Investigadores adquieren imágenes en 3D con iluminación LED para habitaciones y un teléfono inteligente

A medida que los LED reemplazan los sistemas de iluminación tradicionales, aportan capacidades más inteligentes a la iluminación diaria. Si bien puede usar su teléfono inteligente para atenuar la iluminación LED en el hogar, los investigadores han llevado esto más allá al aprovechar los LED controlados dinámicamente para crear un sistema de iluminación simple para imágenes en 3D.

Los investigadores han demostrado que las imágenes ópticas en 3D se pueden realizar con un teléfono celular y LED sin necesidad de ningún proceso manual complejo para sincronizar la cámara con la iluminación.

“La implementación de un sistema de iluminación inteligente en un área interior permite que cualquier cámara en la habitación use la luz y recupere la información 3D del entorno circundante”, dijo Emma Le Francois. “Los LED se están explorando para una variedad de aplicaciones diferentes, como comunicación óptica, posicionamiento de luz visible e imágenes. Un día, el sistema de iluminación inteligente LED utilizado para iluminar un área interior podría usarse para todas estas aplicaciones al mismo tiempo”.

La visión humana se basa en el cerebro para reconstruir la información de profundidad cuando vemos una escena desde dos direcciones ligeramente diferentes con nuestros dos ojos. La información de profundidad también se puede adquirir utilizando un método llamado imagen estéreo fotométrica en el que un detector, o cámara, se combina con iluminación que proviene de múltiples direcciones. Esta configuración de iluminación permite grabar imágenes con diferentes sombras, que luego se pueden usar para reconstruir una imagen 3D.

La imagen estéreo fotométrica requiere tradicionalmente cuatro fuentes de luz, como LED, que se implementan simétricamente alrededor del eje de visualización de una cámara. En el nuevo trabajo, los investigadores muestran que las imágenes en 3D también se pueden reconstruir cuando los objetos se iluminan de arriba hacia abajo pero se toman imágenes de un lado. Esta configuración permite utilizar la iluminación superior de la habitación para la iluminación.

Los investigadores desarrollaron algoritmos que modulan cada LED de una manera única. Esto actúa como una huella dactilar que permite que la cámara determine qué LED generó qué imagen para facilitar la reconstrucción 3D. El nuevo enfoque de modulación también lleva su propia señal de reloj para que la adquisición de imágenes se pueda sincronizar automáticamente con los LED simplemente usando la cámara para detectar pasivamente la señal de reloj LED.

Para demostrar este nuevo enfoque, los investigadores utilizaron su esquema de modulación con una configuración estéreo fotométrica basada en LED disponibles comercialmente. Una simple placa Arduino proporcionaba el control electrónico de los LED. Las imágenes fueron capturadas usando el modo de video de alta velocidad de un teléfono inteligente. Tomaron una imagen de una figura de 48 milímetros de altura que imprimieron en 3D con un material mate para evitar cualquier superficie brillante que pudiera complicar la imagen.

Después de identificar la mejor posición para los LED y el teléfono inteligente, los investigadores lograron un error de reconstrucción de solo 2,6 milímetros para la figura cuando se tomaron imágenes desde una distancia de 42 centímetros. Esta tasa de error muestra que la calidad de la reconstrucción fue comparable a la de otros enfoques fotométricos de imágenes estereoscópicas. También pudieron reconstruir imágenes de un objeto en movimiento y demostraron que el método no se ve afectado por la luz ambiental.

En el sistema actual, la reconstrucción de la imagen toma unos minutos en una computadora portátil. Para que el sistema sea práctico, los investigadores están trabajando para reducir el tiempo computacional a solo unos segundos al incorporar una red neuronal de aprendizaje profundo que aprendería a reconstruir la forma del objeto a partir de los datos de imagen sin procesar.