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光子學研究所和布里斯托爾機器人實驗室的一個團隊開發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。這標志著光度立體（PS）成像技術的一個改進。

這一團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”的概念：LED提供成像的照明和可見光通信，通過3D成像來自動監控一個區域內的活動，同時為同一空間的機器人代理提供無線連接。

技術突破

在理論上，如果PS成像技術被有效利用，就可以用于過程控制、機器人導航、公共場所的安全和監控應用以及結構監控。

然而現實很骨感。傳統PS技術自帶的復雜性使其無法被有效利用在現有的建筑基礎設施中：一是需要兼容室內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，以同步照明系統和圖像采集系統。

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

這個難關被英國的英國斯特拉斯克萊德大學所攻破。據發表在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進行3D光學成像，與標準的照明基礎設施兼容，并且不需要人為來同步相機和照明。

研究人員發現，當物體從上向下照明但從側面成像時，也可以重建3D圖像。這種設置允許將頭頂的光源用于照明。

研究小組的博士生Le Francois說：“據我們所知，這是第一個結合自上而下的照明系統與側面圖像采集的系統，其中光線的調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，研究人員還開發了以獨特方式調制每個LED的算法。這就如同一個指紋，可以讓攝像頭確定哪個LED產生了哪個圖像，新的調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據，隨后自動利用團隊的算法處理成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制方案與基于市售LED的光度立體設置：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 mm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 cm外對小雕像進行成像時，實現了僅2.6 mm的重建誤差。這個誤差率表明，重建的質量與其他光度立體成像方法相當。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境光的影響。

該項目在其發表的論文中指出：“這些努力使得PS成像無須同步，減少了閃爍，并達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）網絡或可見光定位（VLP）共存，使用相同的LED燈具來實現所有這些功能以及普通照明。”

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