Pesquisadores desenvolveram uma câmera que usa uma matriz de microlentes fina e novos algoritmos de processamento de imagem para capturar informações 3D sobre objetos em uma cena com uma única exposição. A câmera pode ser útil para uma variedade de aplicações, como inspeção de peças industriais, reconhecimento de gestos e coleta de dados para sistemas de exibição 3D.
"Consideramos nossa câmera sem lente porque ela substitui as lentes usadas em câmeras convencionais por um conjunto de microlentes fino e leve feito de polímero flexível", disse o líder da equipe de pesquisa Weijian Yang, da Universidade da Califórnia, Davis. “Como cada microlente pode observar objetos de diferentes ângulos de visão, ela pode realizar tarefas complexas de imagem, como adquirir informações 3D de objetos parcialmente obscurecidos por objetos mais próximos da câmera”.

Na revista Optics Express , Yang e o primeiro autor Feng Tian, ​​estudante de doutorado no laboratório de Yang, descrevem a nova câmera 3D. Como a câmera aprende com os dados existentes como reconstruir digitalmente uma cena 3D, ela pode produzir imagens 3D em tempo real.

“Esta câmera 3D pode ser usada para dar visão 3D aos robôs, o que pode ajudá-los a navegar no espaço 3D ou permitir tarefas complexas, como manipulação de objetos finos”, disse Yang. "Ele também pode ser usado para adquirir informações 3D ricas que podem fornecer conteúdo para telas 3D usadas em jogos, entretenimento ou muitas outras aplicações."

Uma câmera que aprende

A nova câmera surgiu de trabalhos anteriores em que os pesquisadores desenvolveram um microscópio compacto que pode criar imagens de estruturas microscópicas 3D para aplicações biomédicas. "Construímos o microscópio usando uma matriz de microlentes e pensamos que um conceito semelhante poderia ser aplicado para imagens de objetos macroscópicos", disse Yang.

As lentes individuais da nova câmera permitem ver objetos de diferentes ângulos ou perspectivas, o que fornece informações de profundidade. Embora outros grupos de pesquisa tenham desenvolvido câmeras baseadas em matrizes de microlentes de camada única, tem sido difícil torná-las práticas devido aos extensos processos de calibração e baixas velocidades de reconstrução.

Para fazer uma câmera 3D mais prática para objetos macroscópicos, os pesquisadores consideraram a matriz de microlentes e o algoritmo de reconstrução juntos, em vez de abordar cada um separadamente. Eles projetaram e fabricaram sob medida o conjunto de microlentes, que contém 37 pequenas lentes distribuídas em uma camada circular de polímero com apenas 12 milímetros de diâmetro. O algoritmo de reconstrução que eles desenvolveram é baseado em uma rede neural artificial altamente eficiente que aprende a mapear informações da imagem de volta para os objetos em uma cena.

"Muitas redes neurais existentes podem executar tarefas designadas, mas o mecanismo subjacente é difícil de explicar e entender", disse Yang. "Nossa rede neural é baseada em um modelo físico de reconstrução de imagens. Isso facilita muito o processo de aprendizado e resulta em reconstruções de alta qualidade."

Uma vez que o processo de aprendizado esteja completo, ele pode reconstruir imagens contendo objetos que estão a diferentes distâncias da câmera em uma velocidade muito alta. A nova câmera não precisa de calibração e pode ser usada para mapear as localizações 3D e perfis espaciais — ou contornos — de objetos.

Vendo através de objetos

Depois de realizar simulações numéricas para verificar o desempenho da câmera, os pesquisadores realizaram imagens 2D que mostraram resultados perceptivelmente agradáveis. Eles então testaram a capacidade da câmera de realizar imagens 3D de objetos em diferentes profundidades. A reconstrução 3D resultante pode ser reorientada para diferentes profundidades ou distâncias. A câmera também criou um mapa de profundidade que concordava com o arranjo real do objeto.

"Em uma demonstração final, mostramos que nossa câmera podia visualizar objetos atrás dos obstáculos opacos", disse Yang. "Até onde sabemos, esta é a primeira demonstração de imagens de objetos atrás de obstáculos opacos usando uma câmera sem lentes".

Os pesquisadores estão trabalhando atualmente para reduzir os artefatos, ou erros, que aparecem nas reconstruções 3D e para melhorar os algoritmos para obter qualidade e velocidade ainda maiores. Eles também querem miniaturizar o tamanho geral do dispositivo para que ele possa caber em um celular, o que o tornaria mais portátil e permitiria mais aplicativos.

“Nossa câmera 3D sem lente usa imagem computacional, uma abordagem emergente que otimiza em conjunto o hardware de imagem e os algoritmos de reconstrução de objetos para alcançar as tarefas e a qualidade de imagem desejadas”, disse Yang. “Com o recente desenvolvimento de técnicas avançadas de fabricação de micro-óptica de baixo custo, bem como avanços em aprendizado de máquina e recursos computacionais, a imagem computacional permitirá muitos novos sistemas de imagem com funcionalidade avançada”. + Explorar mais

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