Op een koude, zonnige dag rijd je over een landelijke weg, omringd door besneeuwde velden. In een oogwenk verwerken je ogen het tafereel, waarbij ze individuele objecten uitkiezen om op te focussen – een stopbord, een schuur – terwijl de rest van het tafereel aan de rand vervaagt. Je hersenen slaan de gefocuste en wazige beelden op als een herinnering die je later in je hoofd kunt weergeven, terwijl je aan je bureau zit.

Door deze eenvoudige, onmiddellijke beeldverwerkingskracht van het menselijk oog na te bootsen, creëerden elektrotechnische onderzoekers van Penn State een metasurface:een optisch element dat lijkt op een glasplaatje dat gebruik maakt van kleine nanostructuren die onder verschillende hoeken zijn geplaatst om het licht te controleren. Onder leiding van corresponderend auteur Xingjie Ni, universitair hoofddocent elektrotechniek en computerwetenschappen (EECS) aan Penn State, publiceerde het team hun uitvinding in Nature Communications .

Systemen voor kunstmatige intelligentie (AI) vereisen aanzienlijke rekenkracht en energie en kunnen traag zijn in het verwerken van beelden en het identificeren van objecten, aldus de onderzoekers. Het metasurface kan daarentegen worden gebruikt om afbeeldingen voor te verwerken en te transformeren voordat ze door een camera worden vastgelegd, waardoor een computer (en AI) ze kan verwerken met minimaal vermogen en minimale databandbreedte.

Het metasurface werkt door een afbeelding te converteren van het cartesiaanse coördinatensysteem, waarbij beeldpixels in rechte rijen en kolommen langs de x- en y-assen zijn gerangschikt, naar het log-polaire systeem, dat een bullseye-achtige pixelverdeling gebruikt.

"Net als de opstelling van lichtreceptoren in het menselijk oog, maakt het metasurface beelden en rangschikt deze in een log-polair coördinatensysteem - met dichtere pixels voor de centrale, gefocuste kenmerken en dunnere pixels voor de perifere gebieden", zei Ni. "Hierdoor komen de belangrijkere aspecten van een foto duidelijk naar voren, terwijl andere minder scherp in beeld blijven, waardoor gegevensbandbreedte wordt bespaard."

Het metasurface wordt voor een camera geplaatst zodat het licht er eerst doorheen gaat en het beeld uit het cartesiaanse systeem omzet in log-polaire coördinaten voordat het door een camera wordt gedigitaliseerd en naar een computer wordt overgebracht. Omdat het werkt met nanostructuren die licht afbuigen, heeft het metasurface geen stroom nodig en werkt het met de snelheid van het licht.

"Aangezien een afbeelding van een object in grootte of oriëntatie kan variëren, is het wenselijk om afbeeldingen voor te bewerken om ze bestand te maken tegen schaal- en rotatieveranderingen," zei Ni. "Deze voorverwerking zorgt ervoor dat AI-toepassingen ze gemakkelijker als hetzelfde object kunnen herkennen."

Door een ander metasurface voor een camera te plaatsen, kunnen onderzoekers het log-polaire beeld ook terug transformeren naar het originele beeld met cartesiaanse coördinaten.

De uitvinding heeft veel potentiële toepassingen, aldus de onderzoekers, onder meer voor gebruik bij het volgen en bewaken van doelen om bijvoorbeeld in kaart te brengen hoe een auto door een stad beweegt.

"Een metasurface kan samen met AI-systemen als preprocessor worden gebruikt, waardoor het gemakkelijker wordt om dezelfde auto te herkennen van meerdere straatcamera's", zei Ni. "Of als het wordt toegepast op een satelliet, zou het mogelijk vliegtuigen kunnen volgen van het opstijgen tot het landen."

Meer informatie: Xingwang Zhang et al., Volledig optische geometrische beeldtransformaties mogelijk gemaakt door ultradunne metasurfaces, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43981-x

Aangeboden door Pennsylvania State University