英國解鎖光度立體成像新方法，僅用LED和智能手機就足以

在英國EPSRC QuantIC研究計劃的支持下，斯特拉斯克萊德大學(xué)光子學(xué)研究所和布里斯托爾機器人實驗室的一個團(tuán)隊開發(fā)了可用于光度立體成像的新方法：從一個固定的相機視角和不同的照明方向建立一個3D圖像。這標(biāo)志著光度立體（PS）成像技術(shù)的一個改進(jìn)。

這一團(tuán)隊在早期研究中便致力于探索LED燈具的潛在功能。2018年，他們就提出了“照明即服務(wù)”的概念：LED提供成像的照明和可見光通信，通過3D成像來自動監(jiān)控一個區(qū)域內(nèi)的活動，同時為同一空間的機器人代理提供無線連接。

技術(shù)突破

在理論上，如果PS成像技術(shù)被有效利用，就可以用于過程控制、機器人導(dǎo)航、公共場所的安全和監(jiān)控應(yīng)用、以及結(jié)構(gòu)監(jiān)控。

然而現(xiàn)實很骨感。傳統(tǒng)PS技術(shù)自帶的復(fù)雜性使它無法被有效利用在在現(xiàn)有的建筑基礎(chǔ)設(shè)施中：一是需要兼容室內(nèi)或室外照明裝置中的PS專用照明；二是需要用到很多電纜將相機和光源彼此交接，以同步照明系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)。

如果可以克服實操的困難，PS成像技術(shù)就可以給3D成像打入工業(yè)或安全應(yīng)用領(lǐng)域鋪路，帶來更直接的可視化方法。

這個難關(guān)被英國的英國斯特拉斯克萊德大學(xué)所攻破。據(jù)發(fā)表在The Optical Society（OSA）雜志Optics Express上的研究稱：研究人員展示了可以用手機和LED進(jìn)行3D光學(xué)成像，與標(biāo)準(zhǔn)的照明基礎(chǔ)設(shè)施兼容，并且不需要人為來同步相機和照明。

研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物體從上向下照明但從側(cè)面成像時，也可以重建3D圖像。這種設(shè)置允許將頭頂?shù)墓庠从糜谡彰鳌?/span>

研究小組的博士生Le Francois說：＂據(jù)我們所知，我們是第一個結(jié)合自上而下的照明系統(tǒng)與側(cè)面圖像采集的系統(tǒng)，其中光線的調(diào)制是與相機自同步的。我們希望通過消除光源和相機之間的聯(lián)系，使光度立體成像更容易部署。＂

為了同步光纖采集和照明，研究人員還開發(fā)了以獨特方式調(diào)制每個LED的算法。這就如同一個指紋，可以讓攝像頭確定哪個LED產(chǎn)生了哪個圖像，新的調(diào)制方法還攜帶了自己的時鐘信號，被動地被相機檢測，并允許圖像采集與LED自同步。利用手持手機攝像頭記錄成像數(shù)據(jù)，隨后自動利用團(tuán)隊的算法處理成3D圖像。

用亞光材料打印的小雕塑演示

為了演示這種新方法，研究人員使用他們的調(diào)制方案與基于市售LED的光度立體設(shè)置：一個簡單的Arduino板提供LED的電子控制，智能手機的高速視頻模式提供圖像采集。演示對象是一個48毫米高的小雕像。這個小雕像是他們用亞光材料3D打印的，以避免任何可能使成像復(fù)雜化的閃亮表面影響演示。

在確定了LED和智能手機的最佳位置后，研究人員在42厘米外對小雕像進(jìn)行成像時，實現(xiàn)了僅2.6毫米的重建誤差。這個誤差率表明，重建的質(zhì)量與其他光度立體成像方法相當(dāng)。他們還能夠重建一個移動物體的圖像，并表明該方法不受環(huán)境光的影響。

該項目在其發(fā)表的論文中指出：＂這些努力使得PS成像無需同步，減少了閃爍，并達(dá)到了與天花板照明和壁掛式和移動相機的兼容性。在這種情況下，PS成像將與光保真（LiFi）網(wǎng)絡(luò)或可見光定位（VLP）共存，使用相同的LED燈具來實現(xiàn)所有這些功能以及普通照明。＂

Le Francois補充道：＂在室內(nèi)部署一個智能照明系統(tǒng)，可以讓房間里的任何攝像頭使用光線，并從周圍環(huán)境中檢索3D信息。LED正在探索更多的應(yīng)用領(lǐng)域，如光通信、可見光定位和成像。這并不是無稽之談。＂

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