Aangezien LED's traditionele verlichtingssystemen vervangen, ze brengen meer slimme mogelijkheden voor dagelijkse verlichting. Terwijl je je smartphone misschien gebruikt om led-verlichting thuis te dimmen, onderzoekers zijn hierin verder gegaan door gebruik te maken van dynamisch gestuurde LED's om een ​​eenvoudig verlichtingssysteem voor 3D-beeldvorming te creëren.

"De huidige videobewakingssystemen, zoals die voor het openbaar vervoer worden gebruikt, zijn afhankelijk van camera's die alleen 2-D-informatie geven, " zei Emma Le François, een doctoraatsstudent in de onderzoeksgroep onder leiding van Martin Dawson, Johannes Herrnsdorf en Michael Strain aan de Universiteit van Strathclyde in het Verenigd Koninkrijk. "Onze nieuwe aanpak zou kunnen worden gebruikt om verschillende binnenruimtes te verlichten voor een betere bewaking met 3D-beelden, creëer een slimme werkplek in een fabriek, of om robots een completer beeld van hun omgeving te geven."

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Express , de onderzoekers tonen aan dat 3D optische 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, ", aldus Le Francois. "Er wordt onderzoek gedaan naar leds voor verschillende toepassingen, zoals optische communicatie, zichtbaar licht positionering 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."

Belichten van bovenaf

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 fototoestel, wordt gecombineerd met verlichting die uit meerdere richtingen komt. Met deze verlichtingsopstelling kunnen beelden worden opgenomen met verschillende schaduwen, die vervolgens kan 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 zijn opgesteld. In het nieuwe werk de onderzoekers laten zien dat 3D-beelden ook kunnen worden gereconstrueerd wanneer objecten van boven naar beneden worden belicht maar vanaf de zijkant worden afgebeeld. Deze opstelling maakt het mogelijk om bovengrondse kamerverlichting te gebruiken voor verlichting.

In werk dat wordt ondersteund in het kader van het Britse EPSRC 'Quantic'-onderzoeksprogramma, 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.

"We wilden fotometrische stereobeeldvorming gemakkelijker inzetbaar maken door de link tussen de lichtbronnen en de camera te verwijderen, " zei Le Francois. "Voor zover wij weten, we zijn de eersten die een verlichtingssysteem van boven naar beneden demonstreren met een beeldacquisitie aan de zijkant waarbij de modulatie van het licht zelfgesynchroniseerd is met de camera."

3D-beeldvorming met een smartphone

Om deze nieuwe aanpak te demonstreren, de onderzoekers gebruikten 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 beeldden een 48 millimeter hoog beeldje af 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, de onderzoekers bereikten 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 is de beeldreconstructie duurt een paar minuten op een laptop. Om het systeem praktisch te maken, de onderzoekers werken eraan om de rekentijd terug te brengen tot slechts een paar seconden door een diep lerend neuraal netwerk op te nemen dat zou leren om de vorm van het object te reconstrueren uit de onbewerkte beeldgegevens.