AMOLF-forskare och deras medarbetare från Advanced Science Research Center (ASRC/CUNY) i New York har skapat en nanostrukturerad yta som kan utföra matematiska operationer på en ingångsbild. Denna upptäckt kan öka hastigheten på befintliga bildbehandlingstekniker och minska energianvändningen. Arbetet möjliggör ultrasnabb objektdetektering och augmented reality-applikationer. Forskarna publicerar sina resultat i dag i tidskriften Nanobokstäver .

Bildbehandling är kärnan i flera snabbt växande teknologier, som förstärkt verklighet, autonom körning och mer allmän objektigenkänning. Men hur hittar och känner en dator igen ett föremål? Det första steget är att förstå var dess gränser går, därför blir kantdetektering i en bild utgångspunkten för bildigenkänning. Kantdetektering utförs vanligtvis digitalt med hjälp av integrerade elektroniska kretsar som innebär grundläggande hastighetsbegränsningar och hög energiförbrukning, eller på ett analogt sätt som kräver skrymmande optik.

Nanostrukturerad metayta

I ett helt nytt synsätt, AMOLF Ph.D. studenten Andrea Cordaro och hans medarbetare skapade en speciell "metayta, " ett transparent substrat med en specialdesignad uppsättning av kiselnanobarer. När en bild projiceras på metaytan, det genomsläppta ljuset bildar en ny bild som visar kanterna på originalet. Effektivt, metaytan utför en matematisk derivatoperation på bilden, vilket ger en direkt sond av kanter i bilden. I ett första experiment, en bild av AMOLF-logotypen projicerades på metaytan. Vid en specialdesignad våglängd (726 nm), en tydlig bild av kanterna observeras. Den matematiska transformationen är ett resultat av det faktum att varje rumslig frekvens som komponerar bilden har en skräddarsydd transmissionskoefficient genom metaytan. Denna skräddarsydda transmission är resultatet av en komplex interferens av ljus när det fortplantar sig genom metaytan.

Kantdetektering

För att demonstrera kantdetektering experimentellt på en bild skapade forskarna en miniatyrversion av målningen Meisje met de parel (Flicka med ett pärlörhänge, J. Vermeer) genom att trycka små kromprickar på ett transparent substrat. Om bilden projiceras på metaytan med off-resonant belysning (λ=750 nm) känns originalbilden tydligt igen. I kontrast, om belysningen har rätt färg (λ=726 nm) är kanterna tydligt upplösta i den transformerade bilden.

Den här nya optiska beräknings- och bildbehandlingstekniken fungerar med ljusets hastighet och den matematiska operationen i sig förbrukar ingen energi eftersom den endast involverar passiva optiska komponenter. Metaytan kan enkelt implementeras genom att placera den direkt på ett standard CCD- eller CMOS-detektorchip, öppnar nya möjligheter inom hybrid optisk och elektronisk datoranvändning som fungerar till låg kostnad, låg effekt, och små dimensioner.