In una giornata fredda e soleggiata, stai guidando su una strada di campagna, circondata da campi innevati. In un istante, i tuoi occhi elaborano la scena, individuando singoli oggetti su cui concentrarsi - un segnale di stop, un fienile - mentre il resto della scena si confonde ai margini. Il tuo cervello memorizza le immagini focalizzate e sfocate come un ricordo che puoi visualizzare nella tua mente in seguito, mentre sei seduto alla scrivania.
Imitando questa capacità di elaborazione delle immagini semplice e istantanea dell'occhio umano, i ricercatori di ingegneria elettrica della Penn State hanno creato una metasuperficie:un elemento ottico simile a un vetrino che utilizza minuscole nanostrutture posizionate ad angoli diversi per controllare la luce. Guidato dall'autore corrispondente Xingjie Ni, professore associato di ingegneria elettrica e informatica (EECS) alla Penn State, il team ha pubblicato la sua invenzione su Nature Communications .
Secondo i ricercatori, i sistemi di intelligenza artificiale (AI) richiedono una notevole potenza di calcolo ed energia e possono essere lenti nell’elaborare le immagini e nell’identificare gli oggetti. Al contrario, la metasuperficie può essere utilizzata per preelaborare e trasformare le immagini prima che vengano catturate da una fotocamera, consentendo a un computer e all'intelligenza artificiale di elaborarle con una potenza e una larghezza di banda dati minime.
La metasuperficie funziona convertendo un'immagine dal sistema di coordinate cartesiane, in cui i pixel dell'immagine sono disposti in righe e colonne diritte lungo gli assi xey, al sistema log-polare, che utilizza una distribuzione dei pixel simile a un occhio di bue.
"Come la disposizione dei recettori della luce all'interno dell'occhio umano, la metasuperficie prende immagini e le dispone in un sistema di coordinate log-polari, con pixel più densi per le caratteristiche centrali e focalizzate e pixel più radi per le regioni periferiche", ha detto Ni. "Ciò consente di evidenziare chiaramente gli aspetti più importanti di una foto mentre gli altri rimangono meno a fuoco, risparmiando così larghezza di banda dei dati."
La metasuperficie viene posta davanti a una telecamera in modo che la luce la attraversi prima e trasformi l'immagine dal sistema cartesiano in coordinate log-polari prima di essere digitalizzata da una telecamera e trasferita a un computer. Poiché funziona utilizzando nanostrutture che piegano la luce, la metasuperficie non necessita di energia e funziona alla velocità della luce.
"Poiché l'immagine di un oggetto può variare in dimensioni o orientamento, è auspicabile preelaborare le immagini per renderle resistenti ai cambiamenti di scala e rotazione", ha affermato Ni. "Questa preelaborazione aiuta le applicazioni AI a riconoscerli più facilmente come lo stesso oggetto."
Posizionando una metasuperficie diversa davanti a una telecamera, i ricercatori possono anche trasformare l'immagine log-polare nell'immagine originale con coordinate cartesiane.
L'invenzione ha molte potenziali applicazioni, hanno affermato i ricercatori, incluso l'uso nel monitoraggio e nella sorveglianza degli obiettivi per mappare il modo in cui un'auto, ad esempio, si muove in una città.
"Una metasuperficie può essere utilizzata insieme ai sistemi di intelligenza artificiale come preprocessore, rendendo più semplice il riconoscimento della stessa auto da più telecamere stradali", ha affermato Ni. "Oppure, se applicato a un satellite, potrebbe potenzialmente tracciare gli aerei dal decollo all'atterraggio."
Ulteriori informazioni: Xingwang Zhang et al, Trasformazioni di immagini geometriche completamente ottiche consentite da metasuperfici ultrasottili, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43981-x
Fornito dalla Pennsylvania State University
