使用LED室内照明和智能手机破解3D图像

研究人员开发了一种使用头顶LED照明和智能手机创建小雕像的3D图像的方法。

简单而智能的LED照明可以为监视和机器人应用提供3D图像。

随着LED取代传统的照明系统，它们为日常照明带来了更多的智能功能。虽然您可能会使用智能手机在家中调暗LED照明，但研究人员通过利用动态控制的LED来创建用于3D成像的简单照明系统，从而使这一点更加深入。

“目前的视频监控系统，例如用于公共交通的视频监控系统，仅依靠只能提供2D信息的摄像机，”斯特拉斯克莱德大学的马丁·道森，约翰内斯·赫恩斯多夫和迈克尔·斯特林领导的研究小组的博士生艾玛·勒·弗朗索瓦（Emma Le Francois）说。在英国。“我们的新方法可用于照亮不同的室内区域，以更好地监视3D图像，在工厂中创建智能工作区，或使机器人对环境有更全面的了解。”

在光学协会（OSA）的《光学快报》上，研究人员证明了3D光学成像可以通过手机和LED进行，而无需任何复杂的手动过程即可使相机与照明同步。

Le Francois表示：“在室内区域部署智能照明系统，室内的任何摄像头都可以使用灯光并从周围环境中检索3D信息。”LED正在探索用于各种不同的应用，例如光通信，可见光定位和成像。有一天，用于室内照明的LED智能照明系统可能会同时用于所有这些应用。

从上方照亮

当我们用两只眼睛从两个略有不同的方向观看场景时，人类的视觉依赖于大脑来重建深度信息。深度信息也可以使用一种称为光度立体成像的方法来获取，在该方法中，一个检测器或照相机与来自多个方向的照明相结合。这种照明设置允许以不同的阴影记录图像，然后可以将其用于重建3D图像。

传统上，光度立体成像需要四个光源（例如LED），这些光源围绕摄像机的视轴对称地部署。在这项新工作中，研究人员表明，当物体从上到下照明但从侧面成像时，也可以重建3D图像。通过此设置，可以将高架房间照明用于照明。

在英国EPSRC“量子”研究计划的支持下，研究人员开发了以独特方式调制每个LED的算法。这就像一个指纹，使相机可以确定哪个LED生成了哪个图像，从而有助于3D重建。新的调制方法还带有自己的时钟信号，因此，只需使用摄像头被动检测LED时钟信号，即可将图像采集与LED自同步。

Le Francois说：“我们希望通过消除光源和照相机之间的联系，使光度立体成像更容易部署。”“据我们所知，我们是第一家展示具有侧面图像采集功能的自顶向下照明系统的系统，该系统的光调制与相机自同步。”

使用智能手机进行3D成像

为了演示这种新方法，研究人员将其调制方案与基于市售LED的光度立体设置结合使用。一个简单的Arduino板为LED提供了电子控制。使用智能手机的高速视频模式捕获图像。他们拍摄了一个48毫米高的小雕像，并用磨砂材料进行3D打印，以避免任何可能使成像复杂的闪亮表面。

在公共场所，LED可用于一般照明，可见光通信和3D视频监视。该图显示了多址LiFi（一种使用光在设备之间传输数据和位置的无线通信技术）以及可见光在火车站中的位置。

在确定了LED和智能手机的最佳位置后，研究人员从42厘米远处拍摄时，雕像的重建误差仅为2.6毫米。该错误率表明重建的质量可与其他光度立体成像方法相媲美。他们还能够重建运动物体的图像，并表明该方法不受环境光的影响。

在当前系统中，图像重建在笔记本电脑上需要花费几分钟。为了使该系统实用，研究人员正在努力通过合并一个深度学习神经网络来将计算时间减少到几秒钟，该网络将学习从原始图像数据中重建对象的形状。

参考：Emma Le Francois，Johannes Herrnsdorf，Jonathan JD McKendry，Laurence Broadbent，Glynn Wright，Martin D. Dawson和Michael J. Strain撰写的“使用发光二极管和移动设备的无同步自上而下照明光度立体成像”，11 2021年1月，光学快递。DOI：
10.1364 / OE.408658