英国研究人员展示3D成像简化方法：LED光源搭配智能手机
2021-01-24 11:21:41   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，采用传统室内LED照明和智能手机进行3D成像，可为工业或安防应用提供更为直接的可视化方法。这种新方法由英国斯特拉斯克莱德大学（University of Strathclyde）光子学研究所和布里斯托尔机器人实验室（Bristol Robotics Laboratory）的一个研究小组开发，由英国自然科学基金QuantIC研究项目支持。该项目展示了光度立体（PS）成像的增强，产生的3D图像由一颗固定的摄像头和不同方向的LED照明构建。

在该项目中，由于室内或室外照明装置需要兼容的特定光度立体（PS）照明，并需要多个相互同步的照明以及与摄像头同步的布线，大多数光度立体（PS）方法非常复杂，因此无法部署在现有建筑设施中。

克服了上述问题，就有可能使光度立体（PS）成像用于工业场景的过程控制、机器人导航，公共空间的安全监视，以及结构监控，为3D成像的应用开辟一条极具吸引力的道路。

据项目团队称，传统的光度立体（PS）成像需要围绕摄像头对称部署四个光源。该项研究工作从上方进行照明，但对物体从侧面成像，并允许采用房顶照明作为照明源。

该项研究成果发表在Optics Express。作者表示，新方法与标准照明基础设施兼容，无需光源和摄像头进行时态同步即可运行。

斯特拉斯克莱德大学Emma Le Francois说：“我们希望无需有线连接光源和摄像头，让光度立体（PS）成像更容易部署。”研究团队首先演示了自上而下的照明系统，该系统具有侧面图像采集功能，其中光线的调制与摄像头自同步。

自上而下的照明装置：a）光度成像装置示意图；b）光度成像装置实物图片；c）投影角度示意图

该项目已着手开发以特定方式调节每颗LED照明的算法，以有效地充当照明指纹，并允许摄像头确定哪颗LED在随后的3D重建中生成了哪些图像数据。

新的调制方法还自带时钟信号，由摄像头被动检测，并允许图像采集与LED自动同步。成像数据使用手持式手机摄像头进行记录，随后使用团队的算法处理为3D图像。

试验成像选择了简单的几何形状和130毫米高的猴头3D打印模型，新方法测量了已知真实尺寸的物体。结果显示，在42厘米的距离内物体成像误差为2.69毫米，并实现了帧率为25 fps的移动图像视频。

信息获取和重构过程示意图

论文指出“我们所做出的努力使光度立体（PS）成像无需同步，减少闪烁，并证明与房顶照明、壁挂式和移动摄像头的兼容性。”在这种情况下，光度立体（PS）成像将与可见光无线通信（LiFi）网络或可见光定位（VLP）共存，可使用相同的LED照明实现上述功能和一般照明。

LED除了照明之外还具有多种功能，这一直是该团队早期研究的主题。2018年，团队通过IEEE阐述了一种“照明即服务”（lighting as a service）方法，其中LED可同时为成像和可见光通信提供照明，从而允许通过3D成像自动监控区域内活动，同时为同一空间的机器人代理提供无线连接。

目前，新系统需要几分钟进行图像重建，因此研究人员正努力通过整合深度学习神经网络来缩短计算时间，该神经网络将学习如何通过原始图像数据重建物体形状。

Emma Le Francois说：“目前的视频监控系统（如用于公共交通的监控系统）依赖于仅提供2D信息的摄像头。我们的新方法可用于照亮室内不同区域，利用3D图像实现更好的监控效果，在工厂创建智能工作区，或让机器人更了解其工作环境全貌。”

论文链接：https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-2-1502&id=446446#articleFigures

延伸阅读：

《飞行时间（ToF）传感器技术及应用-2020版》