隨著對象識(shí)別和3D重建技術(shù)在各種逆向工程、人工智能、醫(yī)療診斷和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域變得至關(guān)重要，人們越來越關(guān)注尋求效率更高、速度更快、更集成的方法來簡化處理。

在當(dāng)前的目標(biāo)識(shí)別和3D重建領(lǐng)域中，提取樣本輪廓信息主要是通過各種計(jì)算機(jī)算法來完成。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)處理器受到多種限制，如高功耗、低速度運(yùn)行和復(fù)雜的算法。所以，業(yè)內(nèi)越來越關(guān)注尋找替代光學(xué)方法來執(zhí)行相關(guān)技術(shù)。

光學(xué)計(jì)算理論和圖像處理技術(shù)的發(fā)展為對象識(shí)別和3D重建技術(shù)提供了更完備的理論基礎(chǔ)。近年來，光學(xué)方法以其超快的運(yùn)算速度、高集成度和低延遲的巨大優(yōu)勢受到越來越多的關(guān)注。

超表面作為亞波長尺度的二維納米結(jié)構(gòu)在光學(xué)領(lǐng)域的革命性發(fā)展中表現(xiàn)出了顯著的能力，它可以有效地簡化和深度集成光學(xué)系統(tǒng)的足跡。

在實(shí)際應(yīng)用中，超表面已經(jīng)顯示出有效地操縱光的多個(gè)參數(shù)的能力。因此，超表面已開始應(yīng)用于諸多潛在領(lǐng)域，如光學(xué)模擬計(jì)算和光學(xué)成像。

光學(xué)計(jì)算超表面作為一種二維人工設(shè)計(jì)元件具有控制光束相位、振幅、偏振和頻率分布的超常規(guī)特性，能夠?qū)斎牍鈭鲞M(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。

近日，中國湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院羅海陸教授課題組提出了一種基于光學(xué)計(jì)算超表面的全光學(xué)對象識(shí)別與3D重建技術(shù)。

與傳統(tǒng)機(jī)制不同，所述方案減少了輪廓曲面提取過程中的內(nèi)存消耗。他們對全光學(xué)對象識(shí)別和3D重建技術(shù)的探索為高效、低消耗和緊湊的系統(tǒng)提供了潛在的應(yīng)用。

作者主要提出了一種基于光學(xué)計(jì)算超表面的全光學(xué)對象識(shí)別和3D重建技術(shù)。通過設(shè)計(jì)和制作光學(xué)計(jì)算超表面，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了高對比度和低對比度對象的全光學(xué)識(shí)別和3D重建。

與以往基于超表面的3D成像研究不同，團(tuán)隊(duì)提出的方法依靠光學(xué)模擬計(jì)算獲得對象的輪廓信息，可以實(shí)現(xiàn)高對比度和低對比度對象的識(shí)別和3D重建，為基于超表面的光學(xué)模擬計(jì)算提供了獨(dú)特的應(yīng)用。目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)的原理如圖1(a)所示。

當(dāng)觀測到的對象加入到系統(tǒng)中時(shí)，系統(tǒng)可以通過全光學(xué)方法輸出輪廓信息。系統(tǒng)的目標(biāo)識(shí)別能力同時(shí)可擴(kuò)展到全光學(xué)3D重建技術(shù)。通過對被觀測對象的不同投影圖像進(jìn)行重組，可以得到被觀測對象的3D模型，涵蓋高對比度和低對比度的對象圖1(b)。

從理論上講，高對比度對象的3D輪廓曲面可以看作是無限個(gè)2D輪廓的疊加。因此，對于高對比度的對象，團(tuán)隊(duì)提出了旋轉(zhuǎn)方法和切片方法進(jìn)行三維重建。對于低對比度的對象，可以通過打破正交偏振態(tài)技術(shù)獲得3D重建模型。

為了驗(yàn)證上述方案的3D重建可行性，研究人員以圖2(a)中的一個(gè)球體為例。通過在光學(xué)系統(tǒng)中以等間隔旋轉(zhuǎn)對象，CCD相機(jī)可以捕獲對象在不同投影平面上的多個(gè)輪廓結(jié)果，如圖2(b)所示。最后，通過對整個(gè)輪廓信息進(jìn)行重新排列組合，即可重建高對比度目標(biāo)的3D實(shí)驗(yàn)重建模型，見圖2(c)。

在圖3(d) -3 (e)中，團(tuán)隊(duì)使用香菜籽、蘑菇模型和棒棒糖模型來演示這一重建過程。從理論上講，間距角越小，重建模型越精確。作為概念驗(yàn)證，僅用有限的輪廓來說明所述方案用于三維重建的可行性，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這個(gè)技術(shù)是方便的和準(zhǔn)確的。

在不損失一般性的前提下，研究小組將重點(diǎn)放在具有復(fù)雜輪廓表面的高對比度對象身上。對于具有復(fù)雜表面的高對比度對象，旋轉(zhuǎn)物體的三維重建方法已不再適用。所以，課題組提出了另一種基于對象切片的3D重建方法。以圖3(a)中的球體為例，以微小的間隔對物體進(jìn)行切片，CCD相機(jī)可以捕捉到物體在不同投影平面的多個(gè)輪廓結(jié)果，如圖3(b)所示。

最后，通過對整個(gè)輪廓信息進(jìn)行重新排列組合，即可重建高對比度目標(biāo)的3D實(shí)驗(yàn)重建模型，見圖3(c)。理論上，切片過程的精度越高，重建的3D模型就越準(zhǔn)確。作為概念驗(yàn)證演示，圖3(d1) -3 (f1)中使用了具有明顯特征的簡單幾何形狀來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

通過對這三個(gè)對象進(jìn)行切片，可以獲得它們在不同平面的輪廓信息，然后可以將輪廓信息重新排列組合，并最終得到圖3(d2) -3 (f2)所示的3D實(shí)驗(yàn)重建模型。無論是內(nèi)部帶缺口的凹槽，外部凸起的凸臺(tái)，還是斜面著陸，3D實(shí)驗(yàn)重建模型的形狀和大小都與原物體吻合。所述方法對于具有復(fù)雜表面或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的對象三維重建具有潛在的應(yīng)用前景。

總的來說，通過探索基于光學(xué)計(jì)算超表面的全光模擬計(jì)算系統(tǒng)的應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了一種高對比度和低對比度對象的光學(xué)目標(biāo)識(shí)別和3D重建技術(shù)。本研究有望為圖像處理等領(lǐng)域提供獨(dú)特的研究方向。

原文來自https://news.nweon.com/116305