文章速览
陆延青、徐挺教授团队致力于解决传统数字方法在圆形检测与拟合中存在的实时性瓶颈与鲁棒性挑战，探索光学计算在实时机器视觉与精密计量中的应用潜力。文章系统性地回顾了圆形检测在计算机视觉、工业检测等领域的广泛应用，并指出传统电子处理方式因顺序后处理带来的固有延迟，难以满足高速、高吞吐量场景的需求。与此同时，文章强调了光学计算凭借其并行处理、光速运算的先天优势，为实时图像处理提供了变革性途径。研究进一步聚焦于近年来迅速发展的超表面技术，阐述了其作为纳米尺度光场调控平台的独特能力，以及在实现集成化、多功能光学计算方面的巨大潜力。然而，文章明确指出，尽管光学计算已在微分、神经网络等方向取得进展，但实现高精度、强鲁棒性的集成化全光学圆拟合仍是一个悬而未决的挑战，其核心在于缺乏能够在复杂实际条件下有效工作的专用光学算法与紧凑型硬件架构。本文正是针对这一空白，提出了一种创新的解决方案。
一、解决的问题
延迟问题：依赖数字图像采集 电子计算，存在顺序后处理延迟，难以满足实时响应和高吞吐量场景需求。
硬件依赖：通常需要计算机 图像处理软件或专用电路，系统复杂、功耗高。
鲁棒性挑战：传统算法对几何缺陷（如部分圆弧）、尺寸变化、噪声敏感，实际应用受限。
光学计算领域空白：尽管已有光学微分、神经网络等研究，但高精度、集成化的光学圆拟合方案尚未实现，尤其缺乏能在实际缺陷条件下工作的全光解决方案。
二、提出的方法
本文提出并实现了一种全光学圆拟合技术，核心方法为 “光学霍夫梯度法” ，具体架构如下：
将传统的霍夫梯度圆检测算法映射为光学卷积运算，分为两步：
梯度提取：通过一个光学涡旋卷积核 提取边缘梯度向量场。
交点累积与中心检测：通过一个光学反涡旋卷积核 对梯度进行旋转累积，实现中心增强与离中心响应抑制。
将梯度核 U（涡旋相位，拓扑荷l= 1）与累积核 V（反涡旋相位l=−1 径向反向调制）融合在单个介质超表面上。
超表面位于4f 空间滤波系统的傅里叶平面，实现输入图像与双核的被动光学卷积，无需电子计算。
在反涡旋核中引入径向反向调制结构（同心圆环，相位交替为 0 与 π），用于抑制“准对齐”带来的离中心响应，使输出峰值更锐利，定位精度提高超过 20 倍。
三、实现的效果
实验表明，引入反向调制后，中心峰的半高全宽仅为无调制时的 4.96%，定位精度显著提升。
可区分圆形与椭圆、正多边形，对几何缺陷（如扇形、半圆）仍能准确拟合。
在印刷电路板定位实验中，成功检测并定位四个对齐孔中心，输出强度峰与实际中心高度吻合，验证了其在工业视觉与精密对准中的实用价值。
无需数字后处理，光速完成卷积与拟合，适用于高吞吐量、低延迟场景。
四、创新点
首次实现全光圆拟合：将霍夫梯度算法完整映射为光学卷积操作，实现“图到结果”的一步光学计算。
双核融合超表面：在一个超表面上集成梯度核与累积核，简化系统结构，提升集成度与稳定性。
反向调制增强机制：提出径向反向调制结构，显著抑制离中心响应，大幅提升定位精度与鲁棒性。
扩展性强：该方法可扩展至椭圆拟合乃至任意形状检测，为光学形状分析提供通用平台。
应用导向强：不仅限于理论验证，更在PCB 对准等工业场景中展示实用潜力，推动光学计算走向实际应用。
研究成果以题为：《All-Optical Circle Fitting via Vortex-Antivortex Convolution Merging Within a Single Metasurface》发表于期刊《Laser & Photonics Reviews》。单位为：南京大学，第一作者为：南京大学Haotian Zheng。通讯作者为：南京大学Pengcheng Huo、陆延青、徐挺教授。
文章摘要
圆拟合是识别、定位和测量任务中的基础操作，广泛应用于科学与技术领域。传统方法依赖图像采集和后续数字处理，通常由集成电子电路实现。然而，顺序后处理带来的固有延迟构成了重大挑战，尤其是在需要实时响应或高吞吐量数据处理的应用中。受计算机视觉中广泛使用的霍夫梯度方法启发，并利用光学计算的实时性、无需后处理的特性，我们提出了一种基于超表面集成4f空间滤波系统的全光学圆拟合技术。一对光学涡旋-反涡旋核被紧凑地集成在单个介质超表面内，通过被动光学卷积实现同时的梯度提取和交点累积。所提出的框架展现出高鲁棒性，能够在广泛的半径范围和存在结构缺陷的情况下准确检测圆形特征。这项工作为集成光学形状分析建立了一个平台，并彰显了超表面赋能光学计算在实时机器视觉和先进计量学中的应用潜力。
图文速览
图1：使用OHGM进行光学圆拟合的原理。a OHGM的基本原理示意图。b 所提出的两种光学涡旋-反涡旋卷积核。核U对应梯度算子，核V对应累加器算子。c 核V的工作原理。核V由反涡旋相位与反转算子复合而成：反涡旋相位可按其方位角θ使梯度顺时针旋转；反转算子可将落在蓝色（π）环内的梯度翻转。左：通过反涡旋相位实现的中心增强。右：通过叠加在反涡旋核上的反转算子实现的离中心抑制。d 反转算子带来的定位精度提升。曲线给出了沿穿过估计圆心的直线方向的强度分布。
图2：超表面器件的设计与制备。a 使用OHGM进行圆拟合的实验装置。b 超表面透射函数t(ρ,φ)示意图。比例尺：200 μm。c 设计的介质超表面示意图。插图：单个晶胞的透视图。参数L、W、H、P与?分别表示纳米杆长度、宽度、高度、方形晶格常数与旋转角。d 制备的超表面俯视扫描电子显微镜图像。比例尺：1 μm。e 含多种几何形状的制备测试样品。比例尺：500 μm。f OHGM的实验演示。
图3：OHGM的形状判别能力。a 含圆形与椭圆形图案的样品，长短轴比以0.05为步进递增。b 对(a)使用OHGM得到的圆拟合结果。c OHGM区分圆与椭圆的性能。d 含圆形与正多边形图案的样品。e 对(d)的圆拟合结果。f OHGM区分圆与正多边形的性能。g 左：红色高亮区域内样品与输出的放大视图。红色叉号标示计算得到的圆心。右：沿橙色虚线的强度剖面。比例尺：在(a)、(b)、(d)、(e)中为400 μm；在(g)中为100 μm。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/lpor.202502257
文章源于科文科技与工程公众号