All-optisk objektidentifikation og tredimensionel rekonstruktion baseret på optisk computermetasurface

Efterhånden som objektidentifikation og tredimensionelle (3D) rekonstruktionsteknikker bliver essentielle inden for forskellige områder inden for reverse engineering, kunstig intelligens, medicinsk diagnose og industriel produktion, er der et stigende fokus på at søge meget effektive, hurtigere hastigheder og mere integrerede metoder, der kan forenkle behandling.

I det nuværende område med objektidentifikation og 3D-rekonstruktion udføres udtrækning af prøvekonturinformation primært ved hjælp af forskellige computeralgoritmer. Traditionelle computerprocessorer lider under flere begrænsninger, såsom højt strømforbrug, lavhastighedsdrift og komplekse algoritmer. I denne henseende har der for nylig været voksende opmærksomhed på at søge efter alternative optiske metoder til at udføre disse teknikker.

Udviklingen af ​​optisk databehandlingsteori og billedbehandling har givet et mere komplet teoretisk grundlag for objektidentifikation og 3D-rekonstruktionsteknikker. Optiske metoder har fået mere opmærksomhed som et alternativt paradigme end traditionelle mekanismer i de senere år på grund af deres enorme fordele med ultrahurtig driftshastighed, høj integration og lav latens.

Som todimensionelle nanostrukturer konstrueret på subbølgelængdeskalaerne, har metasurfaces udvist bemærkelsesværdige egenskaber i den revolutionære udvikling inden for optik, som effektivt kan forenkle og dybt integrere optiske systemers fodaftryk.

I praktiske applikationer har metasurfaces vist evnen til effektivt at manipulere flere lysparametre. Som et resultat heraf anvendes metaoverflader inden for adskillige potentielle felter, såsom optisk analog databehandling, optisk kryptografi, design af optiske anordninger, signalmanipulation, mikroskopibilleddannelse, optisk billeddannelse og nanomaling.

Som en todimensionel kunstig designet komponent har den optiske computermetasflade vist den overnormale karakter af at kontrollere lysstrålens fase-, amplitude-, polariserings- og frekvensfordelinger, der er i stand til at udføre matematiske operationer på inputlysfeltet.

For nylig foreslog forskergruppen af ​​professorer Hailu Luo ved School of Physics and Electronics ved Hunan University i Kina en helt optisk objektidentifikation og 3D-rekonstruktionsteknik baseret på optiske databehandlingsmetasurfaces. I modsætning til traditionelle mekanismer reducerer denne ordning hukommelsesforbruget i behandlingen af ​​konturoverfladeudtrækningen. Identifikationen og rekonstruktionen af ​​eksperimentelle resultater fra objekter med høj kontrast og lav kontrast stemmer godt overens med de virkelige objekter. Udforskningen af ​​de helt optiske objektidentifikations- og 3D-rekonstruktionsteknikker giver potentielle anvendelser af høj effektivitet, lavt forbrug og kompakte systemer.

Forfatterne til artiklen, offentliggjort i Opto-Electronic Advances , foreslår en helt optisk objektidentifikation og 3D-rekonstruktionsteknik baseret på optisk computermetasurface. Ved at designe og fremstille en optisk databehandlings-metasurface realiseres helt optisk objektidentifikation og 3D-rekonstruktion af høj- og lavkontrastobjekter.

Til forskel fra den tidligere metasurface-baserede 3D-billeddannelsesforskning, er denne metode afhængig af optisk analog databehandling for at opnå konturinformationen af ​​objekter og kan opnå objektidentifikation og 3D-rekonstruktion af både højkontrast- såvel som lavkontrastobjekter, hvilket kan give en unik anvendelse af metasurface-baseret optisk analog computing. Princippet for objektidentifikationssystemet er skematisk illustreret i fig. 1(a).

Når det observerede objekt tilføjes til systemet, kan systemet udlæse konturinformationen om objektet ved hjælp af den helt optiske metode. Objektidentifikationsevnen for dette system kan også udvides til den helt optiske 3D-rekonstruktionsteknologi. Ved at rekombinere forskellige projektionsbilleder af det observerede objekt kan der opnås en 3D-model af det observerede objekt, uanset om det er et objekt med høj kontrast eller et objekt med lav kontrast [Fig. 1(b)].

Teoretisk set kan 3D-konturoverfladen af ​​et højkontrastobjekt betragtes som en superposition af uendelige todimensionelle konturer. Derfor foreslås rotationsmetoden og skivemetoden for objekter med høj kontrast for at opnå 3D-rekonstruktion. For objekter med lav kontrast kan 3D-rekonstruktionsmodellen erhverves ved at bryde den ortogonale polarisationstilstandsteknik.

For at bekræfte gennemførligheden af ​​3D-rekonstruktionen i ovenstående skema tages en kugle i fig. 2(a) som et eksempel. Ved at rotere objektet med lige store intervaller i det optiske system, kan flere konturresultater af objektet på forskellige projektionsplaner fanges af CCD-kameraet, som vist i fig. 2(b). Endelig kan den eksperimentelle 3D-rekonstruktionsmodel af højkontrastobjektet rekonstrueres ved at omarrangere og kombinere hele konturinformationen [fig. 2(c)].

I fig. 3(d)–3(e), korianderfrø, svampemodel og slikkepindmodel er blevet brugt til at demonstrere denne rekonstruerede proces. Teoretisk set, jo mindre afstandsvinklen er, jo mere nøjagtig er den rekonstruerede model. Som proof-of-concept demonstrationer, der kun bruger de begrænsede konturer til at illustrere gennemførligheden af ​​dette skema til 3D-rekonstruktion, viser eksperimentresultaterne, at denne teknik er faciliterende og nøjagtig.

Uden tab af generalitet fokuserer forskergruppen på højkontrastobjekter med komplekse konturoverflader. For nogle højkontrastobjekter med komplekse overflader er 3D-rekonstruktionsmetoden ved at rotere objekter ikke længere anvendelig. Derfor foreslog denne gruppe en anden 3D-rekonstruktionsmetode ved at skære objekter i skiver. Tager man en kugle i fig. 3(a) som et eksempel, skæres objekter i skiver med små intervaller, og flere konturresultater af objektet på forskellige projektionsplaner kan fanges af et CCD-kamera, som vist i fig. 3(b).

Endelig kan den eksperimentelle 3D-rekonstruktionsmodel af højkontrastobjektet rekonstrueres ved at omarrangere og kombinere hele konturinformationen [fig. 3(c)]. Teoretisk set, jo højere præcision af udskæringsprocessen er, jo mere nøjagtig vil den rekonstruerede 3D-model være. Som proof-of-concept demonstrationer er nogle simple geometrier med distinkte funktioner, såsom rille, landing og boss blevet brugt til at verificere dette eksperiment i fig. 3(d1)–3(f1).

Ved at skære disse tre objekter i skiver for at få deres konturoplysninger på forskellige planer, omarrangere og kombinere disse konturoplysninger og endelig opnå den 3D-eksperimentelle rekonstruktionsmodel om dem i fig. 3(d2)-3(f2). Uanset om det er en rille med et hak på indersiden, en hævet knast på ydersiden eller en skrå landing, er formerne og størrelserne af 3D-eksperimentelle rekonstruktionsmodeller i god overensstemmelse med de originale objekter. Denne metode har potentiel anvendelse til 3D-rekonstruktion af objekter med komplekse overflader eller interne strukturer.

Ved at udforske anvendelsen af ​​et helt optisk analogt computersystem baseret på optisk databehandlings metasurface, foreslås og realiseres en optisk objektidentifikation og 3D-rekonstruktionsteknik for høj- og lavkontrastobjekter. Dette arbejde forventes at blive anvendt til frøscreening, overfladetopografidetektion og kvantitativ mikroskopisk 3D-rekonstruktion, denne forskning vil give en unik retning for billedbehandling og industriel detektion.

Flere oplysninger: Dingyu Xu et al., All-optical objektidentifikation og tredimensionel rekonstruktion baseret på optisk computermetasurface, Opto-Electronic Advances (2023). DOI:10.29026/oea.2023.230120

Leveret af Compuscript Ltd