Onderzoekers verwerven 3D-beelden met led-kamerverlichting en een smartphone

Omdat LED's traditionele verlichtingssystemen vervangen, brengen ze meer slimme mogelijkheden voor dagelijkse verlichting. Terwijl u uw smartphone misschien gebruikt om LED-verlichting thuis te dimmen, hebben onderzoekers dit verder gebracht door gebruik te maken van dynamisch gestuurde LED's om een ​​eenvoudig verlichtingssysteem voor 3D-beeldvorming te creëren.

Onderzoekers hebben aangetoond dat optische 3D-beeldvorming kan worden uitgevoerd met een mobiele telefoon en LED's zonder dat er ingewikkelde handmatige processen nodig zijn om de camera met de verlichting te synchroniseren.

"Door een slim verlichtingssysteem in een binnenruimte in te zetten, kan elke camera in de kamer het licht gebruiken en de 3D-informatie uit de omgeving ophalen", zegt Emma Le Francois. “Er wordt onderzoek gedaan naar leds voor verschillende toepassingen, zoals optische communicatie, positionering van zichtbaar licht en beeldvorming. Op een dag kan het slimme led-verlichtingssysteem dat wordt gebruikt voor het verlichten van een binnenruimte, voor al deze toepassingen tegelijkertijd worden gebruikt.”

Het menselijk zicht is afhankelijk van de hersenen om diepte-informatie te reconstrueren wanneer we een scène vanuit twee enigszins verschillende richtingen bekijken met onze twee ogen. Diepte-informatie kan ook worden verkregen met behulp van een methode die fotometrische stereobeeldvorming wordt genoemd, waarbij één detector of camera wordt gecombineerd met verlichting die uit meerdere richtingen komt. Met deze verlichtingsopstelling kunnen beelden worden opgenomen met verschillende schaduwen, die vervolgens kunnen worden gebruikt om een ​​3D-beeld te reconstrueren.

Fotometrische stereobeeldvorming vereist traditioneel vier lichtbronnen, zoals LED's, die symmetrisch rond de kijkas van een camera worden geplaatst. In het nieuwe werk laten de onderzoekers zien dat 3D-beelden ook kunnen worden gereconstrueerd wanneer objecten van boven naar beneden worden belicht maar vanaf de zijkant worden afgebeeld. Met deze opstelling kan kamerverlichting boven het hoofd worden gebruikt voor verlichting.

De onderzoekers ontwikkelden algoritmen die elke led op een unieke manier moduleren. Dit werkt als een vingerafdruk waarmee de camera kan bepalen welke LED welk beeld heeft gegenereerd om de 3D-reconstructie te vergemakkelijken. De nieuwe modulatiebenadering heeft ook zijn eigen kloksignaal, zodat de beeldacquisitie zelf kan worden gesynchroniseerd met de LED's door simpelweg de camera te gebruiken om het LED-kloksignaal passief te detecteren.

Om deze nieuwe aanpak te demonstreren, gebruikten de onderzoekers hun modulatieschema met een fotometrische stereo-opstelling op basis van in de handel verkrijgbare LED's. Een eenvoudig Arduino-bord zorgde voor de elektronische besturing van de LED's. Beelden werden vastgelegd met behulp van de high-speed videomodus van een smartphone. Ze maakten een beeld van een 48 millimeter hoog beeldje dat ze 3D-printen met een mat materiaal om glanzende oppervlakken te vermijden die de beeldvorming zouden kunnen bemoeilijken.

Na het identificeren van de beste positie voor de LED's en de smartphone, bereikten de onderzoekers een reconstructiefout van slechts 2,6 millimeter voor het beeldje wanneer het werd afgebeeld vanaf 42 centimeter afstand. Dit foutenpercentage laat zien dat de kwaliteit van de reconstructie vergelijkbaar was met die van andere fotometrische stereobeeldvormingsbenaderingen. Ze waren ook in staat om beelden van een bewegend object te reconstrueren en toonden aan dat de methode niet wordt beïnvloed door omgevingslicht.

In het huidige systeem duurt de beeldreconstructie op een laptop enkele minuten. Om het systeem praktisch te maken, werken de onderzoekers eraan om de rekentijd terug te brengen tot slechts een paar seconden door een diepgaand lerend neuraal netwerk op te nemen dat zou leren de vorm van het object te reconstrueren uit de onbewerkte beeldgegevens.