La técnica de la imagen fantasma se ha convertido en uno de los avances de la óptica más extraordinarios de los últimos años. Permite producir imágenes de alta resolución mediante cámaras de un solo píxel y luz que no interactúa con el objeto en cuestión.

La técnica se basa en algoritmos inteligentes que procesan los datos, en apariencia aleatorios, que un solo píxel es capaz de reunir. Así que resulta fácil suponer que la técnica tiene poca relevancia para la percepción humana, ya que el sistema visual humano no debería ser capaz de procesar este tipo de datos.

Pero la realidad no es así. El investigador de la Universidad Heriot-Watt en Edimburgo (Escocia) Alessandro Boccolini y un par de compañeros acaban de demostrar que los humanos sí pueden ver imágenes fantasmas. Gracias a este hallazgo, el equipo detalla cómo usar esta técnica para analizar y aprovechar el sistema visual humano de formas completamente nuevas.

Las imágenes fantasmas se producen al proyectar un patrón de luz aleatorio sobre un objeto y registrar la luz que este refleja mediante un solo píxel. Si este proceso se repite con diferentes patrones de luz aleatorios, se produce una secuencia de puntos de datos que indica cómo varía la intensidad de la luz a lo largo del tiempo.

Resulta fácil pensar que estos puntos de datos también varían al azar. Pero la realidad es que están correlacionados, porque la luz se refleja sobre el mismo objeto. Así que, si los datos se analizan de forma correcta, es posible identificar la correlación y por tanto, la imagen del objeto.

Esta imagen, es decir, la imagen fantasma, se reconstruye al integrar la luz reflejada por una larga secuencia de patrones aleatorios iluminados. Curiosamente, la imagen resultante se forma a partir de luz que nunca ha interactuado con el objeto original.

Lo que Boccolini y sus colegas intentan averiguar es si el sistema visual humano puede llevar a cabo este proceso de integración. Su idea es proyectar una rápida sucesión de los patrones en una pantalla para analizar si el sistema visual del observador es capaz de combinarlos para que su cerebro genere una imagen fantasma de un objeto que nunca ha visto.

Este es el mismo efecto que nos permite percibir una secuencia de imágenes fijas como si estuvieran en movimiento continuo. Pero eso no garantiza que el sistema visual pueda integrar los patrones aleatorios, cada uno de los cuales representa una disposición aleatoria de píxeles en blanco y negro llamada patrón Hadamard.

Gráfico: Esquema de funcionamiento del experimento. El LED 1 genera patrones aleatorios para irradiar el objeto, el cual refleja la luz, que es captada por un detector de un único píxel, que envía el patrón resultante al LED 2 para que se muestre en la pantalla que observa el sujeto humano. A velocidad suficiente, el cerebro es capaz de integrar los patrones para 'ver' el objeto en cuestión.

Para descubrirlo hay que probar el experimento con voluntarios. Boccolini y sus compañeros pidieron a cuatro personas que miraran los patrones proyectados sobre una pantalla. Estos conejillos de Indias tenían la opción de cambiar la velocidad a la que aparecían los patrones para analizar qué efecto tiene la velocidad en su experiencia.

Los resultados son fascinantes. Boccolini y sus compañeros afirman que cuando los patrones aparecen a un ritmo relativamente lento, el ojo humano solo ve un conjunto de píxeles cuadrados. Pero cuando la velocidad supera un cierto umbral, de repente, aparece la imagen del objeto.

El umbral es una propiedad claramente importante para la visión humana. La configuración del experimento es capaz de proyectar patrones a una velocidad de 20 kilohercios; eso permite mostrar 200 patrones de Hadamard cada 20 milisegundos (ms).

Boccolini y colegas afirman que los cuatro voluntarios fueron capaces de ver el objeto a este ritmo. Así que esto significa que el sistema visual humano dispone de un proceso específico para integrar una secuencia de patrones. Pero la imagen observada se degrada rápidamente cuando la velocidad cae por debajo de 200 patrones por 20 milisegundos.

El experimento revela un fenómeno visual completamente nuevo y ofrece una nueva herramienta para estudiar el sistema visual. La investigación detalla: "Usamos esta técnica de imágenes de fantasma para evaluar la respuesta temporal del ojo y establecer el tiempo de persistencia de la imagen en alrededor de 20 ms, seguido de una decadencia exponencial de 20 ms".

El hecho de que el ojo nunca interactúa con la luz que irradia el objeto abre algunas posibilidades fascinantes, sobre todo la de iluminar el objeto con una longitud de onda y percibirlo en otra. De hecho, la longitud de onda que ilumina el objeto no necesita pertenecer al espectro visible del ojo humano.

"La posibilidad de ver una imagen fantasma abre una serie de aplicaciones completamente nuevas, como la de ampliar el espectro de la visión humana en regímenes de longitud de onda invisibles en tiempo real", comentan Boccolini y sus colegas. El proceso no requiere una pantalla de visualización adicional ni pasos computacionales, ya que el sistema visual humano hace casi todo el trabajo.

Pero Boccolini y su equipo están más interesados ​​en cómo esta nueva herramienta puede ayudarles a estudiar en profundidad el sistema visual humano. Una de las cosas que quieren saber es si el sistema visual es capaz de realizar aún más cálculos. El equipo espera estudiarlo transmitiendo diferentes patrones a cada ojo y en diferentes partes de la retina para ver si el sistema visual sigue siendo capaz de integrar los datos para producir una imagen.

Será un trabajo interesante que esperamos poder ver.

Ref: arxiv.org/abs/1808.05137 : Ghost Imaging With The Human Eye