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突破空間計算極限:深度感知整合超穎介面與光子晶體面射型雷射

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突破空間計算極限:深度感知整合超穎介面與光子晶體面射型雷射
黃耀緯老師
        許多人熟悉用於解鎖智慧型手機和遊戲系統,或允許我們在線上登入銀行帳戶的臉部辨識系統。三維表面成像是智慧型手機臉部辨識、混合實境空間計算與電腦視覺,和自動駕駛光達中常見的應用。這些系統通常包含一個點陣投影儀,其中包含多個組件:雷射、鏡頭、光波導和繞射光學元件。繞射光學元件是一種特殊的光柵,將雷射光束分成約32,000個紅外點。因此,當人們看著鎖定的螢幕時,臉部辨識系統將一系列點投射到他們的臉上,而裝置的鏡頭拍攝紅外點與所建立的深度資訊以確認身份。
然而,目前的技術仍需笨重的點陣投影儀和鏡頭,點陣投影儀系統對於智慧型手機等小型設備來說相對較大,也因此,螢幕上方總有黑色的一塊揮之不去的瀏海。另外,混合實境空間計算仰賴更廣視野、深度更廣的範圍,也因此,目前一台混合實境頭盔上需要取多的點陣投影儀系統。隨著行動與穿戴裝置的蓬勃發展,一種體積更小、能耗更低、更廣視野的深度感知與臉部辨識系統是這些仰賴空間計算的設備之所需。
        光電系玉山青年學者黃耀緯助理教授團隊,和鴻海研究院半導體所郭浩中所長、洪瑜亨博士團隊攜手合作,成功開發出「基於超穎介面和光子晶體面射型雷射整合的深度感測與臉部辨識系統」。如圖1a所示,波長為940 nm的雷射光束,經過超穎全像片後,產生隨機分佈的結構光束,打向待測物,並由相機記錄下來。我們建立一套演算法,對拍攝結果進行視差分析,以獲取三維資訊,實現了單眼深度感測下的人臉識別。為了克服商業點陣投影儀的限制,如體積龐大和光學複雜性,我們進行了重大的設計改進。我們不再使用垂直共振腔面射型雷射 (VCSEL) 陣列、體積龐大的光導和聚焦透鏡,而是採用單個光子晶體面射型雷射PCSEL來產生高度聚焦的光束。此外,我們將繞射光學元件 (DOE) 替換為超穎介面全像片,圖1b展示iPhone 點陣投影儀 () 與超穎介面 () 的尺寸比較。
20240604101052Wnd41. 研究團隊提出的深度感測系統。(a) 此系統包括超穎介面全像片、光子晶體面射型雷射,以及相機,示意圖展示對一個米開朗基羅《大衛》複製品進行的深度感知與臉部偵測。(b) 商用iPhone的點陣投影儀 () 與超穎介面全像片 () 的尺寸比較。(c) 超穎介面全像片的電子束顯微鏡照片。
  
        在成果展示中,這種新型系統能夠像現有的智慧型手機系統一樣準確識別米開朗基羅的《大衛》的臉龐。圖2顯示,在對一個米開朗基羅《大衛》複製品進行的原型測試中,透過該系統建立的深度資訊與透過 iPhone 點陣投影儀的進行比較,皆能準確識別了臉部特徵與獲得接近的識別信賴度分數,代表商用的可行性。值得注意的是,它在功耗方面使用的能量約是現有點投影儀系統的0.15倍,並且所需的光學元件面積縮小233倍,另外結構光光點增加1.43倍,視場增加2倍。此技術真正實現微縮、輕量化與節能的目的,並使其更容易整合於空間計算技術和行動與穿戴裝置之中。
20240604101157Vx9m2. 透過究團隊的系統建立的深度資訊 (上排) 與透過 iPhone 點陣投影儀的深度資訊 (下排) 進行比較。

        我們的研究詳細論述超穎全像片的結構光束密度、視角、發散角,以及用於臉部深度感知的適當採樣角度之間的理論平衡。我們提出的系統大小大約3根頭髮的寬度,未來有望看不到手機螢幕上的瀏海,臉部解鎖也能更省電,未來的混合實境頭盔有望使用更少、更小的三維表面成像系統。我們的科學研究,實際解決科技難題。此研究展示了在臉部辨識、機器人技術、擴增和混合實境等領域進行有效小型低功率成像解決方案的潛在應用。
        此重要研究成果以 "Metasurface- and PCSEL-Based Structured Light for Monocular Depth Perception and Facial Recognition" 一文,發表於全球頂尖「奈米通訊 (Nano Letters)」期刊上,亦獲選為該期刊2月的封面與封面故事、美國化學學會報導。其對應的相關專利申請也已獲得台灣專利、中國專利,與美國專利申請中。本研究由鴻海精密工業股份有限公司、國家科學及技術委員會,與教育部玉山青年計畫補助。

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3. 本研究成果受奈米通訊 (Nano Letters)獲選,登上27日的期刊封面與封面故事。


相關連結:
1. 發表文章原文連結: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c05002
2. 美國化學學會報導: https://www.acs.org/pressroom/presspacs/2024/february/sleeker-facial-recognition-technology-tested-on-michelangelos-david.html