I ricercatori hanno sviluppato una fotocamera che utilizza un sottile array di microlenti e nuovi algoritmi di elaborazione delle immagini per acquisire informazioni 3D sugli oggetti in una scena con una singola esposizione. La fotocamera potrebbe essere utile per una varietà di applicazioni come l'ispezione di parti industriali, il riconoscimento dei gesti e la raccolta di dati per i sistemi di visualizzazione 3D.

"Consideriamo la nostra fotocamera senza obiettivo perché sostituisce gli obiettivi sfusi utilizzati nelle fotocamere convenzionali con una matrice di microlenti sottile e leggera realizzata in polimero flessibile", ha affermato il leader del team di ricerca Weijian Yang dell'Università della California, Davis. "Poiché ogni microlente può osservare oggetti da diversi angoli di visualizzazione, può eseguire complesse attività di imaging come acquisire informazioni 3D da oggetti parzialmente oscurati da oggetti più vicini alla fotocamera."

Nella rivista Optics Express , Yang e il primo autore Feng Tian, ​​uno studente di dottorato nel laboratorio di Yang, descrivono la nuova fotocamera 3D. Poiché la fotocamera apprende dai dati esistenti come ricostruire digitalmente una scena 3D, può produrre immagini 3D in tempo reale.

"Questa telecamera 3D potrebbe essere utilizzata per fornire ai robot una visione 3D, che potrebbe aiutarli a navigare nello spazio 3D o consentire attività complesse come la manipolazione di oggetti fini", ha affermato Yang. "Potrebbe anche essere utilizzato per acquisire informazioni 3D avanzate che potrebbero fornire contenuti per display 3D utilizzati nei giochi, nell'intrattenimento o in molte altre applicazioni".

Una fotocamera che impara

La nuova fotocamera è nata da un lavoro precedente in cui i ricercatori hanno sviluppato un microscopio compatto in grado di visualizzare strutture microscopiche 3D per applicazioni biomediche. "Abbiamo costruito il microscopio utilizzando un array di microlenti e abbiamo pensato che un concetto simile potesse essere applicato per l'imaging di oggetti macroscopici", ha affermato Yang.

I singoli obiettivi della nuova fotocamera consentono di vedere gli oggetti da diverse angolazioni o prospettive, fornendo informazioni sulla profondità. Sebbene altri gruppi di ricerca abbiano sviluppato telecamere basate su array di microlenti a strato singolo, è stato difficile renderle pratiche a causa degli ampi processi di calibrazione e delle lente velocità di ricostruzione.

Per realizzare una fotocamera 3D più pratica per oggetti macroscopici, i ricercatori hanno considerato l'array di microlenti e l'algoritmo di ricostruzione insieme anziché avvicinarsi separatamente. Hanno progettato e fabbricato su misura la matrice di microlenti, che contiene 37 piccole lenti distribuite in uno strato circolare di polimero di appena 12 millimetri di diametro. L'algoritmo di ricostruzione che hanno sviluppato si basa su una rete neurale artificiale altamente efficiente che impara a mappare le informazioni dall'immagine agli oggetti in una scena.

"Molte reti neurali esistenti possono eseguire compiti designati, ma il meccanismo sottostante è difficile da spiegare e comprendere", ha affermato Yang. "La nostra rete neurale si basa su un modello fisico di ricostruzione dell'immagine. Ciò rende il processo di apprendimento molto più semplice e si traduce in ricostruzioni di alta qualità."

Una volta completato il processo di apprendimento, è in grado di ricostruire immagini contenenti oggetti che si trovano a diverse distanze dalla fotocamera ad una velocità molto elevata. La nuova fotocamera non necessita di calibrazione e può essere utilizzata per mappare le posizioni 3D e i profili spaziali, o i contorni, degli oggetti.

Vedere attraverso gli oggetti

Dopo aver eseguito simulazioni numeriche per verificare le prestazioni della fotocamera, i ricercatori hanno eseguito l'imaging 2D che ha mostrato risultati percettivamente piacevoli. Hanno quindi testato la capacità della fotocamera di eseguire l'imaging 3D di oggetti a diverse profondità. La ricostruzione 3D risultante potrebbe essere rifocalizzata a diverse profondità o distanze. La fotocamera ha anche creato una mappa di profondità che concordava con la disposizione effettiva degli oggetti.

"In una dimostrazione finale abbiamo dimostrato che la nostra fotocamera è in grado di visualizzare oggetti dietro gli ostacoli opachi", ha affermato Yang. "Per quanto ne sappiamo, questa è la prima dimostrazione dell'imaging di oggetti dietro ostacoli opachi utilizzando una fotocamera senza obiettivo."

I ricercatori stanno attualmente lavorando per ridurre gli artefatti, o errori, che appaiono nelle ricostruzioni 3D e per migliorare gli algoritmi per ottenere una qualità e una velocità ancora più elevate. Vogliono anche miniaturizzare l'ingombro complessivo del dispositivo in modo che possa adattarsi a un cellulare, il che lo renderebbe più portatile e consentirebbe più applicazioni.

"La nostra fotocamera 3D senza obiettivo utilizza l'imaging computazionale, un approccio emergente che ottimizza congiuntamente l'hardware di imaging e gli algoritmi di ricostruzione degli oggetti per ottenere le attività e la qualità di imaging desiderate", ha affermato Yang. "Con il recente sviluppo di tecniche di produzione micro-ottica avanzate a basso costo, nonché i progressi nell'apprendimento automatico e nelle risorse computazionali, l'imaging computazionale consentirà molti nuovi sistemi di imaging con funzionalità avanzate". + Esplora ulteriormente

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