Forscher erfassen 3D-Bilder mit LED-Raumbeleuchtung und einem Smartphone

Da LEDs traditionelle Beleuchtungssysteme ersetzen, bringen sie intelligentere Funktionen in die alltägliche Beleuchtung. Während Sie Ihr Smartphone verwenden könnten, um die LED-Beleuchtung zu Hause zu dimmen, haben Forscher dies weiter ausgebaut, indem sie dynamisch gesteuerte LEDs genutzt haben, um ein einfaches Beleuchtungssystem für die 3D-Bildgebung zu schaffen.

Forscher haben gezeigt, dass optische 3D-Bildgebung mit einem Mobiltelefon und LEDs durchgeführt werden kann, ohne dass komplexe manuelle Prozesse zur Synchronisierung der Kamera mit der Beleuchtung erforderlich sind.

„Der Einsatz eines intelligenten Beleuchtungssystems in einem Innenbereich ermöglicht es jeder Kamera im Raum, das Licht zu nutzen und die 3D-Informationen aus der Umgebung abzurufen“, sagte Emma Le Francois. „LEDs werden für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen erforscht, wie optische Kommunikation, Positionierung mit sichtbarem Licht und Bildgebung. Eines Tages könnte das intelligente LED-Beleuchtungssystem, das zur Beleuchtung eines Innenbereichs verwendet wird, für all diese Anwendungen gleichzeitig verwendet werden.“

Das menschliche Sehen verlässt sich auf das Gehirn, um Tiefeninformationen zu rekonstruieren, wenn wir eine Szene mit unseren beiden Augen aus zwei leicht unterschiedlichen Richtungen betrachten. Tiefeninformationen können auch mit einer Methode namens photometrische Stereobildgebung erfasst werden, bei der ein Detektor oder eine Kamera mit einer Beleuchtung kombiniert wird, die aus mehreren Richtungen kommt. Mit diesem Beleuchtungssetup können Bilder mit unterschiedlicher Abschattung aufgenommen werden, die dann zur Rekonstruktion eines 3D-Bildes verwendet werden können.

Die photometrische Stereobildgebung erfordert traditionell vier Lichtquellen, beispielsweise LEDs, die symmetrisch um die Sichtachse einer Kamera angeordnet sind. In der neuen Arbeit zeigen die Forscher, dass 3D-Bilder auch rekonstruiert werden können, wenn Objekte von oben nach unten beleuchtet, aber von der Seite abgebildet werden. Dieser Aufbau ermöglicht die Verwendung von Raumbeleuchtung zur Beleuchtung.

Die Forscher entwickelten Algorithmen, die jede LED auf einzigartige Weise modulieren. Dies wirkt wie ein Fingerabdruck, mit dem die Kamera feststellen kann, welche LED welches Bild erzeugt hat, um die 3D-Rekonstruktion zu erleichtern. Der neue Modulationsansatz trägt auch sein eigenes Taktsignal, so dass die Bildaufnahme selbst mit den LEDs synchronisiert werden kann, indem einfach die Kamera verwendet wird, um das LED-Taktsignal passiv zu erkennen.

Um diesen neuen Ansatz zu demonstrieren, verwendeten die Forscher ihr Modulationsschema mit einem photometrischen Stereo-Setup basierend auf kommerziell erhältlichen LEDs. Ein einfaches Arduino-Board lieferte die elektronische Steuerung für die LEDs. Bilder wurden mit dem Hochgeschwindigkeits-Videomodus eines Smartphones aufgenommen. Sie bildeten eine 48 Millimeter große Figur ab, die sie mit einem matten Material 3D-druckten, um glänzende Oberflächen zu vermeiden, die die Bildgebung erschweren könnten.

Nachdem die Forscher die beste Position für die LEDs und das Smartphone identifiziert hatten, erreichten die Forscher einen Rekonstruktionsfehler von nur 2,6 Millimetern für die Figur, wenn sie aus 42 Zentimetern Entfernung aufgenommen wurde. Diese Fehlerquote zeigt, dass die Qualität der Rekonstruktion mit der anderer photometrischer Stereobildgebungsansätze vergleichbar war. Sie waren auch in der Lage, Bilder eines sich bewegenden Objekts zu rekonstruieren und zeigten, dass die Methode nicht durch Umgebungslicht beeinflusst wird.

Beim aktuellen System dauert die Bildrekonstruktion auf einem Laptop wenige Minuten. Um das System praktikabel zu machen, arbeiten die Forscher daran, die Rechenzeit auf nur wenige Sekunden zu verkürzen, indem sie ein tief lernendes neuronales Netzwerk integrieren, das lernen würde, die Form des Objekts aus den Rohbilddaten zu rekonstruieren.