Investigadores usan iluminación LED de habitación y smartphone para capturar imágenes 3D

A medida que los LEDs reemplazan los sistemas de iluminación tradicionales, aportan más capacidades inteligentes a la iluminación cotidiana. Mientras que podrías usar tu smartphone para atenuar la iluminación LED en casa, los investigadores han ido más allá aprovechando LEDs controlados dinámicamente para crear un sistema de iluminación simple para imágenes 3D.

Los investigadores han demostrado que la imagen óptica 3D puede realizarse con un teléfono celular y LEDs sin requerir procesos manuales complejos para sincronizar la cámara con la iluminación.

"Desplegar 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 LEDs están siendo explorados para una variedad de aplicaciones diferentes, como comunicación óptica, posicionamiento por luz visible e imágenes. Un día, el sistema de iluminación inteligente LED usado para iluminar un área interior podría usarse para todas estas aplicaciones al mismo tiempo."

La visión humana depende del cerebro para reconstruir información de profundidad cuando vemos una escena desde dos direcciones ligeramente diferentes con nuestros dos ojos. La información de profundidad también puede adquirirse usando un método llamado imagen estereoscópica fotométrica en el cual un detector, o cámara, se combina con iluminación que viene de múltiples direcciones. Esta configuración de iluminación permite grabar imágenes con diferentes sombras, que luego pueden usarse para reconstruir una imagen 3D.

La imagen estereoscópica fotométrica tradicionalmente requiere cuatro fuentes de luz, como LEDs, desplegadas simétricamente alrededor del eje de visión de una cámara. En el nuevo trabajo, los investigadores muestran que las imágenes 3D también pueden reconstruirse cuando los objetos son iluminados desde arriba pero imagenados desde el lado. Esta configuración permite que la iluminación de techo sea usada para iluminación.

Los investigadores desarrollaron algoritmos que modulan cada LED de manera única. Esto actúa como una huella digital que permite a la cámara determinar 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 pueda auto-sincronizarse con los LEDs simplemente usando la cámara para detectar pasivamente la señal de reloj del LED.

Para demostrar este nuevo enfoque, los investigadores usaron su esquema de modulación con una configuración estereoscópica fotométrica basada en LEDs disponibles comercialmente. Una simple placa Arduino proveyó el control electrónico para los LEDs. Las imágenes fueron capturadas usando el modo de video de alta velocidad de un smartphone. Imaginaron una figurita de 48 milímetros de alto que imprimieron en 3D con material mate para evitar superficies brillantes que podrían complicar la imagen.

Después de identificar la mejor posición para los LEDs y el smartphone, los investigadores lograron un error de reconstrucción de solo 2.6 milímetros para la figurita cuando fue imagenada desde 42 centímetros de distancia. Esta tasa de error muestra que la calidad de la reconstrucción era comparable a la de otros enfoques de imagen estereoscópica fotométrica. También pudieron reconstruir imágenes de un objeto en movimiento y mostraron que el método no se ve afectado por luz ambiental.

En el sistema actual, la reconstrucción de imagen toma unos minutos en una laptop. Para hacer el sistema práctico, los investigadores están trabajando para disminuir el tiempo computacional a solo unos segundos incorporando una red neuronal de deep learning que aprendería a reconstruir la forma del objeto desde los datos de imagen en bruto.