Nu objectidentificatie en driedimensionale (3D) reconstructietechnieken essentieel worden op verschillende terreinen van reverse engineering, kunstmatige intelligentie, medische diagnose en industriële productie, wordt er steeds meer aandacht besteed aan het zoeken naar enorm efficiënte, snellere en meer geïntegreerde methoden die het proces kunnen vereenvoudigen. verwerking.

In het huidige gebied van objectidentificatie en 3D-reconstructie wordt het extraheren van monstercontourinformatie voornamelijk bereikt door verschillende computeralgoritmen. Traditionele computerprocessors hebben te kampen met meerdere beperkingen, zoals een hoog stroomverbruik, een lage snelheid en complexe algoritmen. In dit opzicht is er de laatste tijd steeds meer aandacht voor het zoeken naar alternatieve optische methoden om deze technieken uit te voeren.

De ontwikkeling van optische computertheorie en beeldverwerking heeft een completere theoretische basis opgeleverd voor objectidentificatie en 3D-reconstructietechnieken. Optische methoden hebben de afgelopen jaren meer aandacht gekregen als alternatief paradigma dan traditionele mechanismen vanwege hun enorme voordelen van ultrasnelle werkingssnelheid, hoge integratie en lage latentie.

Als tweedimensionale nanostructuren die op subgolflengteschalen zijn ontwikkeld, hebben metasurfaces opmerkelijke capaciteiten getoond in de revolutionaire ontwikkelingen in de optica, die de voetafdruk van optische systemen effectief kunnen vereenvoudigen en diep integreren.

In praktische toepassingen hebben metasurfaces het vermogen getoond om verschillende lichtparameters efficiënt te manipuleren. Als gevolg hiervan worden metasurfaces gebruikt in tal van potentiële velden, zoals optisch analoog computergebruik, optische cryptografie, het ontwerpen van optische apparaten, signaalmanipulatie, microscopiebeeldvorming, optische beeldvorming en nanopainting.

Als een tweedimensionaal kunstmatig ontworpen onderdeel heeft het metasurface voor optische computers het supernormale karakter getoond van het besturen van fase-, amplitude-, polarisatie- en frequentieverdelingen van de lichtbundel, waardoor wiskundige bewerkingen op het ingangslichtveld kunnen worden uitgevoerd.

Onlangs heeft de onderzoeksgroep van professoren Hailu Luo van de School of Physics and Electronics van de Hunan Universiteit in China een volledig optische objectidentificatie en 3D-reconstructietechniek voorgesteld, gebaseerd op optische computermetasurfaces. In tegenstelling tot traditionele mechanismen vermindert dit schema het geheugengebruik bij de verwerking van de extractie van het contouroppervlak. De identificatie en reconstructie van experimentele resultaten van objecten met hoog en laag contrast komen goed overeen met de echte objecten. De verkenning van de volledig optische objectidentificatie en 3D-reconstructietechnieken biedt potentiële toepassingen van hoge efficiëntie, laag verbruik en compacte systemen.

De auteurs van het artikel, gepubliceerd in Opto-Electronic Advances , stellen een volledig optische objectidentificatie en 3D-reconstructietechniek voor op basis van optisch computermetasurface. Door het ontwerpen en vervaardigen van een optisch computermetasurface worden volledig optische objectidentificatie en 3D-reconstructie van objecten met hoog en laag contrast gerealiseerd.

Anders dan het eerdere op metasoppervlak gebaseerde 3D-beeldvormingsonderzoek, vertrouwt deze methode op optisch analoog computergebruik om de contourinformatie van objecten te verkrijgen en kan de objectidentificatie en 3D-reconstructie van zowel objecten met een hoog contrast als een laag contrast worden bereikt, wat kan zorgen voor een unieke toepassing van op metasurface gebaseerd optisch analoog computergebruik. Het principe van het objectidentificatiesysteem wordt schematisch geïllustreerd in figuur 1(a).

Wanneer het waargenomen object aan het systeem wordt toegevoegd, kan het systeem de contourinformatie over het object uitvoeren via de volledig optische methode. Het objectidentificatievermogen van dit systeem kan ook worden uitgebreid naar de volledig optische 3D-reconstructietechnologie. Door verschillende projectiebeelden van het waargenomen object opnieuw te combineren, kan een 3D-model van het waargenomen object worden verkregen, of het nu een object met hoog contrast of een object met laag contrast is [Fig. 1(b)].

Theoretisch gezien kan het 3D-contouroppervlak van een contrastrijk object worden beschouwd als een superpositie van oneindige tweedimensionale contouren. Daarom worden voor objecten met hoog contrast de rotatiemethode en de slice-methode voorgesteld om een ​​3D-reconstructie te verkrijgen. Voor objecten met laag contrast kan het 3D-reconstructiemodel worden verkregen door de techniek van orthogonale polarisatietoestanden te doorbreken.

Om de haalbaarheid van de 3D-reconstructie in het bovenstaande schema te bevestigen, wordt in figuur 2 (a) als voorbeeld een bol genomen. Door het object met gelijke intervallen in het optische systeem te roteren, kunnen meerdere contourresultaten van het object op verschillende projectievlakken worden vastgelegd door de CCD-camera, zoals weergegeven in figuur 2 (b). Ten slotte kan het 3D experimentele reconstructiemodel van het contrastrijke object worden gereconstrueerd door de volledige contourinformatie te herschikken en te combineren [Fig. 2(c)].

In Fig. 3(d) –3(e), korianderzaad, paddenstoelmodel en lollymodel zijn gebruikt om dit gereconstrueerde proces aan te tonen. Theoretisch gesproken geldt:hoe kleiner de afstandshoek, hoe nauwkeuriger het gereconstrueerde model is. Als proof-of-concept-demonstraties, waarbij alleen de beperkte contouren worden gebruikt om de haalbaarheid van dit schema voor 3D-reconstructie te illustreren, tonen de experimentresultaten aan dat deze techniek faciliterend en nauwkeurig is.

Zonder verlies aan algemeenheid richt de onderzoeksgroep zich op contrastrijke objecten met complexe contourvlakken. Voor sommige contrastrijke objecten met complexe oppervlakken is de 3D-reconstructiemethode door objecten te roteren niet langer toepasbaar. Daarom stelde deze groep een andere 3D-reconstructiemethode voor door objecten in plakjes te snijden. Als we als voorbeeld een bol in figuur 3(a) nemen, worden objecten met kleine intervallen in plakjes gesneden en kunnen meerdere contourresultaten van het object op verschillende projectievlakken worden vastgelegd door een CCD-camera, zoals weergegeven in figuur 3(b).

Ten slotte kan het 3D experimentele reconstructiemodel van het contrastrijke object worden gereconstrueerd door de volledige contourinformatie te herschikken en te combineren [Fig. 3(c)]. Theoretisch gezien geldt:hoe hoger de precisie van het slicing-proces, hoe nauwkeuriger het gereconstrueerde 3D-model zal zijn. Als proof-of-concept-demonstratie zijn enkele eenvoudige geometrieën met verschillende kenmerken, zoals groef, landing en naaf, gebruikt om dit experiment in Fig. 3(d1)–3(f1).

Door deze drie objecten in plakjes te snijden om hun contourinformatie op verschillende vlakken te verkrijgen, deze contourinformatie te herschikken en te combineren, en uiteindelijk het experimentele 3D-reconstructiemodel erover te verkrijgen in Fig. 3(d2)–3(f2). Of het nu gaat om een ​​groef met een inkeping aan de binnenkant, een verhoogde nok aan de buitenkant of een afgeschuinde landing, de vormen en afmetingen van experimentele 3D-reconstructiemodellen komen goed overeen met de originele objecten. Deze methode heeft potentiële toepassing voor de 3D-reconstructie van objecten met complexe oppervlakken of interne structuren.

Door de toepassing van een volledig optisch analoog computersysteem, gebaseerd op een optisch computermetasurface, te onderzoeken, worden een optische objectidentificatie en 3D-reconstructietechniek voor objecten met hoog en laag contrast voorgesteld en gerealiseerd. Dit werk zal naar verwachting worden toegepast op zaadscreening, detectie van oppervlaktetopografie en kwantitatieve microscopische 3D-reconstructie. Dit onderzoek zal een unieke richting bieden voor beeldverwerking en industriële detectie.

Meer informatie: Dingyu Xu et al., Volledig optische objectidentificatie en driedimensionale reconstructie op basis van optisch computermetasurface, Opto-elektronische vooruitgang (2023). DOI:10.29026/oea.2023.230120

Aangeboden door Compuscript Ltd