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LED照明和智能手机的3D成像

2021/1/20 10:42:16      材料来源:compoundsemiconductor

以独特方式调制单个LED的算法可以像指纹一样起作用,以利于3D重构
 
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。目前,研究者们进一步深入研究,利用动态控制的LED来创建一个简单的三维成像照明系统。
 
在由英国Strathclyde大学的Martin Dawson, Johannes Herrnsdorf 和 Michael Strain领导的研究小组中,Emma Le Francois作为小组中的博士研究生说到,“在目前的视频监控系统中,例如用于公共交通的视频监控系统,都依赖仅能提供2D信息的摄像头。我们的新方法可用于照亮不同的室内区域,以便更好的用3D图像进行监视,在工厂中创建智能工作区域,或者使机器人更完整感知整体环境。”
 
例如,在公共区域中,LED可用于一般照明,可见光通信和3D视频监视。上图显示了多址LiFi(一种利用光在设备之间传输数据和位置的无线通信技术)以及在火车站内的可见光定位。
 
在光学协会(OSA)的刊物《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说:“在室内区域部署智能照明系统,在室内区域部署智能照明系统,可以让室内的任何摄像头使用光线,并从周围环境中检索出3D信息。
 
从上方照亮

当人的两只眼睛从两个略有不同的方向观看同一个场景时,人类的视觉是依赖大脑来重构深度信息。深度信息也可以通过一种称为光度立体成像的方法来获取——一个探测器或摄像机与来自多个方向的光照相结合。这种照明设置以不同的阴影记录图像,用于重建3D图像。
 
光度立体成像一般需要四个光源,例如LED,对称地分布在摄像机的视轴周围。在这项新工作中,研究人员表明,当物体被从上到下照亮但从侧面成像时,3D图像也可以重构。这种设置允许高架房间照明系统用于照明。
 
在英国EPSRC 'Quantic'研究计划的支持下,研究人员开发出一种算法,以独特的方式调制每个LED。这就像一个指纹,可以让相机确定是哪个LED生成了哪个图像,有助于3D重构。新的调制方式自备时钟信号,因此,只需使用摄像头来被动检测LED时钟信号,图像采集即可与LED自同步。
 
Le Francois说:“我们希望通过消除光源和摄像机之间的联系,使光度立体成像更容易展开。据我们所知,我们是第一个展示具有侧面图像采集功能的自顶向下的照明系统,而且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商用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。他们对一个3D打印出的48毫米高的小雕像进行成像,这个雕像使用哑光材料以避免任何可能使成像复杂化的光亮表面。
 
在确定了LED和智能手机的最佳位置后,研究人员从42厘米外拍摄时,雕像的重构误差仅为2.6毫米。该误差率表明重构的质量可与其他光度立体成像方法相媲美。他们还能够重构运动物体的图像,并表明该方法不受环境光的影响。
 
在目前的系统中,使用笔记本电脑进行图像重构仅需要花费几分钟。为了使系统实用化,研究人员正致力于通过融合深度学习神经网络,从原始图像数据中学习重构物体形状,将计算时间缩短到几秒钟。
 
参考文献:
 
'Synchronization-free top-down illumination photometric stereo imaging using light-emitting diodes and a mobile device'?by?E. Le Francois et al;?Opt. Express, 29, 2, 1502-1515 (2021).
 
 
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