Πλήρως οπτική, τρισδιάστατη αναγνώριση αντικειμένων

By | January 5, 2024

εικόνα:

Σχηματική απεικόνιση του συστήματος αναγνώρισης αντικειμένου και πλήρως οπτικής 3D ανακατασκευής. (α) Μια εικόνα επιφάνειας περιγράμματος του αντικειμένου μπορεί να ληφθεί σε μία μόνο επεξεργασία του συστήματος. (β) Αντικείμενα υψηλής αντίθεσης και αντικείμενα χαμηλής αντίθεσης μπορούν να ανακατασκευαστούν από αυτό το εξ ολοκλήρου οπτικό υπολογιστικό σύστημα μετα-επιφάνειας.

βλέπω περισσότερο

Πίστωση: ΟΑΣ

Μια νέα δημοσίευση του Οπτικο-ηλεκτρονικές εξελίξεις10.29026/oea.2023.230120 συζητήστε την ταυτοποίηση αντικειμένων και την τρισδιάστατη ανακατασκευή με βάση την οπτική υπολογιστική μεταεπιφάνεια.

Καθώς οι τεχνικές αναγνώρισης αντικειμένων και τρισδιάστατης (3D) ανακατασκευής γίνονται απαραίτητες σε διάφορους τομείς της αντίστροφης μηχανικής, της τεχνητής νοημοσύνης, της ιατρικής διάγνωσης και της βιομηχανικής παραγωγής, γίνεται όλο και μεγαλύτερη εστίαση στην εύρεση εξαιρετικά αποτελεσματικών, ταχύτερων και πιο ολοκληρωμένων μεθόδων που μπορούν να απλοποιήσουν τη θεραπεία. Στο τρέχον πεδίο της αναγνώρισης αντικειμένων και της τρισδιάστατης ανακατασκευής, η εξαγωγή πληροφοριών περιγράμματος δειγμάτων πραγματοποιείται κυρίως από διάφορους αλγόριθμους υπολογιστών. Οι παραδοσιακοί επεξεργαστές υπολογιστών υποφέρουν από πολλαπλούς περιορισμούς, όπως υψηλή κατανάλωση ενέργειας, λειτουργία χαμηλής ταχύτητας και πολύπλοκους αλγόριθμους. Από αυτή την άποψη, έχει δοθεί πρόσφατα αυξανόμενη προσοχή στην αναζήτηση εναλλακτικών οπτικών μεθόδων για την εφαρμογή αυτών των τεχνικών. Η ανάπτυξη των οπτικών υπολογιστών και της θεωρίας επεξεργασίας εικόνας έχει προσφέρει μια πιο ολοκληρωμένη θεωρητική βάση για τεχνικές αναγνώρισης αντικειμένων και τρισδιάστατης ανακατασκευής. Οι οπτικές μέθοδοι έχουν λάβει μεγαλύτερη προσοχή ως εναλλακτικό παράδειγμα από τους παραδοσιακούς μηχανισμούς τα τελευταία χρόνια λόγω των τεράστιων πλεονεκτημάτων τους στην εξαιρετικά γρήγορη ταχύτητα λειτουργίας, την υψηλή ενσωμάτωση και τη χαμηλή καθυστέρηση. Ως δισδιάστατες νανοδομές σχεδιασμένες σε κλίμακες υπομήκους κύματος, οι μεταεπιφάνειες έχουν δείξει αξιοσημείωτες ικανότητες σε επαναστατικές εξελίξεις στην οπτική, οι οποίες μπορούν να απλοποιήσουν αποτελεσματικά και να ενσωματώσουν σε βάθος το αποτύπωμα των οπτικών συστημάτων. Σε πρακτικές εφαρμογές, οι μεταεπιφάνειες έχουν δείξει την ικανότητα να χειρίζονται αποτελεσματικά πολλαπλές παραμέτρους φωτός. Ως αποτέλεσμα, οι μεταεπιφάνειες χρησιμοποιούνται σε πολλά πιθανά πεδία, όπως ο αναλογικός οπτικός υπολογιστής, η οπτική κρυπτογραφία, ο σχεδιασμός οπτικών συσκευών, ο χειρισμός σήματος, η μικροσκοπική απεικόνιση, η οπτική απεικόνιση και η νανοζωγραφική.

Ως δισδιάστατο τεχνητό εξάρτημα, η οπτική υπολογιστική μετα-επιφάνεια έδειξε τον υπερφυσικό χαρακτήρα του ελέγχου της κατανομής φάσης, πλάτους, πόλωσης και συχνότητας της φωτεινής δέσμης, ικανή να εκτελεί μαθηματικές πράξεις στο φωτεινό πεδίο εισόδου. Πρόσφατα, η ερευνητική ομάδα του καθηγητή Hailu Luo από τη Σχολή Φυσικής και Ηλεκτρονικής του Πανεπιστημίου Χουνάν στην Κίνα πρότεινε μια πλήρως οπτική τεχνική αναγνώρισης αντικειμένων και 3D ανακατασκευής βασισμένη σε οπτικές μεταεπιφάνειες υπολογιστών. Σε αντίθεση με τους παραδοσιακούς μηχανισμούς, αυτό το σχήμα μειώνει την κατανάλωση μνήμης κατά την επεξεργασία της εξαγωγής επιφάνειας περιγράμματος. Η αναγνώριση και η ανακατασκευή των πειραματικών αποτελεσμάτων από αντικείμενα υψηλής και χαμηλής αντίθεσης συμφωνούν καλά με τα πραγματικά αντικείμενα. Η εξερεύνηση πλήρως οπτικής αναγνώρισης αντικειμένων και τεχνικών τρισδιάστατης ανακατασκευής προσφέρει πιθανές εφαρμογές για συμπαγή, υψηλής απόδοσης και χαμηλής κατανάλωσης συστήματα.

Οι συγγραφείς αυτής της εργασίας προτείνουν μια πλήρως οπτική τεχνική αναγνώρισης αντικειμένων και τρισδιάστατης ανακατασκευής που βασίζεται σε μια οπτική υπολογιστική μετα-επιφάνεια. Με το σχεδιασμό και την κατασκευή μιας οπτικής υπολογιστικής μεταεπιφάνειας, επιτυγχάνεται πλήρης οπτική αναγνώριση αντικειμένων και τρισδιάστατη ανακατασκευή αντικειμένων υψηλής και χαμηλής αντίθεσης. Διαφορετικά από την προηγούμενη έρευνα στην τρισδιάστατη απεικόνιση που βασίζεται σε μεταεπιφάνειες, αυτή η μέθοδος βασίζεται σε οπτικό αναλογικό υπολογισμό για τη λήψη των πληροφοριών περιγράμματος των αντικειμένων και μπορεί να πραγματοποιήσει αναγνώριση αντικειμένων και τρισδιάστατη ανακατασκευή αντικειμένων με υψηλή αντίθεση και χαμηλή, η οποία μπορεί να προσφέρει μια μοναδική εφαρμογή της μετα-επιφάνειας. βασισμένος οπτικός αναλογικός υπολογισμός. Η αρχή του συστήματος αναγνώρισης αντικειμένων απεικονίζεται σχηματικά στο Σχήμα 1(α). Όταν το παρατηρούμενο αντικείμενο προστεθεί στο σύστημα, το σύστημα μπορεί να εξάγει τις πληροφορίες περιγράμματος για το αντικείμενο μέσω της μεθόδου εξ ολοκλήρου οπτικής. Η ικανότητα αναγνώρισης αντικειμένων αυτού του συστήματος μπορεί επίσης να επεκταθεί στην τεχνολογία πλήρως οπτικής 3D ανακατασκευής. Με τον ανασυνδυασμό διαφορετικών εικόνων προβολής του παρατηρούμενου αντικειμένου, μπορεί να ληφθεί ένα τρισδιάστατο μοντέλο του παρατηρούμενου αντικειμένου, είτε πρόκειται για αντικείμενο υψηλής αντίθεσης είτε για αντικείμενο χαμηλής αντίθεσης. [Fig. 1(b)]. Θεωρητικά μιλώντας, η τρισδιάστατη επιφάνεια περιγράμματος ενός αντικειμένου υψηλής αντίθεσης μπορεί να θεωρηθεί ως μια υπέρθεση άπειρων δισδιάστατων περιγραμμάτων. Επομένως, για αντικείμενα υψηλής αντίθεσης, προτείνεται η μέθοδος περιστροφής και η μέθοδος slice για να επιτευχθεί τρισδιάστατη ανακατασκευή. Για αντικείμενα χαμηλής αντίθεσης, το τρισδιάστατο μοντέλο ανακατασκευής μπορεί να αποκτηθεί σπάζοντας την τεχνική κατάστασης ορθογωνικής πόλωσης.

Για να επιβεβαιωθεί η σκοπιμότητα της τρισδιάστατης ανακατασκευής στο παραπάνω διάγραμμα, λαμβάνεται μια σφαίρα στο Σχ. 2(α) ως παράδειγμα. Περιστρέφοντας το αντικείμενο σε ίσα διαστήματα στο οπτικό σύστημα, μπορούν να καταγραφούν πολλαπλά αποτελέσματα περιγράμματος του αντικειμένου σε διαφορετικά επίπεδα προβολής από την κάμερα CCD, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2(β). Τέλος, το πειραματικό τρισδιάστατο μοντέλο ανακατασκευής του αντικειμένου υψηλής αντίθεσης μπορεί να ανακατασκευαστεί με αναδιάταξη και συνδυασμό όλων των πληροφοριών περιγράμματος. [Fig. 2(c)]. Στα Σχ. 3(d)-3(e), σπόροι κόλιανδρου, μοντέλο μανιταριού και μοντέλο γλειφιτζούρι χρησιμοποιήθηκαν για την επίδειξη αυτής της ανακατασκευασμένης διαδικασίας. Θεωρητικά μιλώντας, όσο μικρότερη είναι η γωνία απόστασης, τόσο πιο ακριβές είναι το ανακατασκευασμένο μοντέλο. Ως απόδειξη της ιδέας, χρησιμοποιώντας μόνο τα περιορισμένα περιγράμματα για την απεικόνιση της σκοπιμότητας αυτού του σχεδίου 3D ανακατασκευής, τα αποτελέσματα του πειράματος δείχνουν ότι αυτή η τεχνική είναι διευκολυντική και ακριβής.

Χωρίς απώλεια γενικότητας, η ερευνητική ομάδα εστιάζει σε αντικείμενα υψηλής αντίθεσης με πολύπλοκες επιφάνειες περιγράμματος. Για ορισμένα αντικείμενα με υψηλή αντίθεση και πολύπλοκες επιφάνειες, η μέθοδος 3D ανακατασκευής με περιστρεφόμενα αντικείμενα δεν ισχύει πλέον. Αυτή η ομάδα λοιπόν πρότεινε μια άλλη μέθοδο τρισδιάστατης ανακατασκευής κόβοντας αντικείμενα. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα μια σφαίρα στο Σχήμα 3(α), τα αντικείμενα κόβονται σε μικρά διαστήματα και πολλαπλά αποτελέσματα περιγράμματος του αντικειμένου σε διαφορετικά επίπεδα προβολής μπορούν να καταγραφούν από μια κάμερα CCD, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3 (β). Τέλος, το πειραματικό τρισδιάστατο μοντέλο ανακατασκευής του αντικειμένου υψηλής αντίθεσης μπορεί να ανακατασκευαστεί με αναδιάταξη και συνδυασμό όλων των πληροφοριών περιγράμματος. [Fig. 3(c)]. Θεωρητικά, όσο μεγαλύτερη είναι η ακρίβεια της διαδικασίας κοπής, τόσο πιο ακριβές θα είναι το ανακατασκευασμένο τρισδιάστατο μοντέλο. Ως επίδειξη απόδειξης της ιδέας, μερικές απλές γεωμετρίες με διακριτά χαρακτηριστικά, όπως αυλάκι, προσγείωση και αφεντικό, χρησιμοποιήθηκαν για την επαλήθευση αυτού του πειράματος στα Σχ. 3(d1)-3(f1). Τεμαχίζοντας αυτά τα τρία αντικείμενα για να λάβετε τις πληροφορίες περιγράμματος τους σε διαφορετικά επίπεδα, αναδιατάσσοντας και συνδυάζοντας αυτές τις πληροφορίες περιγράμματος και τελικά αποκτώντας το πειραματικό τρισδιάστατο μοντέλο ανακατασκευής για αυτά στα Σχ. 3(d2)-3(f2). Είτε πρόκειται για μια αυλάκωση με εγκοπή στο εσωτερικό, μια υπερυψωμένη κεφαλή στο εξωτερικό ή ένα λοξότμητο ρουλεμάν, τα σχήματα και τα μεγέθη των πειραματικών μοντέλων τρισδιάστατης ανακατασκευής συμφωνούν καλά με τα αρχικά αντικείμενα. Αυτή η μέθοδος έχει πιθανή εφαρμογή για τρισδιάστατη ανακατασκευή αντικειμένων με πολύπλοκες επιφάνειες ή εσωτερικές δομές.

Με τη διερεύνηση της εφαρμογής ενός πλήρως οπτικού αναλογικού υπολογιστικού συστήματος που βασίζεται σε μια οπτική υπολογιστική μετα-επιφάνεια, προτείνεται και υλοποιείται μια τεχνική για την αναγνώριση οπτικών αντικειμένων και την τρισδιάστατη ανακατασκευή για αντικείμενα υψηλής και χαμηλής αντίθεσης. Αυτή η εργασία αναμένεται να εφαρμοστεί σε διαλογή σπόρων, ανίχνευση τοπογραφίας επιφάνειας και ποσοτική τρισδιάστατη μικροσκοπική ανακατασκευή. Αυτή η έρευνα θα προσφέρει μια μοναδική κατεύθυνση για την επεξεργασία εικόνας και τη βιομηχανική αίσθηση.

Λέξεις-κλειδιά: αναγνώριση αντικειμένου / τρισδιάστατη ανακατασκευή / οπτική υπολογιστική μεταεπιφάνεια

######

Ο Hailu Luo έλαβε το διδακτορικό του στη θεωρητική φυσική από το Πανεπιστήμιο Nanjing, Nanjing, Κίνα, το 2007. Το 2007, εντάχθηκε στο Πανεπιστήμιο Hunan ως επίκουρος καθηγητής και προήχθη σε καθηγητή το 2016. Ίδρυσε το εργαστήριο φωτονικής σπιν το 2009. και σήμερα ηγείται της ομάδας spin photonics. Τα τρέχοντα ερευνητικά του ενδιαφέροντα περιλαμβάνουν τη θεμελιώδη θεωρία της φωτονικής του σπιν, τον αναλογικό οπτικό υπολογιστή, την εξ ολοκλήρου οπτική επεξεργασία εικόνας, την κβαντική μέτρηση και την κβαντική απεικόνιση. Η ερευνητική ομάδα έχει δημοσιεύσει περισσότερα από 100 άρθρα με κριτές σχετικά με τη φωτονική σπιν στο Physical Review Letters, National Science Review, PNAS, Science Advances, Light: Science & Applications, Reports on Progress in Physics, Opto-Electronic Advances και Opto-Electronic Science . Τα άρθρα έχουν αναφερθεί περισσότερες από 8.000 φορές και έχουν βαθμολογία H-index 47 (Google Scholar). Επιλέχθηκε μεταξύ των Κινέζων ερευνητών με τις περισσότερες αναφορές στο Elsevier (2020-2022).

######

Οπτικο-ηλεκτρονικές εξελίξεις Το (OEA) είναι ένα μηνιαίο περιοδικό SCI υψηλής απήχησης, ανοιχτής πρόσβασης, με κριτές από ομοτίμους, με συντελεστή αντίκτυπου 8.933 (Journal Citation Reports για το IF2021). Από την έναρξή του τον Μάρτιο του 2018, ο OAS έχει ευρετηριαστεί στις βάσεις δεδομένων SCI, EI, DOAJ, Scopus, CA και ICI με την πάροδο του χρόνου και έχει επεκτείνει τη συντακτική του επιτροπή σε 36 μέλη από 17 χώρες και περιοχές (μέσος δείκτης h 49).

Το περιοδικό δημοσιεύεται από το Ινστιτούτο Οπτικής και Ηλεκτρονικής της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, με στόχο να παρέχει μια πλατφόρμα σε ερευνητές, ακαδημαϊκούς, επαγγελματίες, επαγγελματίες και φοιτητές για μετάδοση και ανταλλαγή γνώσεων με τη μορφή εμπειρικών και θεωρητικών ερευνητικών άρθρων υψηλής ποιότητας. καλύπτοντας τα θέματα της οπτικής, της φωτονικής και της οπτοηλεκτρονικής.

######

Περισσότερες πληροφορίες: http://www.oejournal.org/oea

Συντακτική Επιτροπή: http://www.oejournal.org/oea/editorialboard/list

Όλα τα τεύχη είναι διαθέσιμα στο ηλεκτρονικό αρχείο (http://www.oejournal.org/oea/archive).

Υποβολές σε ΕΟΦ μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας το ScholarOne (https://mc03.manuscriptcentral.com/oea).

ISSN: 2096-4579

NC: 51-1781/ΤΝ

Επικοινωνήστε μαζί μας: oea@ioe.ac.cn

Κελάδημα: @OptoElectronAdv (https://twitter.com/OptoElectronAdv?lang=en)

WeChat: OE_Journal

######

Αναφορά άρθρου: Xu DY, Xu WH, Yang Q, Zhang WS, Wen SC, et al. Πλήρως οπτική αναγνώριση αντικειμένων και τρισδιάστατη ανακατασκευή με βάση την οπτική υπολογιστική μετα-επιφάνεια. Opto-Electron Adv 6, 230120 (2023). doi: 10.29026/oea.2023.230120


Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *