研究者たち、LED室内照明とスマートフォンで3D画像を撮影

LEDが従来の照明システムに取って代わるにつれ、日常の照明により多くのスマート機能がもたらされています。自宅でスマートフォンを使ってLED照明を調光するかもしれませんが、研究者たちはさらに一歩進み、動的に制御されるLEDを活用して、3Dイメージングのためのシンプルな照明システムを作り出しました。

研究者たちは、複雑な手動プロセスでカメラと照明を同期させることなく、携帯電話とLEDだけで3D光学イメージングを実行できることを実証しました。

「室内エリアにスマート照明システムを導入すれば、その部屋のあらゆるカメラが光を利用し、周囲の環境から3D情報を取得できるようになります」とEmma Le Francois氏は述べています。「LEDは光通信、可視光位置決め、イメージングなど、さまざまなアプリケーションで探求されています。ある日、室内エリアの照明に使用されるLEDスマート照明システムが、これらすべてのアプリケーションを同時に実行するために使用されるかもしれません。」

人間の視覚は、2つの目でわずかに異なる方向からシーンを見たとき、脳が深度情報を再構築することに依存しています。深度情報は、1つの検出器（カメラ）と複数の方向からの照明を組み合わせるフォトメトリックステレオイメージングと呼ばれる方法でも取得できます。この照明セットアップにより、異なる影付きで画像を撮影でき、それらを用いて3D画像を再構築できます。

フォトメトリックステレオイメージングは伝統的に、カメラの視軸を中心に対称的に配置された4つの光源（LEDなど）を必要とします。新しい研究では、物体を真上から照明し、横から撮像する場合でも3D画像を再構築できることを示しています。このセットアップにより、天井の室内照明を照明として使用できます。

研究者たちは、各LEDを独自の方法で変調するアルゴリズムを開発しました。これは指紋のように機能し、カメラがどのLEDがどの画像を生成したかを特定して3D再構築を容易にします。新しい変調アプローチは独自のクロック信号も持つため、カメラでLEDクロック信号を受動的に検出するだけで、画像取得をLEDと自己同期できます。

この新しいアプローチを実証するため、研究者たちは市販のLEDを用いたフォトメトリックステレオセットアップで変調スキームを使用しました。シンプルなArduinoボードがLEDの電子制御を提供しました。画像はスマートフォンの高速ビデオモードで撮影しました。マット素材で3Dプリントした48mmのフィギュアを撮影し、光沢面によるイメージングの複雑化を回避しました。

LEDとスマートフォンの最適な位置を特定した後、研究者たちは42cm離れた位置から撮影したフィギュアで、わずか2.6mmの再構築誤差を達成しました。この誤差率は、他のフォトメトリックステレオイメージングアプローチと同等の再構築品質を示しています。動く物体の画像再構築も可能で、環境光の影響を受けないことも示しました。

現在のシステムでは、ノートPCで画像再構築に数分かかります。実用化に向け、ディープラーニングニューラルネットワークを組み込み、生画像データから物体の形状を学習させることで、計算時間をわずか数秒に短縮する取り組みを進めています。