En un día frío y soleado, conduces por un camino rural, rodeado de campos cubiertos de nieve. En un instante, tus ojos procesan la escena, seleccionando objetos individuales en los que enfocarse (una señal de alto, un granero) mientras el resto de la escena se desdibuja en la periferia. Tu cerebro almacena las imágenes enfocadas y borrosas como un recuerdo que puedes visualizar en tu mente más tarde, mientras estás sentado en tu escritorio.
Imitando este poder de procesamiento de imágenes fácil e instantáneo del ojo humano, los investigadores de ingeniería eléctrica de Penn State crearon una metasuperficie:un elemento óptico similar a un portaobjetos de vidrio que utiliza pequeñas nanoestructuras colocadas en diferentes ángulos para controlar la luz. Dirigido por el autor correspondiente Xingjie Ni, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática (EECS) en Penn State, el equipo publicó su invento en Nature Communications. .
Según los investigadores, los sistemas de inteligencia artificial (IA) requieren una gran potencia informática y energía y pueden ser lentos a la hora de procesar imágenes e identificar objetos. Por el contrario, la metasuperficie se puede utilizar para preprocesar y transformar imágenes antes de que sean capturadas por una cámara, lo que permite que una computadora (y la IA) las procese con una potencia y un ancho de banda de datos mínimos.
La metasuperficie funciona convirtiendo una imagen del sistema de coordenadas cartesianas, donde los píxeles de la imagen están dispuestos en filas y columnas rectas a lo largo de los ejes x e y, al sistema log-polar, que utiliza una distribución de píxeles similar a una diana.
"Al igual que la disposición de los receptores de luz dentro del ojo humano, la metasuperficie toma imágenes y las organiza en un sistema de coordenadas logpolares, con píxeles más densos para las características centrales enfocadas y píxeles más dispersos para las regiones periféricas", dijo Ni. "Esto permite que los aspectos más importantes de una foto se vean claramente mientras que otros permanecen menos enfocados, ahorrando así ancho de banda de datos".
La metasuperficie se coloca frente a una cámara para que la luz pase primero a través de ella y transforme la imagen del sistema cartesiano en coordenadas log-polares antes de que una cámara la digitalice y la transfiera a una computadora. Dado que funciona utilizando nanoestructuras que desvían la luz, la metasuperficie no necesita energía y funciona a la velocidad de la luz.
"Como la imagen de un objeto puede variar en tamaño u orientación, es deseable preprocesar las imágenes para hacerlas resistentes a los cambios de escala y rotación", dijo Ni. "Este preprocesamiento ayuda a que las aplicaciones de IA los reconozcan más fácilmente como el mismo objeto".
Al colocar una metasuperficie diferente frente a una cámara, los investigadores también pueden transformar la imagen logpolar nuevamente en la imagen original con coordenadas cartesianas.
La invención tiene muchas aplicaciones potenciales, dijeron los investigadores, incluido el uso en seguimiento de objetivos y vigilancia para mapear cómo un automóvil, por ejemplo, se mueve a través de una ciudad.
"Una metasuperficie se puede utilizar junto con sistemas de inteligencia artificial como preprocesador, lo que facilita el reconocimiento del mismo automóvil desde múltiples cámaras de visión de la calle", dijo Ni. "O si se aplica a un satélite, podría rastrear aviones desde el despegue hasta el aterrizaje".
Más información: Xingwang Zhang et al, Transformaciones de imágenes geométricas totalmente ópticas habilitadas por metasuperficies ultrafinas, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43981-x
Proporcionado por la Universidad Estatal de Pensilvania
