Alors que les techniques d'identification d'objets et de reconstruction tridimensionnelle (3D) deviennent essentielles dans divers domaines de l'ingénierie inverse, de l'intelligence artificielle, du diagnostic médical et de la production industrielle, on se concentre de plus en plus sur la recherche de méthodes extrêmement efficaces, plus rapides et plus intégrées qui peuvent simplifier traitement.
Dans le domaine actuel de l’identification d’objets et de la reconstruction 3D, l’extraction d’informations sur les contours des échantillons est principalement réalisée par divers algorithmes informatiques. Les processeurs informatiques traditionnels souffrent de multiples contraintes, telles qu'une consommation d'énergie élevée, un fonctionnement à faible vitesse et des algorithmes complexes. À cet égard, une attention croissante a récemment été portée à la recherche de méthodes optiques alternatives pour mettre en œuvre ces techniques.
Le développement de la théorie du calcul optique et du traitement d’images a fourni une base théorique plus complète pour les techniques d’identification d’objets et de reconstruction 3D. Les méthodes optiques ont reçu plus d'attention en tant que paradigme alternatif que les mécanismes traditionnels ces dernières années en raison de leurs énormes avantages en termes de vitesse de fonctionnement ultra-rapide, d'intégration élevée et de faible latence.
En tant que nanostructures bidimensionnelles conçues à des échelles sub-longueur d'onde, les métasurfaces ont montré des capacités remarquables dans les développements révolutionnaires de l'optique, qui peuvent efficacement simplifier et intégrer profondément l'empreinte des systèmes optiques.
Dans des applications pratiques, les métasurfaces ont montré leur capacité à manipuler efficacement plusieurs paramètres de la lumière. En conséquence, les métasurfaces sont utilisées dans de nombreux domaines potentiels, tels que l'informatique optique analogique, la cryptographie optique, la conception de dispositifs optiques, la manipulation de signaux, l'imagerie microscopique, l'imagerie optique et la nano-peinture.
En tant que composant artificiel bidimensionnel, la métasurface de calcul optique a montré le caractère supranormal de contrôle des distributions de phase, d'amplitude, de polarisation et de fréquence du faisceau lumineux, capable d'effectuer des opérations mathématiques sur le champ lumineux d'entrée.
Récemment, le groupe de recherche du professeur Hailu Luo de l'École de physique et d'électronique de l'Université du Hunan en Chine a proposé une technique d'identification d'objets entièrement optique et de reconstruction 3D basée sur des métasurfaces informatiques optiques. Contrairement aux mécanismes traditionnels, ce schéma réduit la consommation de mémoire lors du traitement de l'extraction de la surface du contour. L'identification et la reconstruction de résultats expérimentaux à partir d'objets à contraste élevé et faible concordent bien avec les objets réels. L'exploration des techniques d'identification d'objets entièrement optiques et de reconstruction 3D offre des applications potentielles de systèmes compacts à haut rendement, à faible consommation.
Les auteurs de l'article, publié dans Opto-Electronic Advances , proposent une technique d'identification d'objets entièrement optique et de reconstruction 3D basée sur une métasurface informatique optique. En concevant et en fabriquant une métasurface informatique optique, l'identification d'objets entièrement optiques et la reconstruction 3D d'objets à contraste élevé et faible sont réalisées.
Différente des recherches précédentes en imagerie 3D basées sur les métasurfaces, cette méthode s'appuie sur le calcul optique analogique pour obtenir les informations de contour des objets et peut réaliser l'identification d'objets et la reconstruction 3D d'objets à contraste élevé et faible, ce qui peut fournir une application unique du calcul analogique optique basé sur les métasurfaces. Le principe du système d'identification d'objet est illustré schématiquement sur la figure 1(a).
Lorsque l'objet observé est ajouté au système, le système peut émettre les informations de contour concernant l'objet au moyen du procédé entièrement optique. La capacité d'identification d'objets de ce système peut également être étendue à la technologie de reconstruction 3D entièrement optique. En recombinant différentes images de projection de l'objet observé, un modèle 3D de l'objet observé peut être obtenu, qu'il s'agisse d'un objet à fort contraste ou d'un objet à faible contraste [Fig. 1(b)].
Théoriquement parlant, la surface de contour 3D d'un objet très contrasté peut être considérée comme une superposition de contours bidimensionnels infinis. Par conséquent, pour les objets très contrastés, la méthode de rotation et la méthode de tranche sont proposées pour obtenir une reconstruction 3D. Pour les objets à faible contraste, le modèle de reconstruction 3D peut être acquis en rompant la technique de l'état de polarisation orthogonale.
Pour confirmer la faisabilité de la reconstruction 3D dans le schéma ci-dessus, une sphère est prise sur la figure 2 (a) à titre d'exemple. En faisant tourner l'objet à intervalles égaux dans le système optique, plusieurs résultats de contour de l'objet sur différents plans de projection peuvent être capturés par la caméra CCD, comme le montre la figure 2 (b). Enfin, le modèle de reconstruction expérimental 3D de l'objet à contraste élevé peut être reconstruit en réorganisant et en combinant toutes les informations de contour [Fig. 2(c)].
Dans les Fig. 3 (d) – 3 (e), des graines de coriandre, un modèle de champignon et un modèle de sucette ont été utilisés pour démontrer ce processus reconstruit. Théoriquement parlant, plus l’angle d’espacement est petit, plus le modèle reconstruit est précis. En guise de démonstration de faisabilité, utilisant uniquement les contours limités pour illustrer la faisabilité de ce schéma de reconstruction 3D, les résultats de l'expérience démontrent que cette technique est facilitante et précise.
Sans perte de généralité, le groupe de recherche se concentre sur des objets très contrastés aux surfaces de contours complexes. Pour certains objets très contrastés et aux surfaces complexes, la méthode de reconstruction 3D par rotation des objets n'est plus applicable. Ce groupe a donc proposé une autre méthode de reconstruction 3D en découpant des objets. En prenant une sphère sur la figure 3 (a) comme exemple, les objets sont découpés à de petits intervalles et plusieurs résultats de contour de l'objet sur différents plans de projection peuvent être capturés par une caméra CCD, comme le montre la figure 3 (b).
Enfin, le modèle de reconstruction expérimental 3D de l'objet à contraste élevé peut être reconstruit en réorganisant et en combinant toutes les informations de contour [Fig. 3(c)]. Théoriquement, plus la précision du processus de découpage est élevée, plus le modèle 3D reconstruit sera précis. À titre de démonstration de validation de principe, certaines géométries simples présentant des caractéristiques distinctes, telles que la rainure, l'atterrissage et le bossage, ont été utilisées pour vérifier cette expérience dans les Fig. 3(d1)–3(f1).
En découpant ces trois objets pour obtenir leurs informations de contour sur différents plans, en réorganisant et en combinant ces informations de contour, et enfin en obtenant le modèle de reconstruction expérimental 3D les concernant dans les Figs. 3(d2)–3(f2). Qu'il s'agisse d'une rainure avec une encoche à l'intérieur, d'un bossage surélevé à l'extérieur ou d'un palier biseauté, les formes et les tailles des modèles expérimentaux de reconstruction 3D sont en bon accord avec les objets originaux. Cette méthode a une application potentielle pour la reconstruction 3D d'objets avec des surfaces ou des structures internes complexes.
En explorant l'application d'un système informatique analogique entièrement optique basé sur une métasurface informatique optique, une technique d'identification optique d'objets et de reconstruction 3D pour des objets à contraste élevé et faible est proposée et réalisée. Ce travail devrait être appliqué au criblage de graines, à la détection de topographie de surface et à la reconstruction microscopique quantitative en 3D. Cette recherche fournira une direction unique pour le traitement d'images et la détection industrielle.
Plus d'informations : Dingyu Xu et al, Identification d'objets entièrement optiques et reconstruction tridimensionnelle basée sur une métasurface informatique optique, Opto-Electronic Advances (2023). DOI :10.29026/oea.2023.230120
Fourni par Compuscript Ltd
