明,在没有金属元素的情况下, U -net 型卷积神经网络难以重建图像;而多层并行 CNN 的分类性能相对较高,近场和远场分别为 67.5% 和 57.5%。

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