Poiché i LED sostituiscono i sistemi di illuminazione tradizionali, apportano funzionalità più intelligenti all'illuminazione quotidiana. Mentre potresti usare il tuo smartphone per attenuare l'illuminazione a LED a casa, i ricercatori si sono spinti oltre sfruttando LED a controllo dinamico per creare un semplice sistema di illuminazione per l'imaging 3D.

"Gli attuali sistemi di videosorveglianza come quelli utilizzati per i trasporti pubblici si basano su telecamere che forniscono solo informazioni 2D, " ha detto Emma Le Francois, uno studente di dottorato nel gruppo di ricerca guidato da Martin Dawson, Johannes Herrnsdorf e Michael Strain presso l'Università di Strathclyde nel Regno Unito. "Il nostro nuovo approccio potrebbe essere utilizzato per illuminare diverse aree interne per consentire una migliore sorveglianza con immagini 3D, creare un'area di lavoro intelligente in una fabbrica, o per dare ai robot un senso più completo del loro ambiente."

Nella rivista The Optical Society (OSA) Optics Express , i ricercatori dimostrano che l'imaging ottico 3D può essere eseguito con un telefono cellulare e LED senza richiedere complessi processi manuali per sincronizzare la fotocamera con l'illuminazione.

"L'implementazione di un sistema di illuminazione intelligente in un'area interna consente a qualsiasi telecamera nella stanza di utilizzare la luce e recuperare le informazioni 3D dall'ambiente circostante, " ha affermato Le Francois. "I LED vengono esplorati per una varietà di applicazioni diverse, come la comunicazione ottica, posizionamento e imaging della luce visibile. Un giorno il sistema di illuminazione intelligente a LED utilizzato per l'illuminazione di un'area interna potrebbe essere utilizzato per tutte queste applicazioni contemporaneamente".

Illuminare dall'alto

La visione umana si basa sul cervello per ricostruire le informazioni sulla profondità quando osserviamo una scena da due direzioni leggermente diverse con i nostri due occhi. Le informazioni sulla profondità possono essere acquisite anche utilizzando un metodo chiamato imaging stereo fotometrico in cui un rivelatore, o macchina fotografica, si combina con l'illuminazione che proviene da più direzioni. Questa configurazione di illuminazione consente di registrare le immagini con ombre diverse, che può quindi essere utilizzato per ricostruire un'immagine 3D.

L'imaging stereo fotometrico richiede tradizionalmente quattro sorgenti luminose, come LED, che sono dispiegati simmetricamente attorno all'asse di visione di una telecamera. Nel nuovo lavoro, i ricercatori mostrano che le immagini 3D possono essere ricostruite anche quando gli oggetti sono illuminati dall'alto verso il basso ma ripresi di lato. Questa configurazione consente di utilizzare l'illuminazione ambientale per l'illuminazione.

Nel lavoro sostenuto nell'ambito del programma di ricerca "Quantic" dell'EPSRC del Regno Unito, i ricercatori hanno sviluppato algoritmi che modulano ogni LED in un modo unico. Questo agisce come un'impronta digitale che consente alla fotocamera di determinare quale LED ha generato quale immagine per facilitare la ricostruzione 3-D. Il nuovo approccio di modulazione trasporta anche il proprio segnale di clock in modo che l'acquisizione dell'immagine possa essere auto-sincronizzata con i LED semplicemente utilizzando la telecamera per rilevare passivamente il segnale di clock del LED.

"Volevamo rendere l'imaging stereo fotometrico più facilmente implementabile rimuovendo il collegamento tra le sorgenti luminose e la fotocamera, " disse Le Francois. "A nostra conoscenza, siamo i primi a dimostrare un sistema di illuminazione dall'alto verso il basso con un'acquisizione dell'immagine laterale in cui la modulazione della luce è autosincronizzata con la telecamera."

Imaging 3D con uno smartphone

Per dimostrare questo nuovo approccio, i ricercatori hanno utilizzato il loro schema di modulazione con una configurazione stereo fotometrica basata su LED disponibili in commercio. Una semplice scheda Arduino ha fornito il controllo elettronico dei LED. Le immagini sono state catturate utilizzando la modalità video ad alta velocità di uno smartphone. Hanno ripreso una statuetta alta 48 millimetri che hanno stampato in 3D con un materiale opaco per evitare superfici lucide che potrebbero complicare l'imaging.

Dopo aver individuato la posizione migliore per i led e lo smartphone, i ricercatori hanno ottenuto un errore di ricostruzione di soli 2,6 millimetri per la figurina quando è stata ripresa da 42 centimetri di distanza. Questo tasso di errore mostra che la qualità della ricostruzione era paragonabile a quella di altri approcci di imaging stereo fotometrico. Sono stati anche in grado di ricostruire le immagini di un oggetto in movimento e hanno dimostrato che il metodo non è influenzato dalla luce ambientale.

Nel sistema attuale, la ricostruzione dell'immagine richiede alcuni minuti su un laptop. Per rendere pratico il sistema, i ricercatori stanno lavorando per ridurre il tempo di calcolo a pochi secondi incorporando una rete neurale di deep learning che imparerebbe a ricostruire la forma dell'oggetto dai dati dell'immagine grezza.