近日，我校材料科学与工程学院张正仁教授团队联合武汉大学郑国兴教授、李子乐研究员团队，在三维（3D）感知技术领域取得重要突破。其创新性研究成果 《Metasurface-Driven Adaptive Structured Light: Achieving Integrated Real-Time 3D Reconstruction and Forward Ranging in Multi-Scene》（超表面驱动自适应结构光：实现多场景实时三维重建与前向测距一体化）成功发表于国际顶级学术期刊 《Advanced Science》（中科院一区Top期刊，影响因子14.1）。 该研究利用超表面精准调控光场，首次实现法向出射与掠出射双模光束的实时同步生成，成功构建出集“三维重建”与“前向测距”双功能于一体的自适应结构光系统，为数字化建造装上了实时、精准的“慧眼”。鹏城实验室余少华院士对该研究给予了重要指导。工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、重庆市自然科学基金面上项目的资助。

破解传统技术"不可能三角"

在基于结构光的三维重建领域，法向出射光束（垂直出射，强度高，适于测距）与掠出射光束（近水平大角度出射，视场广、抗畸变强）因物理特性差异，在测距与抗畸变重建中具有互补优势。然而，传统系统依赖微机电系统（MEMS）或棱镜组件实现掠出射光束，导致设备体积庞大、可靠性不足、成本昂贵；同时，光场传输的物理和器件限制使两种光束难以在单一系统中协同工作。 此外，目前衍射光学元件易引发光斑畸变，在隧道等大规模场景中投影能力受限，严重制约了在隧道等工程中的应用。

核心突破：超表面实现双模光束实时集成

针对这一挑战，研究团队创造性地提出并实现了基于超表面的解决方案。超表面是一种由亚波长结构组成的超薄平面光学器件，能精准调控光波相位。团队设计并制备了创新性的超表面器件，首次在单一超薄元件上同步、实时生成了高质量的法向出射光束（形成中心高亮光斑）和掠出射光束（实现接近90°的大角度偏转）。这一突破性进展形成了独特的“自适应闭环结构光”，彻底摆脱了对MEMS、棱镜等复杂组件的依赖，显著提升了系统的可靠性、小型化与集成度，并有效消除了目前衍射光学元件的光斑畸变问题，为三维感知打造了一双精准的“慧眼”。

“慧眼”效能：实时、精准、多场景赋能数字化建造

为实现复杂环境下的高性能感知，团队自主研发了先进的多模态点云增强重建算法。该算法深度融合双目相机图像信息（灰度图/结构光图案）、IMU（惯性测量单元）运动数据及点云几何信息，引入轴向引导点云增强算法优化复杂环境重建。

基于“超表面双模光束实时集成 + 智能算法”的协同创新使得该系统展现出卓越性能：

实时一体化感知：以每秒30帧（30 fps）的速率，输出高精度三维点云模型和前向距离测量数据，无需额外测距模块，大幅提升效率。

高精度与强鲁棒性：在圆形管道重建中，半径测量误差均方根误差（RMSE）仅为3.5毫米；在大型交通隧道等场景，精准还原几何特征，点云增强算法有效修复反射表面空洞，清晰呈现隧道壁褶皱细节；前向测距RMSE达0.022米。

赋能复杂场景数字化建造：在输水管道、大型隧道等多种真实复杂环境中均验证了系统的强大重建与测距能力，为基础设施的数字化建造提供了高集成度、高可靠性的现场测量“慧眼”。

重大意义与广阔前景

该研究成果的核心创新在于：

超表面突破物理极限：单器件解决双模光束共存难题，硬件架构革命性简化。

功能深度集成：首次在单一硬件平台上实现实时3D重建与前向测距一体化。

算法赋能复杂环境：轴向引导点云增强算法显著提升在反射、不规则场景下的重建质量。

强大的工程应用价值：为隧道工程等复杂基础设施的数字化建造提供了高集成度、高可靠性的现场测量技术支撑，并可扩展至红外光谱以增强弱光穿透和抗干扰能力。

该工作攻克了传统结构光系统在可靠性、小型化及多场景适应性上的瓶颈，为隧道工程动态测量提供了新范式，也为下一代超紧凑、多功能三维感知平台的发展奠定了坚实基础，在智能建造、智慧交通等领域具有广阔的应用前景。