Super-resolution imaging
سپر ریزولوشن امیجنگ (ایس آر) تکنیکوں کی ایک کلاس ہے جو امیجنگ سسٹم کے ریزولوشن کو بڑھاتی ہے (بڑھاتی ہے)۔ آپٹیکل ایس آر میں نظام کی تفریق کی حد کو عبور کیا جاتا ہے، جبکہ جیومیٹریکل ایس آر میں ڈیجیٹل امیجنگ سینسرز کے ریزولوشن کو بڑھایا جاتا ہے۔ کچھ ریڈار اور سونار امیجنگ ایپلی کیشنز میں (جیسے۔ مقناطیسی گونج امیجنگ (ایم آر آئی)، ہائی ریزولوشن کمپیوٹڈ ٹومگرافی)، سب اسپیس سڑنے پر مبنی طریقے (جیسے۔ موسیقی) اور کمپریسڈ سینسنگ پر مبنی الگورتھم (مثال کے طور پر ایس اے ایم وی) کو معیاری پیریڈوگرام الگورتھم پر ایس آر حاصل کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ سپر ریزولوشن امیجنگ تکنیک کا استعمال عام امیج پروسیسنگ اور سپر ریزولوشن مائکروسکوپی میں کیا جاتا ہے۔ بنیادی تصورات کیونکہ سپر ریزولوشن کے ارد گرد کچھ خیالات بنیادی مسائل کو جنم دیتے ہیں، اس لیے شروع میں متعلقہ جسمانی اور معلومات کے نظریاتی اصولوں کا جائزہ لینے کی ضرورت ہے: تفریق کی حد: کسی جسمانی شے کی تفصیل جسے ایک نظری آلہ کسی تصویر میں دوبارہ پیش کر سکتا ہے اس کی حدود ہوتی ہیں جو طبیعیات کے قوانین کے ذریعے لازمی ہوتی ہیں، چاہے وہ روشنی کے لہر کے نظریہ میں تفریق مساوات کے ذریعے وضع کی گئی ہوں یا کوانٹم میکانکس میں فوٹون کے لیے غیر یقینی اصول کے مساوی ہو۔ معلومات کی منتقلی کو اس حد سے آگے کبھی نہیں بڑھایا جا سکتا، لیکن حدود سے باہر کے پیکٹوں کو چالاکی سے اس کے اندر کچھ کے لیے (یا ملٹی پلیکسڈ) تبدیل کیا جا سکتا ہے۔ کوئی بھی اتنا "بریک" نہیں کرتا جتنا کہ ڈفریکشن کی حد کے ارد گرد "رن" کرتا ہے۔ سالماتی سطح پر برقی مقناطیسی خلل کی تحقیقات کرنے والے نئے طریقہ کار (نام نہاد قریب میدان میں) میکسویل کی مساوات کے ساتھ مکمل طور پر مطابقت رکھتے ہیں۔ مقامی تعدد ڈومین: مقامی تعدد ڈومین میں تفریق کی حد کا ایک مختصر اظہار دیا گیا ہے۔ فورئیر آپٹکس میں روشنی کی تقسیم کا اظہار فریج چوڑائی، تکنیکی طور پر مقامی تعدد کی حد میں گریٹنگ لائٹ پیٹرن کی ایک سیریز کے سپرپوزیشن کے طور پر کیا جاتا ہے۔ عام طور پر یہ سکھایا جاتا ہے کہ ڈفریکشن تھیوری ایک اوپری حد طے کرتی ہے، کٹ آف اسپیشیئل فریکوئنسی، جس کے آگے پیٹرن کے عناصر آپٹیکل امیج میں منتقل ہونے میں ناکام رہتے ہیں، یعنی حل نہیں ہوتے ہیں۔ لیکن درحقیقت جو ڈفریکشن تھیوری کے ذریعے مقرر کیا جاتا ہے وہ پاس بینڈ کی چوڑائی ہے، نہ کہ ایک مقررہ اوپری حد۔ طبیعیات کے کوئی قوانین توڑے نہیں جاتے جب کٹ آف مقامی تعدد سے باہر ایک مقامی تعدد بینڈ کو اس کے اندر ایک کے لیے تبدیل کیا جاتا ہے: یہ طویل عرصے سے ڈارک فیلڈ مائکروسکوپی میں نافذ کیا گیا ہے۔ نہ ہی کئی بینڈوں کو سپر امپوز کرتے وقت، موصول شدہ تصویر میں ان کو جدا کرتے وقت معلومات کے نظریاتی قواعد کو توڑا جاتا ہے، جس میں متعدد نمائشوں کے دوران آبجیکٹ کے غیر متغیر ہونے کے مفروضوں کی ضرورت ہوتی ہے، یعنی ایک قسم کی غیر یقینی صورتحال کو دوسرے کے لیے تبدیل کرنا۔ معلومات: جب سپر ریزولوشن کی اصطلاح معیاری ریزولوشن کی حدود کے اندر تصویر کے شماریاتی علاج سے آبجیکٹ کی تفصیلات کا اندازہ لگانے کی تکنیکوں میں استعمال ہوتی ہے، مثال کے طور پر، متعدد نمائشوں کا اوسط، اس میں ایک قسم کی معلومات کا تبادلہ (شور سے سگنل نکالنا) دوسرے کے لیے شامل ہوتا ہے (یہ مفروضہ کہ ہدف غیر متغیر رہا ہے)۔ حل اور لوکلائزیشن: حقیقی حل میں یہ فرق شامل ہوتا ہے کہ آیا کوئی ہدف ہے، مثال کے طور پر۔ ایک ستارہ یا سپیکٹرم لائن، واحد یا دوہری ہوتی ہے، عام طور پر تصویر میں علیحدہ ہونے والی چوٹیوں کی ضرورت ہوتی ہے۔ جب کسی ہدف کو واحد جانا جاتا ہے، تو اس کے مقام کا تعین اس کی تصویری روشنی کی تقسیم کے مرکز (کشش ثقل کا مرکز) کو تلاش کرکے تصویر کی چوڑائی سے زیادہ درستگی کے ساتھ کیا جا سکتا ہے۔ اس عمل کے لیے لفظ الٹرا ریزولوشن تجویز کیا گیا تھا لیکن یہ نہیں پکڑا، اور اعلی صحت سے متعلق لوکلائزیشن کے طریقہ کار کو عام طور پر سپر ریزولوشن کہا جاتا ہے۔ امیجنگ فارمنگ اور سینسنگ ڈیوائسز کی کارکردگی کو بڑھانے کی تکنیکی کامیابیاں جو اب سپر ریزولوشن کے طور پر درجہ بند ہیں، مکمل طور پر استعمال ہوتی ہیں لیکن ہمیشہ طبیعیات اور انفارمیشن تھیوری کے قوانین کے ذریعہ عائد کردہ حدود میں رہتی ہیں۔ آپٹیکل یا ڈفریکٹیو سپر ریزولوشن کی تکنیکیں مقامی فریکوئنسی بینڈ کو تبدیل کرنا: اگرچہ ڈفریکشن کے ذریعہ قابل اجازت بینڈوتھ طے شدہ ہے، لیکن اسے مقامی فریکوئنسی سپیکٹرم میں کہیں بھی رکھا جا سکتا ہے۔ خوردبین میں تاریک میدان کی روشنی ایک مثال ہے۔ یپرچر کی ترکیب بھی دیکھیں۔ ملٹی پلیکسنگ اسپاٹیل فریکوئنسی بینڈ آپٹیکل ڈیوائس کے نارمل پاس بینڈ کا استعمال کرتے ہوئے ایک تصویر بنائی جاتی ہے۔ پھر کچھ معروف ہلکی ساخت، مثال کے طور پر ہلکے کناروں کا ایک مجموعہ جسے پاس بینڈ کے اندر ہونے کی بھی ضرورت نہیں ہے، ہدف پر مسلط کیا جاتا ہے۔ تصویر میں اب اہداف اور سپر امپوزڈ لائٹ ڈھانچے کے امتزاج کے نتیجے میں اجزاء شامل ہیں، جیسے۔ موائر فریج کرتا ہے، اور ہدف کی تفصیل کے بارے میں معلومات رکھتا ہے جو سادہ غیر ساختہ روشنی میں نہیں ہوتی ہے۔ تاہم، "سپر ریزولیوڈ" اجزاء کو ظاہر کرنے کے لیے جدا کرنے کی ضرورت ہے۔ مثال کے طور پر، منظم روشنی (بائیں طرف کی شکل) دیکھیں۔ اگر کسی ہدف میں کوئی خاص پولرائزیشن یا طول موج کی خصوصیات نہیں ہیں، تو دو پولرائزیشن اسٹیٹس یا غیر اوور لیپنگ طول موج والے علاقوں کو ہدف کی تفصیلات کو انکوڈ کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے، ایک مقامی فریکوئنسی بینڈ میں کٹ آف حد کے اندر اور دوسرا اس سے آگے۔ دونوں عام پاس بینڈ ٹرانسمیشن کا استعمال کریں گے لیکن پھر توسیعی ریزولوشن کے ساتھ ہدف کے ڈھانچے کو دوبارہ تشکیل دینے کے لیے الگ سے ڈی کوڈ کیے جاتے ہیں۔ قریب فیلڈ برقی مقناطیسی خلل کی تحقیقات سپر ریزولوشن کی معمول کی بحث میں آپٹیکل سسٹم کے ذریعہ کسی شے کی روایتی منظر کشی شامل ہوتی ہے۔ لیکن جدید ٹیکنالوجی ماخذ کے سالماتی فاصلے کے اندر برقی مقناطیسی خلل کی تحقیقات کرنے کی اجازت دیتی ہے جس میں اعلی ریزولوشن کی خصوصیات ہوتی ہیں، نیز ایوینسینٹ لہریں اور نئے سپر لینس کی ترقی بھی دیکھیں۔ جیومیٹریکل یا امیج پروسیسنگ سپر ریزولوشن ملٹی ایکسپوزر امیج شور میں کمی جب کوئی امیج شور کی وجہ سے خراب ہو جاتی ہے، تو بہت سی نمائشوں کی اوسط میں مزید تفصیل ہو سکتی ہے، یہاں تک کہ تفریق کی حد کے اندر بھی۔ دائیں طرف کی مثال دیکھیں۔ سنگل فریم ڈیبلرنگ کسی دی گئی امیجنگ صورتحال میں معلوم نقائص، جیسے ڈیفوکس یا انحراف، کو بعض اوقات کسی ایک تصویر کی مناسب مقامی تعدد فلٹرنگ کے ذریعے مکمل یا جزوی طور پر کم کیا جا سکتا ہے۔ اس طرح کے تمام طریقہ کار ڈفریکشن مینڈیٹڈ پاس بینڈ کے اندر رہتے ہیں، اور اسے بڑھاتے نہیں ہیں۔ ذیلی پکسل امیج لوکلائزیشن ایک واحد ماخذ کے مقام کا تعین کئی ملحقہ پکسلز پر پھیلی ہوئی روشنی کی تقسیم کے "سینٹر آف گریویٹی" (سینٹرایڈ) کا حساب لگا کر کیا جا سکتا ہے (بائیں طرف کی شکل دیکھیں)۔ بشرطیکہ کافی روشنی ہو، یہ صوابدیدی درستگی کے ساتھ حاصل کیا جا سکتا ہے، جو کہ پتہ لگانے والے آلات کی پکسل چوڑائی اور ماخذ واحد ہے یا دوگنا اس کے فیصلے کے لیے ریزولوشن کی حد سے بہت بہتر ہے۔ یہ تکنیک، جس میں اس مفروضے کی ضرورت ہوتی ہے کہ تمام روشنی ایک ہی ماخذ سے آتی ہے، اس بنیاد پر ہے جسے سپر ریزولوشن مائکروسکوپی کے نام سے جانا جاتا ہے، جیسے۔ سٹوچسٹک آپٹیکل ری کنسٹرکشن مائکروسکوپی (ایس ٹی او آر ایم)، جہاں مالیکیولز سے منسلک فلوروسینٹ تحقیقات نینو اسکیل فاصلے کی معلومات دیتی ہیں۔ یہ بصری ہائپر ایکویٹی کا بنیادی طریقہ کار بھی ہے۔ کچھ آبجیکٹ کی خصوصیات، اگرچہ ڈفریکشن کی حد سے باہر ہیں، دیگر آبجیکٹ کی خصوصیات سے وابستہ ہونے کے لیے جانی جا سکتی ہیں جو حدود کے اندر ہیں اور اس لیے تصویر میں موجود ہیں۔ اس کے بعد مکمل شے کی موجودگی کے بارے میں دستیاب تصویری ڈیٹا سے شماریاتی طریقوں کا استعمال کرتے ہوئے نتائج اخذ کیے جا سکتے ہیں۔ کلاسیکی مثال ٹورالڈو دی فرانسیا کی یہ فیصلہ کرنے کی تجویز ہے کہ آیا کوئی تصویر کسی ایک ستارے کی ہے یا دوہرے ستارے کی، اس بات کا تعین کرتے ہوئے کہ آیا اس کی چوڑائی کسی ایک ستارے کے پھیلاؤ سے زیادہ ہے۔ یہ کلاسیکی ریزولوشن کی حدود سے بہت نیچے علیحدگی پر حاصل کیا جا سکتا ہے، اور "سنگل یا ڈبل؟" کے انتخاب کی پیشگی حد کی ضرورت ہوتی ہے۔ نقطہ نظر فریکوئنسی ڈومین میں امیج کو ایکسٹریپولیٹ کرنے کی شکل اختیار کر سکتا ہے، یہ فرض کر کے کہ آبجیکٹ ایک تجزیاتی فنکشن ہے، اور یہ کہ ہم کچھ وقفے میں فنکشن کی اقدار کو بالکل جان سکتے ہیں۔ یہ طریقہ ڈیجیٹل امیجنگ سسٹم میں ہمیشہ موجود شور کی وجہ سے سخت حد تک محدود ہے، لیکن یہ ریڈار، فلکیات، خوردبین یا مقناطیسی گونج امیجنگ کے لیے کام کر سکتا ہے۔ حال ہی میں، مسائل کے بند شکل کے حل پر مبنی ایک تیز سنگل امیج سپر ریزولوشن الگورتھم کی تجویز پیش کی گئی ہے اور موجودہ بایسیئن سپر ریزولوشن کے بیشتر طریقوں کو نمایاں طور پر تیز کرنے کا مظاہرہ کیا گیا ہے۔ جیومیٹریکل ایس آر کی تعمیر نو کے الگورتھم کو الگ کرنا تب ہی ممکن ہے جب ان پٹ کم ریزولوشن والی تصاویر کو کم نمونہ بنایا گیا ہو اور اس وجہ سے اس میں الگورتھم ہو۔ اس عرفیت کی وجہ سے، مطلوبہ تعمیر نو کی تصویر کا اعلی تعدد مواد مشاہدہ شدہ تصاویر میں سے ہر ایک کے کم تعدد مواد میں سرایت کرتا ہے۔ مشاہداتی تصاویر کی کافی تعداد کو دیکھتے ہوئے، اور اگر مشاہدات کا مجموعہ ان کے مرحلے میں مختلف ہوتا ہے (یعنی۔ اگر منظر کی تصاویر کو ذیلی پکسل کی رقم سے منتقل کیا جاتا ہے)، تو مرحلے کی معلومات کو حقیقی کم تعدد والے مواد سے عرفی اعلی تعدد والے مواد کو الگ کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے، اور مکمل ریزولوشن والی تصویر کو درست طریقے سے دوبارہ تعمیر کیا جا سکتا ہے۔ عملی طور پر، یہ تعدد پر مبنی نقطہ نظر تعمیر نو کے لیے استعمال نہیں کیا جاتا ہے، بلکہ مقامی نقطہ نظر کے معاملے میں بھی (مثال کے طور پر۔ شفٹ ایڈ فیوژن)، ایلیازنگ کی موجودگی اب بھی ایس آر کی تعمیر نو کے لیے ایک ضروری شرط ہے۔ تکنیکی نفاذ ایس آر کے بہت سے سنگل فریم اور ملٹی پل فریم ورژن ہیں۔ ملٹی پل فریم ایس آر ایک ہی منظر کی متعدد کم ریزولوشن والی تصاویر کے درمیان ذیلی پکسل شفٹوں کا استعمال کرتا ہے۔ یہ تمام کم ریزولوشن والی تصاویر سے معلومات کو ملا کر ایک بہتر ریزولوشن والی تصویر بناتا ہے، اور بنائی گئی اعلی ریزولوشن والی تصاویر منظر کی بہتر وضاحت ہوتی ہیں۔ سنگل فریم ایس آر طریقے دھندلاپن پیدا کیے بغیر تصویر کو بڑا کرنے کی کوشش کرتے ہیں۔ یہ طریقے کم ریزولوشن والی تصاویر کے دوسرے حصوں، یا دیگر غیر متعلقہ تصاویر کا استعمال کرتے ہیں، یہ اندازہ لگانے کے لیے کہ ہائی ریزولوشن والی تصویر کیسی ہونی چاہیے۔ الگورتھم کو ان کے ڈومین سے بھی تقسیم کیا جا سکتا ہے: فریکوئنسی یا اسپیس ڈومین۔ اصل میں، سپر ریزولوشن کے طریقے صرف گرے اسکیل امیجز پر اچھی طرح سے کام کرتے تھے، لیکن محققین نے انہیں رنگین کیمرے امیجز کے مطابق ڈھالنے کے طریقے تلاش کیے ہیں۔ حال ہی میں تھری ڈی ڈیٹا کے لیے سپر ریزولوشن کا استعمال بھی دکھایا گیا ہے۔ تحقیق سپر ریزولوشن انجام دینے کے لیے گہرے ارتقاء نیٹ ورک کے استعمال پر امید افزا تحقیق ہے۔ خاص طور پر کام کا مظاہرہ کیا گیا ہے جس میں اس کا استعمال کرتے ہوئے جرگ کے دانے کی 20x خوردبین تصویر کو 1500x اسکیننگ الیکٹران خوردبین تصویر میں تبدیل کیا گیا ہے۔ اگرچہ یہ تکنیک کسی تصویر کے معلوماتی مواد کو بڑھا سکتی ہے، لیکن اس بات کی کوئی ضمانت نہیں ہے کہ اصل تصویر میں اپ اسکیلڈ خصوصیات موجود ہیں اور گہرے کنولوشنل اپ اسکیلرز کو مبہم ان پٹ والی تجزیاتی ایپلی کیشنز میں استعمال نہیں کیا جانا چاہئے۔ یہ طریقے تصویر کی خصوصیات کو دھوکہ دے سکتے ہیں، جو انہیں طبی استعمال کے لیے غیر محفوظ بنا سکتے ہیں۔ آپٹیکل ریزولوشن اوور سیمپلنگ ویڈیو سپر ریزولوشن سنگل پارٹیکل ٹریجیکٹوری سپرسیلیشن حوالہ جات دیگر متعلقہ کام ؛ ؛ امیج پروسیسنگ سگنل پروسیسنگ امیجنگ