LED照明+智能手机实现3D成像

随着LED逐步取代传统照明系统，日常照明增添了更多智能因素。也许你正在使用智能手机调整家庭LED照明灯光，而研究人员早已研究出了更为先进的技术：通过控制动态的简单LED照明系统，实现3D成像。

Emma Le Francois是一名博士生，就职于英国思克莱德大学Martin Dawson, Johannes Herrnsdorf 和Michael Strain领导的课题组。她说：“公共交通等系统中所使用的视频监控系统，使用的是只能提供二维信息的摄像头。而我们所发明的新技术通过照亮不同的室内区域，实现三维成像，可获取更多信息。比如可以用于在工厂中创建智能工作区，或帮助机器人对周围环境有更完整的感知。”

Le Francois还说：“部署在室内的智能照明系统，能够让房间内的任何一个摄像头利用这些光线，从周围环境中获取三维信息。目前，LED正被用在光通信、可见光定位和光成像等各种不同应用中。总有一天，室内LED智能照明系统可以同时将所有这些应用集为一体。”

自上而下照明

人类通过双眼从两个稍有不同的角度观看同一个场景，依靠大脑重建深度信息。深度信息也可以通过一种叫做光度立体成像的方法来获取，即使用单个探测器或摄像机，但借助来自多个方向的照明。多个方向的照明可以记录下不同光影下的图像，并以此重建3D图像。

传统意义上，光度立体成像需要四个对称部署在摄像头观察轴周围的光源（如四个LED）。在此项新的研究中，研究人员发现：当物体从上往下被照亮、从侧面成像时，也可以重建3D图像；这使得从上方发出的、常见室内照明条件下的3D成像成为可能。

图1 成像示意图

在英国工程与自然科学研究理事会“Quantic”研究项目的支持下，研究人员开发了一种算法，每个LED都被唯一调制。这种调制如同指纹一般，可让摄像头确定每幅图像来自哪个LED照明，以实现3D重建。新型调制方法同时携带时钟信号，因此只需使用相机被动检测LED时钟信号，图像采集就可实现与LED自同步。

“我们希望通过将光源和摄像机分开，使光度立体成像更易部署，” Le Francois说。“据我们所知，我们团队首次采用了自上而下、具有侧面成像功能的照明系统，且光的调制与相机自同步。”

使用智能手机实现3D成像

研究人员使用其调制方案和基于商用LED的光度立体成像装置演示了这种新方法。研究人员借由一块简单的Arduino板来控制LED，并使用智能手机的高速视频模式拍摄照片；他们还用哑光材料3D打印了一个48毫米高的塑像作为成像对象，以避免表面反光对成像的影响。

在确定了LED光源和智能手机的最佳位置后，研究人员在42厘米外拍摄塑像时，重建误差仅为2.6毫米。这一误差率表明，新型方法的重建质量可与其他光度立体成像方法相媲美。研究人员还实现了运动物体的图像重建，表明这种成像方法不受环境光线的影响。

目前的系统中，在笔记本电脑上重建图像需要几分钟的时间。为了使该系统更具实用性，研究人员力争通过整合深度学习神经网络，学习从原始图像数据重建物体的形状，将计算时间减少至几秒钟内。

原文见：E. Le Francois, J. Herrnsdorf, J. J. D. McKendry, L. Broadbent, G. Wright, M. D. Dawson, M. J. Strain, Synchronization-free top-down illumination photometric stereo imaging using light-emitting diodes and a mobile device, Opt. Express, 29, 2, 1502-1515 (2021). DOI: https://doi.org/10.1364/OE.408658。