Precise pose estimation of optical microrobots is essential for enabling high-precision object tracking and autonomous biological studies. However, current methods rely heavily on large, high-quality microscope image datasets, which are difficult and costly to acquire due to the complexity of microrobot fabrication and the labour-intensive labelling. Digital twin systems offer a promising path for sim-to-real data augmentation, yet existing techniques struggle to replicate complex optical microscopy phenomena, such as diffraction artifacts and depth-dependent imaging.This work proposes a novel physics-informed deep generative learning framework that, for the first time, integrates wave optics-based physical rendering and depth alignment into a generative adversarial network (GAN), to synthesise high-fidelity microscope images for microrobot pose estimation efficiently. Our method improves the structural similarity index (SSIM) by 35.6% compared to purely AI-driven methods, while maintaining real-time rendering speeds (0.022 s/frame).The pose estimator (CNN backbone) trained on our synthetic data achieves 93.9%/91.9% (pitch/roll) accuracy, just 5.0%/5.4% (pitch/roll) below that of an estimator trained exclusively on real data. Furthermore, our framework generalises to unseen poses, enabling data augmentation and robust pose estimation for novel microrobot configurations without additional training data.


翻译:光学微机器人的精确位姿估计是实现高精度物体跟踪与自主生物学研究的关键。然而,现有方法严重依赖大规模、高质量的显微镜图像数据集,这些数据集由于微机器人制造的复杂性及标注工作的高度密集性而难以获取且成本高昂。数字孪生系统为仿真到真实数据增强提供了可行路径,但现有技术难以复现复杂的光学显微现象,如衍射伪影和深度依赖成像。本研究提出了一种新颖的物理信息深度生成学习框架,首次将基于波动光学的物理渲染与深度对齐集成至生成对抗网络(GAN)中,以高效合成用于微机器人位姿估计的高保真显微镜图像。与纯人工智能驱动的方法相比,我们的方法将结构相似性指数(SSIM)提升了35.6%,同时保持实时渲染速度(0.022秒/帧)。基于我们合成数据训练的位姿估计器(CNN主干网络)实现了93.9%/91.9%(俯仰角/滚转角)的准确率,仅比完全基于真实数据训练的估计器低5.0%/5.4%(俯仰角/滚转角)。此外,我们的框架能够泛化至未见过的位姿,从而无需额外训练数据即可实现新微机器人配置的数据增强与鲁棒位姿估计。

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