基于双轴超透镜的超分辨声学图像蒙太奇

来源：两江科技评论

导读

近日，华中科技大学和香港理工大学科研人员合作设计了一种无衍射的声学双轴超透镜，可以灵活地对入射声场图像经行各种蒙太奇操作，比如双倍复制和相干叠加以及靶向剪裁等。该工作巧妙地把古老的蒙太奇图像处理技术和新兴的超材料器件结合在一起，对于复杂功能的声学超材料器件尤其是无衍射图像编辑器件设计提供了一个可能的方案。相关成果以“Super-resolution acoustic image montage via a biaxial metamaterial lens”为题发表于Science Bulletin第65期上 [Sci. Bull. 65, 1022 (2020)]。华中科技大学彭玉桂博士，博士生沈亚西耿治国为共同第一作者，香港理工大学祝捷副教授、华中科技大学祝雪丰教授为论文通讯作者。

研究背景

可以追溯到维多利亚时代的蒙太奇技术，对多幅图像进行剪裁粘贴或重排等从而产生全新图像的手段，如今已经广泛应用在科技生活的各个场景。在声学领域，对图像的后处理例如超声图像的卷积降噪等拥有极其广阔的应用前景，但是目前实时的声场图像的蒙太奇操作基本空白。另一方面新兴超构材料在隐身伪装，单向传输，拓扑传输，全息超分辨成像等领域展示出无穷的可能性，为声场图像蒙太奇技术提供了广阔的舞台。该工作结合两者的优势，设计了一种无衍射的双轴超透镜，对具有深亚波长分辨率的声场图像进行蒙太奇处理，实验上清楚地观测到原始图像的双倍复制和相干叠加以及靶向剪裁等。

创新研究

祝捷副教授和合作者早在2011年就实验上论证了基于法布里珀罗共振的孔阵列结构可以对声场进行超分辨无衍射传输。在该工作中研究人员更进一步对多层孔阵列进行重排，使得奇数层和偶数层具备不同的取向（如图1所示），从而设计出具备两个特殊轴向的声学超透镜器件。特殊的双轴向设计使得该器件的功能不在局限于无衍射传输，更进一步可以对图像经行双倍复制和相干叠加以及靶向剪裁各种蒙太奇操控。

图1：(a)三维打印的双轴多层孔阵列超材料器件的照片;(b)双轴器件奇数层和偶数层的细节示意图;(c)该器件利用五个不同端口实现各种蒙太奇操控的概念图。

调节入射端图像端口1开口环和端口2小圆盘的相位使得两声场图像具有相同相位，经过双轴无衍射超透镜的传输，在端口4可以观测到两个图像相干叠加的牛眼(如图2所示)；反过来调节入射端图像端口3，端口5的开口环和小圆盘的相位使得与端口4图像的牛眼完全反向，经过双轴无衍射超透镜的传输，可以在端口1和端口2观测到三个入射图像的靶向裁剪效果(如图3所示)。

图2：声场图像相干叠加的实验结果图。入射端的开口环和小圆盘具有相同相位，经过超透镜形成全新的牛眼结构。

图3：声场图像靶向剪裁的实验结果图。入射端的开口环和小圆盘与牛眼具有相反的相位，经过超透镜形成新的小圆盘和开口环。