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Unraveling the Physics of Light at Scale

Projektbeschreibung

Mögliche neue Erkenntnisse auf verschiedenen Gebieten – von der Umweltwissenschaft bis zur Biologie

Photonen sind winzige Quantensonden unserer Umgebung. Die Art und Weise, wie diese Lichtpakete durch die Materialien auf ihrem Weg reflektiert, gebrochen und absorbiert werden, kann zur Bestimmung dieser Materialien genutzt werden. Damit wir all die zahllosen anderen Dinge aus dem wörtlichen und metaphorischen Bild „herausfiltern“ können, müssen wir wissen, was diese Dinge sind und wie sie das Licht verändern. Das sogenannte inverse Problem – das Rückwärtsarbeiten von einer indirekten Messung zu einer gewünschten Messung aus der bekannten Beziehung zwischen den beiden – ist zwar ziemlich komplex, aber dennoch unerlässlich für verschiedene Bereiche von Satellitenbildern und der Klimawissenschaft bis hin zur Mikroskopie biologischer Proben. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts UNRAVEL werden Computergrafik-Methoden entwickelt, welche die versteckten Verbindungen zwischen unbegrenzten Parametern und dem Licht einbeziehen, damit die Wissenschaft in fast allen Feldern komplexe Bilder analysieren und die gewünschten Parameter herausziehen kann.

Ziel

Earth climate research crucially depends on measurements of the atmospheric distribution of CO2, which is largely obtained using satellites. But satellites cannot directly measure CO2—they capture photographs at different wavelengths that must be mathematically processed to obtain this information. Current methods for solving this inverse problem are unaware of many aspects of the images including topography, cloud shape, shadowing, etc. The UN Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) has identified the resulting errors as the main cause of discrepancies between different climate sensitivity models.

This proposal in the area of computer graphics introduces methods for inverting the physics of light at unprecedented scales that will address these inaccuracies. However, the scope of our contribution extends far beyond climate modeling: it will have a revolutionary impact on all scientific disciplines that involve the analysis of images, including biology, computer vision, architecture, and many others.

In this project,

- we will establish the first framework for inverting light simulations with billions of parameters.

To demonstrate its generality, and to realize the impact of this framework, we will specialize it to three areas:

- we will develop the first invertible atmospheric optics simulator for earth climate monitoring that accounts for 3D structures, addressing severe inaccuracies of current methods.

- we will create an invertible virtual microscope that will open the door to fundamentally new reconstruction techniques in the area of biology.

- we will design architectural light simulations that are able to adapt buildings so that they make ideal use of naturally available daylight.

To achieve these goals, we must unravel the messy physics of light to either reveal or control the properties of visible and invisible objects. Our approach will solve this impossible-seeming problem at large scales with substantial impact across disciplines.

Finanzierungsplan

ERC-STG - Starting Grant

Gastgebende Einrichtung

ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE
Netto-EU-Beitrag
€ 1 496 955,00
Adresse
BATIMENT CE 3316 STATION 1
1015 Lausanne
Schweiz

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Region
Schweiz/Suisse/Svizzera Région lémanique Vaud
Aktivitätstyp
Higher or Secondary Education Establishments
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Gesamtkosten
€ 1 496 955,00

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