LED照明和智能手机的3D成像

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).