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英国解锁光度立体成像新方法 仅用LED和智能手机就足以

在英国EPSRC QuantIC研究计划的支持下,斯特拉斯克莱德大学光子学研究所和布里斯托尔机器人实验室的一个团队开发了可用于光度立体成像的新方法:从一个固定的相机视角和不同的照明方向建立一个3D图像。这标志着光度立体(PS)成像技术的一个改进。

这一团队在早期研究中便致力于探索LED灯具的潜在功能。2018年,他们就提出了“照明即服务”的概念:LED提供成像的照明和可见光通信,通过3D成像来自动监控一个区域内的活动,同时为同一空间的机器人代理提供无线连接。

技术突破

在理论上,如果PS成像技术被有效利用,就可以用于过程控制、机器人导航、公共场所的安全和监控应用、以及结构监控。

然而现实很骨感。传统PS技术自带的复杂性使它无法被有效利用在在现有的建筑基础设施中:一是需要兼容室内或室外照明装置中的PS专用照明;二是需要用到很多电缆将相机和光源彼此交接,以同步照明系统和图像采集系统。

如果可以克服实操的困难,PS成像技术就可以给3D成像打入工业或安全应用领域铺路,带来更直接的可视化方法。

这个难关被英国的英国斯特拉斯克莱德大学所攻破。据发表在The Optical Society (OSA)杂志Optics Express上的研究称:研究人员展示了可以用手机和LED进行3D光学成像,与标准的照明基础设施兼容,并且不需要人为来同步相机和照明。

研究人员发现,当物体从上向下照明但从侧面成像时,也可以重建3D图像。这种设置允许将头顶的光源用于照明。

研究小组的博士生Le Francois说:"据我们所知,我们是第一个结合自上而下的照明系统与侧面图像采集的系统,其中光线的调制是与相机自同步的。我们希望通过消除光源和相机之间的联系,使光度立体成像更容易部署。"

为了同步光纤采集和照明,研究人员还开发了以独特方式调制每个LED的算法。这就如同一个指纹,可以让摄像头确定哪个LED产生了哪个图像,新的调制方法还携带了自己的时钟信号,被动地被相机检测,并允许图像采集与LED自同步。利用手持手机摄像头记录成像数据,随后自动利用团队的算法处理成3D图像。

用亚光材料打印的小雕塑演示

为了演示这种新方法,研究人员使用他们的调制方案与基于市售LED的光度立体设置:一个简单的Arduino板提供LED的电子控制,智能手机的高速视频模式提供图像采集。演示对象是一个48毫米高的小雕像。这个小雕像是他们用亚光材料3D打印的,以避免任何可能使成像复杂化的闪亮表面影响演示。

在确定了LED和智能手机的最佳位置后,研究人员在42厘米外对小雕像进行成像时,实现了仅2.6毫米的重建误差。这个误差率表明,重建的质量与其他光度立体成像方法相当。他们还能够重建一个移动物体的图像,并表明该方法不受环境光的影响。

该项目在其发表的论文中指出:"这些努力使得PS成像无需同步,减少了闪烁,并达到了与天花板照明和壁挂式和移动相机的兼容性。在这种情况下,PS成像将与光保真(LiFi)网络或可见光定位(VLP)共存,使用相同的LED灯具来实现所有这些功能以及普通照明。"

Le Francois补充道:"在室内部署一个智能照明系统,可以让房间里的任何摄像头使用光线,并从周围环境中检索3D信息。LED正在探索更多的应用领域,如光通信、可见光定位和成像。这并不是无稽之谈。"

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