Les chercheurs obtiennent des images 3D avec un éclairage DEL et un téléphone intelligent

Un éclairage DEL simple mais intelligent pourrait fournir des images 3D pour la surveillance et les applications de robotique.

À mesure que les DELs remplacent les systèmes d’éclairage traditionnels, elles apportent des fonctionnalités plus intelligentes à l’éclairage quotidien. Bien que vous puissiez utiliser votre téléphone intelligent pour atténuer l’éclairage DEL à la maison, les chercheurs sont allés plus loin en exploitant des DELs contrôlées dynamiquement pour créer un système d’éclairage simple pour l’imagerie 3D.

«Les systèmes de vidéosurveillance actuels, tels que ceux utilisés dans les transports publics, reposent sur des caméras qui ne fournissent que des informations 2D», a déclaré Emma Le Francois, doctorante dans le groupe de recherche dirigé par Martin Dawson, Johannes Herrnsdorf et Michael Strain à l’Université de Strathclyde. au Royaume-Uni. “Notre nouvelle approche pourrait être utilisée pour éclairer différentes zones intérieures afin de permettre une meilleure surveillance avec des images 3D, créer une zone de travail intelligente dans une usine ou donner aux robots une idée plus complète de leur environnement.”

Dans la revue Optics Express de l’Optical Society (OSA), les chercheurs démontrent que l’imagerie optique 3D peut être réalisée avec un téléphone portable et des DELs sans nécessiter de processus manuels complexes pour synchroniser la caméra avec l’éclairage.

«Le déploiement d’un système d’éclairage intelligent dans une zone intérieure permet à n’importe quelle caméra dans la pièce d’utiliser la lumière et de récupérer les informations 3D de l’environnement», a déclaré Le François. «On étudie les DELs pour une variété d’applications différentes, telles que la communication optique, le positionnement de la lumière visible et l’imagerie. Un jour, le système d’éclairage intelligent DEL utilisé pour éclairer une zone intérieure pourrait être utilisé pour toutes ces applications en même temps. “

La science derrière le système

Cela commence par notre cerveau. La vision humaine repose sur le cerveau pour reconstruire les informations de profondeur lorsque nous regardons une scène dans deux angles légèrement différents avec chacun de nos deux yeux. Ces informations de profondeur peuvent également être acquises à l’aide d’une méthode appelée imagerie photométrique stéréo, qui combine un détecteur, ou caméra, avec un éclairage provenant de plusieurs directions. Cette configuration d’éclairage permet d’enregistrer des images avec des ombres différentes qui peuvent ensuite être utilisées pour reconstruire une image 3D.

L’imagerie photométrique stéréo nécessite traditionnellement quatre sources de lumière, telles que des DELs, qui sont déployées symétriquement autour de l’axe de visualisation d’une caméra. Dans leur nouveau travail, les chercheurs montrent qu’on peut également reconstruire les images 3D en éclairant les objets de haut en bas mais reflétés de côté. Cette configuration permet d’utiliser l’éclairage au plafond de la pièce pour l’imagerie 3D.

Pour élaborer une image 3D, les chercheurs ont développé des algorithmes qui aident la caméra à déterminer quelle DEL a généré quelle image. Les algorithmes modulent chaque DEL différemment et on leur assigne leur propre signal d’horloge. La caméra acquiert une image après avoir détecté un signal.

«Nous voulions rendre l’imagerie photométrique stéréo plus facilement déployable en supprimant le lien entre les sources lumineuses et la caméra», a déclaré Le François. “À notre connaissance, nous sommes les premiers à présenter un système d’éclairage descendant avec une acquisition d’image latérale où la modulation de la lumière est auto-synchronisée avec la caméra.” 

Imagerie 3D avec un téléphone intelligent

Pour démontrer cette nouvelle approche, les chercheurs ont utilisé leur schéma de modulation avec une configuration stéréo photométrique basée sur des DELs disponibles dans le commerce. Une simple carte graphique Arduino a fourni le contrôle électronique des diodes électroluminescentes. Les images ont été capturées en utilisant le mode vidéo haute vitesse d’un téléphone intelligent. Ils ont capté l’image d’une figurine de 48 millimètres de haut qu’ils ont imprimée en 3D avec un matériau mat pour éviter toute surface brillante qui aurait pu compliquer l’imagerie.

Après avoir identifié la meilleure position pour les DELs et le téléphone, les chercheurs ont obtenu une erreur de reconstruction de seulement 2,6 millimètres pour la figurine lorsque photographiée à une distance de 42 centimètres. Ce taux d’erreur montre que la qualité de la reconstruction était comparable à celle d’autres approches d’imagerie photométrique stéréo. Ils ont également pu reconstituer des images d’un objet en mouvement et ont montré que la méthode n’est pas affectée par la lumière ambiante.

Dans le système actuel, la reconstruction de l’image prend quelques minutes sur un ordinateur portable. Pour rendre le système vraiment pratique, les chercheurs s’efforcent de réduire le temps de calcul à quelques secondes en incorporant un réseau neuronal d’apprentissage en profondeur qui apprendrait à reconstruire la forme de l’objet à partir des données d’image brutes.

Bibliographie:

Emma Le Francois, Johannes Herrnsdorf, Jonathan J. D. McKendry, Laurence Broadbent, Glynn Wright, Martin D. Dawson, Michael J. Strain. Synchronization-free top-down illumination photometric stereo imaging using light-emitting diodes and a mobile device. Optics Express, 2021; 29 (2): 1502 DOI: 1364/OE.408658

The Optical Society. “Researchers acquire 3D images with LED room lighting and a smartphone: Simple, yet smart LED illumination could provide 3D images for surveillance and robotic applications.” ScienceDaily. ScienceDaily, 11 January 2021. <www.sciencedaily.com/releases/2021/01/210111125549.htm>.

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