Num dia frio e ensolarado, você está dirigindo por uma estrada rural, cercada por campos cobertos de neve. Num instante, os seus olhos processam a cena, escolhendo objetos individuais para focar – um sinal de stop, um celeiro – enquanto o resto da cena fica desfocado na periferia. Seu cérebro armazena as imagens focadas e borradas como uma memória que pode ser visualizada em sua mente mais tarde, enquanto você está sentado em sua mesa.



Imitando esse poder de processamento de imagem fácil e instantâneo do olho humano, os pesquisadores de engenharia elétrica da Penn State criaram uma metassuperfície:um elemento óptico semelhante a uma lâmina de vidro que usa minúsculas nanoestruturas colocadas em diferentes ângulos para controlar a luz. Liderada pelo autor correspondente Xingjie Ni, professor associado de engenharia elétrica e ciência da computação (EECS) na Penn State, a equipe publicou sua invenção na Nature Communications. .

Os sistemas de inteligência artificial (IA) requerem poder e energia computacional significativos e podem ser lentos para processar imagens e identificar objetos, de acordo com os pesquisadores. Por outro lado, a metassuperfície pode ser usada para pré-processar e transformar imagens antes de serem capturadas por uma câmera, permitindo que um computador – e IA – as processe com o mínimo de energia e largura de banda de dados.

A metassuperfície funciona convertendo uma imagem do sistema de coordenadas cartesianas, onde os pixels da imagem são organizados em linhas e colunas retas ao longo dos eixos x e y, para o sistema log-polar, que usa uma distribuição de pixels semelhante a um alvo.

"Assim como o arranjo dos receptores de luz dentro do olho humano, a metassuperfície captura imagens e as organiza em um sistema de coordenadas log-polar - com pixels mais densos para as características centrais focadas e pixels mais esparsos para as regiões periféricas", disse Ni. “Isso permite que os aspectos mais importantes de uma foto apareçam com clareza, enquanto outros permanecem menos focados, economizando assim largura de banda de dados”.

A metassuperfície é colocada na frente de uma câmera de modo que a luz primeiro passe por ela e transforme a imagem do sistema cartesiano em coordenadas log-polares antes de ser digitalizada por uma câmera e transferida para um computador. Por funcionar com nanoestruturas que curvam a luz, a metassuperfície não precisa de energia e funciona na velocidade da luz.

“Como a imagem de um objeto pode variar em tamanho ou orientação, é desejável pré-processar as imagens para torná-las resistentes a mudanças de escala e rotação”, disse Ni. “Esse pré-processamento ajuda os aplicativos de IA a reconhecê-los mais facilmente como o mesmo objeto.”

Ao colocar uma metassuperfície diferente na frente de uma câmera, os pesquisadores também podem transformar a imagem log-polar de volta na imagem original com coordenadas cartesianas.

A invenção tem muitas aplicações potenciais, disseram os pesquisadores, inclusive para uso em rastreamento de alvos e vigilância para mapear como um carro, por exemplo, se move pela cidade.

“Uma metassuperfície pode ser usada em conjunto com sistemas de IA como pré-processador, tornando mais fácil reconhecer o mesmo carro a partir de múltiplas câmeras de visão de rua”, disse Ni. "Ou, se for aplicado a um satélite, poderá potencialmente rastrear aviões desde a decolagem até o pouso."

Mais informações: Xingwang Zhang et al, Transformações de imagens geométricas totalmente ópticas possibilitadas por metassuperfícies ultrafinas, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43981-x
Fornecido pela Universidade Estadual da Pensilvânia