Международной команде ученых из Венского технического университета, Университета Глазго и Университета Гренобля удалось не только теоретически определить абсолютную границу точности, достижимой с помощью оптических методов, но и с помощью искусственного интеллекта приблизиться к этой границе практически вплотную.
Отправной точкой исследования стало фундаментальное физическое ограничение: любое световое изображение несет в себе конечное количество информации о положении объекта, особенно если свет проходит через мутную среду. «Представьте себе, что вы смотрите на маленький объект через неровное матовое стекло», — говорит профессор Института теоретической физики Технического университета Вены Стефан Роттер. «То, что вы видите — это не сам объект, а хаотичный световой узор, состоящий из пятен и бликов. Возникает вопрос: насколько точно можно определить расположение объекта по такому искаженному изображению? Где находится абсолютный предел этой точности?»
Ответ на этот вопрос дает так называемая информация Фишера — математическая величина, которая описывает, сколько информации содержит сигнал о неком неизвестном параметре, например, о положении объекта в пространстве. Чем ниже значение этой величины, тем менее точной может быть оценка, независимо от методов анализа. Именно через этот подход команда рассчитала теоретическую верхнюю границу точности.
Чтобы проверить теоретические выкладки на практике, ученые из Глазго и Гренобля разработали эксперимент: лазерный луч направлялся на маленький отражающий объект, который находится за слоем мутной жидкости. Камера фиксирует полученные искаженные световые узоры. Эти хаотичные изображения практически не содержат различимых человеческим глазом визуальных подсказок. Однако если показать нейросети множество таких картинок вместе с точной информацией о положении объекта на каждом из них, сеть начинает распознавать скрытые закономерности между узорами и координатами.
После обучения нейросеть смогла с поразительной точностью определять положение объекта на новых, ранее не виденных изображениях. И что особенно важно — эта точность оказалась лишь незначительно ниже теоретически возможного предела, рассчитанного на основе информации Фишера. По словам профессора Роттера, это означает, что разработанный ИИ-алгоритм работает почти на физическом пределе разрешающей способности, установленном законами природы.
Такой результат имеет огромное значение: использование интеллектуальных алгоритмов способно радикально улучшить точность оптических измерений во множестве прикладных областей — от медицинской диагностики, где требуется визуализировать внутренние органы и ткани, до исследований в области квантовых технологий. В дальнейшем команда планирует сотрудничество с учеными-практиками в сферах медицины и прикладной физики, чтобы адаптировать свои методы к реальным задачам этих наук. Так искусственный интеллект открывает уникальную возможность преодоления оптического «шума» и позволяет человеку видеть мир с четкостью, которая ранее считалась невозможной.
Тем временем ученые разработали новую технологию, которая позволяет ИИ лучше распознавать выражения человеческого лица.
