Полностью оптическая идентификация объектов и трехмерная реконструкция на основе оптической вычислительной метаповерхности.
Поскольку методы идентификации объектов и трехмерной (3D) реконструкции становятся необходимыми в различных областях обратного проектирования, искусственного интеллекта, медицинской диагностики и промышленного производства, все большее внимание уделяется поиску чрезвычайно эффективных, более быстрых и более интегрированных методов, которые могут упростить обработка.
В современной области идентификации объектов и трехмерной реконструкции извлечение информации о контуре образца в основном выполняется с помощью различных компьютерных алгоритмов. Традиционные компьютерные процессоры страдают от множества ограничений, таких как высокое энергопотребление, низкая скорость работы и сложные алгоритмы. В связи с этим в последнее время растет внимание к поиску альтернативных оптических методов реализации этих методов.
Развитие теории оптических вычислений и обработки изображений обеспечило более полную теоретическую основу для методов идентификации объектов и трехмерной реконструкции. Оптические методы в последние годы привлекли больше внимания как альтернативная парадигма, чем традиционные механизмы, из-за их огромных преимуществ, таких как сверхвысокая скорость работы, высокая степень интеграции и низкая задержка.
Будучи двумерными наноструктурами, созданными в субволновых масштабах, метаповерхности продемонстрировали замечательные возможности в революционных разработках в оптике, которые могут эффективно упростить и глубоко интегрировать структуру оптических систем.
В практическом применении метаповерхности показали способность эффективно манипулировать несколькими параметрами света. В результате метаповерхности используются во многих потенциальных областях, таких как оптические аналоговые вычисления, оптическая криптография, проектирование оптических устройств, манипулирование сигналами, микроскопические изображения, оптические изображения и наноживопись.
Будучи двумерным искусственным компонентом, метаповерхность оптических вычислений продемонстрировала сверхнормальный характер управления фазой, амплитудой, поляризацией и частотным распределением светового луча, способный выполнять математические операции над входным световым полем.
Недавно исследовательская группа профессоров Хайлу Луо из Школы физики и электроники Хунаньского университета в Китае предложила полностью оптическую идентификацию объектов и метод трехмерной реконструкции, основанный на оптических вычислительных метаповерхностях. В отличие от традиционных механизмов, эта схема снижает потребление памяти при обработке выделения контурной поверхности. Идентификация и реконструкция результатов экспериментов по высококонтрастным и низкоконтрастным объектам хорошо согласуются с реальными объектами. Исследование методов полностью оптической идентификации объектов и 3D-реконструкции обеспечивает потенциальные применения высокой эффективности, низкого потребления и компактных систем.
Авторы статьи, опубликованной в журнале Opto-Electronic Advances, предлагают метод полностью оптической идентификации объектов и трехмерной реконструкции, основанный на метаповерхности оптических вычислений. Путем проектирования и изготовления оптической вычислительной метаповерхности реализуются полностью оптическая идентификация объектов и трехмерная реконструкция высоко- и низкоконтрастных объектов.
В отличие от предыдущих исследований 3D-изображений на основе метаповерхностей, этот метод основан на оптических аналоговых вычислениях для получения информации о контурах объектов и может обеспечить идентификацию объектов и 3D-реконструкцию как высококонтрастных, так и низкоконтрастных объектов, что может обеспечить уникальное применение оптических аналоговых вычислений на основе метаповерхностей.
При добавлении наблюдаемого объекта в систему система может выводить контурную информацию об объекте полностью оптическим методом. Способность этой системы идентифицировать объекты также может быть расширена до технологии полностью оптической 3D-реконструкции. Рекомбинируя различные проекционные изображения наблюдаемого объекта, можно получить 3D-модель наблюдаемого объекта, будь то высококонтрастный объект или низкоконтрастный объект .
Теоретически трехмерную контурную поверхность высококонтрастного объекта можно рассматривать как суперпозицию бесконечных двумерных контуров. Поэтому для высококонтрастных объектов предложен метод вращения и метод среза для получения 3D-реконструкции. Для малоконтрастных объектов трехмерную модель реконструкции можно получить, сломав метод состояний ортогональной поляризации.
Вращая объект через равные промежутки в оптической системе, ПЗС-камера может фиксировать несколько результатов контура объекта в разных плоскостях проекции. Наконец, трехмерная экспериментальная модель реконструкции высококонтрастного объекта может быть восстановлена путем перестановки и объединения всей контурной информации.
Теоретически, чем меньше угол разнесения, тем точнее восстановленная модель. В качестве демонстрации концепции, использующей только ограниченные контуры для иллюстрации возможности этой схемы трехмерной реконструкции, результаты эксперимента показывают, что этот метод прост и точен.
Не теряя общности, исследовательская группа фокусируется на высококонтрастных объектах со сложными контурными поверхностями. Для некоторых высококонтрастных объектов со сложной поверхностью метод 3D реконструкции путем вращения объектов уже неприменим. Поэтому эта группа предложила другой метод 3D-реконструкции путем нарезки объектов.
Наконец, трехмерная экспериментальная модель реконструкции высококонтрастного объекта может быть восстановлена путем перестановки и объединения всей контурной информации. Теоретически, чем выше точность процесса нарезки, тем точнее будет восстановленная 3D-модель.
Путем разрезания этих трех объектов для получения информации об их контурах в разных плоскостях, перестановки и объединения этой информации о контурах и, наконец, получения трехмерной экспериментальной модели реконструкции их на рис. 3(d2)–3(f2). Будь то паз с выемкой внутри, выступающий выступ снаружи или скошенная площадка, формы и размеры экспериментальных 3D-моделей реконструкции хорошо соответствуют исходным объектам. Этот метод имеет потенциальное применение для 3D-реконструкции объектов со сложной поверхностью или внутренней структурой.
Путем изучения применения полностью оптической аналоговой вычислительной системы на основе оптической вычислительной метаповерхности предложены и реализованы методы оптической идентификации и трехмерной реконструкции объектов с высоким и низким контрастом. Ожидается, что эта работа будет применена к скринингу семян, обнаружению топографии поверхности и количественной микроскопической 3D-реконструкции. Это исследование обеспечит уникальное направление для обработки изображений и промышленного обнаружения.
Теги: ИИ, связь
