研究人員開發(fā)了一種相機(jī)，該相機(jī)使用薄微透鏡陣列和新的圖像處理算法，以單次曝光捕捉場景中物體的3D信息。該相機(jī)可用于多種應(yīng)用，例如工業(yè)零件檢查、手勢識別和3D顯示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集。

Weijian Yang說：“我們認(rèn)為我們的相機(jī)是無透鏡的，因?yàn)樗�用一個由柔性聚合物制成的薄而輕的微透鏡陣列取代了傳統(tǒng)相機(jī)中使用的大透鏡。因?yàn)槊總�微透鏡可以從不同的視角觀察物體，所以它可以完成復(fù)雜的成像任務(wù)，例如從被靠近相機(jī)的物體部分遮擋的物體中獲取3D信息�！�

相關(guān)研究成果發(fā)表在《光學(xué)快報(bào)》（Optics Express）上，Yang和第一作者Feng Tian報(bào)道了新的3D相機(jī)。由于相機(jī)從現(xiàn)有數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)如何數(shù)字重建3D場景，因此它可以實(shí)時生成3D圖像。

Weijian Yang和田豐在研發(fā)實(shí)驗(yàn)中

Yang說：“這種3D攝像機(jī)可以用來給機(jī)器人提供3D視覺，這可以幫助他們在3D空間中導(dǎo)航，或者完成復(fù)雜的任務(wù)，比如操縱精細(xì)物體，它還可用于獲取豐富的3D信息，為游戲、娛樂或許多其他應(yīng)用中使用的3D顯示器提供內(nèi)容�！�

基于學(xué)習(xí)的相機(jī)

這臺新相機(jī)是在之前研究人員開發(fā)的緊湊型顯微鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，該顯微鏡可以為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用成像3D微觀結(jié)構(gòu)。Yang說：“我們使用微透鏡陣列構(gòu)建了顯微鏡，并認(rèn)為類似的概念可以應(yīng)用于宏觀物體的成像�！�

新相機(jī)中的單個鏡頭允許它從不同角度或視角觀察物體，這提供了深度信息。盡管其他研究小組已經(jīng)開發(fā)了基于單層微透鏡陣列的相機(jī)，但由于廣泛的校準(zhǔn)過程和緩慢的重建速度，很難使其實(shí)用化。

為了給宏觀物體制造更實(shí)用的3D相機(jī)，研究人員將微透鏡陣列和重建算法放在一起考慮。他們定制設(shè)計(jì)并制造了微透鏡陣列，其中包含37個小透鏡，分布在直徑僅為12毫米的圓形聚合物層中。他們開發(fā)的重建算法基于高效的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，學(xué)習(xí)如何將圖像中的信息映射回場景中的對象。

Yang說：“許多現(xiàn)有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以執(zhí)行指定的任務(wù)，但其基本機(jī)制很難解釋和理解。我們的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于圖像重建的物理模型。這使得學(xué)習(xí)過程更容易，并可以進(jìn)行高質(zhì)量的重建�！�

一旦學(xué)習(xí)過程完成，它就可以以非常高的速度重建包含離相機(jī)不同距離的對象的圖像。新的攝像機(jī)不需要校準(zhǔn)，可以用于繪制物體的三維位置和空間輪廓。

透視物體

在進(jìn)行數(shù)值模擬以驗(yàn)證攝像機(jī)的性能后，研究人員進(jìn)行了2D成像，顯示了令人滿意的結(jié)果。然后，他們測試了相機(jī)對不同深度物體進(jìn)行3D成像的能力。所得到的3D重建可以重新聚焦到不同的深度或距離。相機(jī)還創(chuàng)建了與實(shí)際對象排列一致的深度圖。

Yang說：“在最后的演示中，我們展示了我們的相機(jī)可以拍攝不透明障礙物后面的物體。據(jù)我們所知，這是第一次使用無透鏡相機(jī)對不透明障礙物后面的物體成像�！�

研究人員目前正在努力減少3D重建中出現(xiàn)的鬼影或錯誤，并改進(jìn)算法以獲得更高的質(zhì)量和速度。他們還希望縮小整個設(shè)備的占地面積，使其能夠安裝在手機(jī)中，這將使其更便攜，并實(shí)現(xiàn)更多的應(yīng)用。

Yang說：“我們的無透鏡3D相機(jī)使用計(jì)算成像，這是一種新興的方法，聯(lián)合優(yōu)化成像硬件和對象重建算法，以實(shí)現(xiàn)所需的成像任務(wù)和質(zhì)量。隨著低成本、先進(jìn)微光學(xué)制造技術(shù)的最新發(fā)展以及機(jī)器學(xué)習(xí)和計(jì)算資源的進(jìn)步，計(jì)算成像將使許多具有先進(jìn)功能的新成像系統(tǒng)成為可能�！�

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