光学发明反映了人眼的图像处理能力
发布时间：2024-02-14 01:00:04 阅读数： 679
利用超曲面进行几何图像变换的示意图。物体的图像以纳米级空间分辨率投影在亚波长薄的超表面上，然后通过约束方式重新定位像素，将其转换为有意扭曲的图像。光(绿色虚线)在(x, y)平面上以仅振幅透射率f (x, y)从图像的每个像素传输，由具有相位轮廓φ (x, y)到(x, y)平面的超表面引导，形成具有重新分布的强度轮廓g (x, y)的图像。DOI: 10.1038/s41467-023-43981-x
在一个寒冷、阳光明媚的日子里，你开车行驶在一条乡村公路上，周围是白雪覆盖的田野。在瞬间，你的眼睛处理了这个场景，挑选出单独的物体来聚焦——一个停车标志，一个谷仓——而场景的其他部分在外围变得模糊。当你坐在办公桌前的时候，你的大脑会把这些聚焦的和模糊的图像储存起来作为记忆，然后在你的脑海中描绘出来。
宾夕法尼亚州立大学电子工程研究人员模仿人眼这种简单、即时的图像处理能力，创造了一种超表面:一种类似于玻片的光学元件，利用放置在不同角度的微小纳米结构来控制光线。在通讯作者、宾夕法尼亚州立大学电子工程与计算机科学(EECS)副教授倪兴杰的带领下，该团队在《自然通讯》上发表了他们的发明。
研究人员表示，人工智能(AI)系统需要强大的计算能力和能量，处理图像和识别物体的速度可能很慢。相比之下，超表面可以用于预处理和转换图像，然后再被相机捕获，允许计算机和人工智能以最小的功率和数据带宽处理它们。metassurface的工作原理是将图像从笛卡尔坐标系(图像像素沿x轴和y轴排成直线和列)转换为对数极坐标系(使用类似靶心的像素分布)?！熬拖袢搜勰诓康墓飧惺芷鞯呐帕幸谎?，超表面拍摄图像并将它们排列在对数极坐标系统中——中心聚焦特征的像素更密集，外围区域的像素更稀疏，”Ni说?！罢饪梢匀谜掌懈匾牟糠智逦叵允境隼矗渌糠衷虿荒敲辞逦?，从而节省了数据带宽?！?/p>
超表面被放置在照相机前面，这样光线首先通过它，然后将图像从笛卡尔坐标系转换成对数极坐标，然后由照相机将其数字化并传输到计算机。由于它的工作原理是使用纳米结构来弯曲光，所以超表面不需要任何能量，并且以光速工作?！坝捎谖锾宓耐枷窨梢栽诖笮』蚍较蛏媳浠?，因此需要对图像进行预处理，使其能够抵抗缩放和旋转变化，”倪说?！罢庵衷ご碛兄谌斯ぶ悄苡τ贸绦蚋菀椎亟鞘侗鹞嗤亩韵?。”
通过在相机前放置不同的超表面，研究人员还可以将对数极图像转换回具有笛卡尔坐标的原始图像。研究人员说，这项发明有许多潜在的应用，包括用于目标跟踪和监视，例如绘制汽车如何在城市中移动。“metasursurface可以与人工智能系统协同使用，作为预处理器，使其更容易从多个街景摄像头中识别出同一辆车，”倪说?！盎蛘?，如果应用于卫星，它可能会跟踪飞机从起飞到降落。”
