Forskere erhverver 3-D-billeder med LED-rumbelysning og en smartphone

Da LED'er erstatter traditionelle belysningssystemer, de bringer flere smarte muligheder til hverdagsbelysning. Mens du måske bruger din smartphone til at dæmpe LED-belysning derhjemme, forskere har taget dette videre ved at bruge dynamisk styrede LED'er for at skabe et simpelt belysningssystem til 3D-billeddannelse.

"Nuværende videoovervågningssystemer som dem, der bruges til offentlig transport, er afhængige af kameraer, der kun giver 2D-information, sagde Emma Le Francois, en ph.d.-studerende i forskningsgruppen ledet af Martin Dawson, Johannes Herrnsdorf og Michael Strain ved University of Strathclyde i Storbritannien. "Vores nye tilgang kunne bruges til at belyse forskellige indendørs områder for at tillade bedre overvågning med 3-D-billeder, skabe et smart arbejdsområde på en fabrik, eller for at give robotter en mere fuldstændig fornemmelse af deres miljø."

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik Express , forskerne demonstrerer, at 3-D optisk billeddannelse kan udføres med en mobiltelefon og lysdioder uden at kræve komplekse manuelle processer for at synkronisere kameraet med belysningen.

"Ved at implementere et smart belysningssystem i et indendørs område kan ethvert kamera i rummet bruge lyset og hente 3D-informationen fra det omgivende miljø, " sagde Le Francois. "LED'er bliver udforsket til en række forskellige applikationer, såsom optisk kommunikation, positionering og billeddannelse af synligt lys. En dag kan LED-smart-belysningssystemet, der bruges til belysning af et indendørs område, blive brugt til alle disse applikationer på samme tid."

Oplysende fra oven

Menneskets syn er afhængig af hjernen til at rekonstruere dybdeinformation, når vi ser en scene fra to lidt forskellige retninger med vores to øjne. Dybdeinformation kan også erhverves ved hjælp af en metode kaldet fotometrisk stereobilleddannelse, hvor en detektor, eller kamera, er kombineret med belysning, der kommer fra flere retninger. Denne lysopsætning gør det muligt at optage billeder med forskellige skygger, som derefter kan bruges til at rekonstruere et 3-D billede.

Fotometrisk stereobilleddannelse kræver traditionelt fire lyskilder, såsom LED'er, som er anbragt symmetrisk omkring synsaksen på et kamera. I det nye værk, forskerne viser, at 3D-billeder også kan rekonstrueres, når objekter belyses oppefra og ned, men afbildes fra siden. Denne opsætning gør det muligt at bruge overliggende rumbelysning til belysning.

I arbejde støttet under det britiske EPSRC 'Quantic' forskningsprogram, forskerne udviklede algoritmer, der modulerer hver LED på en unik måde. Dette fungerer som et fingeraftryk, der gør det muligt for kameraet at bestemme, hvilken LED, der genererede hvilket billede for at lette 3D-rekonstruktionen. Den nye modulationstilgang bærer også sit eget clock-signal, så billedoptagelsen kan synkroniseres selv med LED'erne ved blot at bruge kameraet til passivt at detektere LED-ursignalet.

"Vi ønskede at gøre fotometrisk stereobillede lettere implementerbar ved at fjerne forbindelsen mellem lyskilderne og kameraet, sagde Le Francois. Så vidt vi ved, vi er de første til at demonstrere et top-down belysningssystem med sidebilledoptagelse, hvor moduleringen af ​​lyset er selvsynkroniseret med kameraet."

3D-billeddannelse med en smartphone

For at demonstrere denne nye tilgang, forskerne brugte deres moduleringsskema med en fotometrisk stereoopsætning baseret på kommercielt tilgængelige LED'er. Et simpelt Arduino-kort gav den elektroniske styring til LED'erne. Billeder blev taget ved hjælp af højhastighedsvideotilstanden på en smartphone. De afbildede en 48 millimeter høj figur, som de 3-D printede med et mat materiale for at undgå skinnende overflader, der kunne komplicere billeddannelsen.

Efter at have identificeret den bedste position for LED'erne og smartphonen, forskerne opnåede en rekonstruktionsfejl på kun 2,6 millimeter for figuren, når den blev afbildet fra 42 centimeters afstand. Denne fejlrate viser, at kvaliteten af ​​rekonstruktionen var sammenlignelig med den af ​​andre fotometriske stereobilledmetoder. De var også i stand til at rekonstruere billeder af et objekt i bevægelse og viste, at metoden ikke påvirkes af omgivende lys.

I det nuværende system, billedrekonstruktionen tager et par minutter på en bærbar computer. For at gøre systemet praktisk, forskerne arbejder på at reducere beregningstiden til blot et par sekunder ved at inkorporere et dybt-lærende neuralt netværk, der ville lære at rekonstruere objektets form ud fra de rå billeddata.