A medida que los LED reemplazan los sistemas de iluminación tradicionales nuevas capacidades surgen aprovechando la versatilidad de esta tecnología.  Ahora, un grupo de investigadores han ido más allá y han logrado crear un sistema de iluminación simple a base de LEDs para crear imágenes 3D. El sistema, basado en LEDs comunes disponibles comercialmente, permite que cualquier cámara de interior utilice la luz para obtener información 3D del entorno circundante. El descubrimiento abre la posibilidad de que en un futuro cercano la iluminación LED de un área pública puede usarse de forma simultánea para iluminar el espacio, transmisión de datos a través de la luz (LiFi) y videovigilancia 3D. 

“Los sistemas actuales de videovigilancia, como los utilizados en los transportes públicos, dependen de cámaras y dispositivos que solo proporcionan información en 2D. Nuestro  nuevo enfoque podría utilizarse para iluminar diferentes áreas interiores, permitiendo  una mejor vigilancia con imágenes 3D, o su utilización en fábricas inteligentes para dotar de mayor información del entorno a los robots y dispositivos autónomos”, explica Emma Le Francois, estudiante de doctorado en el grupo de investigación dirigido por Martin Dawson, Johannes Herrnsdorf y Michael Strain en la Universidad de Strathclyde en el Reino Unido. 

Los resultados de la investigación, publicados  recientemente en la revista “Optics Express” The Optical Society (OSA), demuestran que la imagen óptica 3D se puede obtener a partir de un teléfono móvil y una iluminación LED sin requerir ningún proceso complejo para sincronizar la cámara del móvil con la iluminación. 

“El despliegue de un sistema de iluminación inteligente en una área interior permite que cualquier cámara de la habitación utilice la luz y obtenga información 3D del entorno circundante. La tecnología LED se está investigando para su uso en una variedad de aplicaciones diferentes, desde la comunicación óptica, el posicionamiento con luz visible o la generación de imágenes. Un día, los sistemas de iluminación LED inteligentes situados para iluminar un espacio interior podrán utilizarse para todas estas aplicaciones al mismo tiempo”, dice Le Francois. 

Imágenes 3D a partir de un sistema de iluminación convencional 

Es a través del cerebro como la visión humana consigue reconstruir la información de profundidad cuando vemos una escena desde dos direcciones ligeramente diferentes con nuestros ojos. Actualmente, existen varios métodos para obtener esta información de profundidad y por tanto imágenes 3D. Uno de los más comunes es a partir de “Imágenes Estéreo Fotométricas”, por el cual se consigue una mejor resolución que las imágenes de iluminación estructurada o los escáneres láser de última generación, ofreciendo un cálculo de imágenes rápidos, a la vez que puede tratar con objetos en movimiento y áreas sin texturas. En este método, un detector, o cámara, se combina con una iluminación que proviene de múltiples direcciones, permitiendo grabar imágenes con diferentes sombras, que luego se utilizan para reconstruir la imagen 3D. 

La imagen estéreo fotométrica tradicionalmente requiere de cuatros fuentes de luz que se despliegan de forma simétrica alrededor del eje de visualización de una cámara, haciendo que este sistema no sea compatible con los sistema de iluminación convencionales instalados en el espacio. Además, es necesario cableado para sincronizar las luminarias entre sí y con la cámara. En el nuevo trabajo, los investigadores muestran cómo se pueden obtener las imágenes 3D cuando los objetos son iluminados desde arriba, permitiendo que este sistema sirva también para iluminar la habitación. 

Los investigadores desarrollaron algoritmos que modulan cada LED de una manera única, generando como una huella digital que permite a la cámara determinar que LED generó que imagen para facilitar la reconstrucción 3D. Este nuevo enfoque de modulación lleva su propia señal de tiempo para que la adquisición de imágenes puede autosincronizarse con los LED utilizando simplemente usando la cámara para detectar pasivamente la señal de tiempo de los LED. 

“Queríamos hacer que el método a partir de imágenes estéreo fotométricas fuera más fácil de implementar eliminando el necesario vínculo entre las fuentes de luz y la cámara. Hasta donde sabemos, somos los primeros en demostrar un sistemas de iluminación de arriba hacia abajo con una adquisición de imagen lateral donde la modulación de la luz se autosincroniza con la cámara”, afirma Le Francois. 

Imágenes 3D con un teléfono inteligente

Para demostrar este nuevo enfoque, los investigadores emplearon un sistema de modulación con una configuración estéreo fotométrica basada en LEDs disponibles comercialmente. Una simple placa de Arduino proporcionó el control eléctronico para los LEDs. Las imágenes fueron capturadas usando el modo de video de alta velocidad de un teléfono inteligente. Obtuvieron imágenes de una figura de 48 mm de alto que se imprimió en 3D con un material mate para evitar cualquier superficie brillante que pudiera complicar la generación de la imagen. 

Después de identificar la mejor posición para los LED y el teléfono inteligente, los investigadores lograron obtener un error de reconstrucción de solo 2,6 mm para la figura cuando se tomaron imágenes desde 42 cm de distancia. . Esta tasa de error muestra que la calidad de la reconstrucción era comparable a la de otros enfoques de imágenes estéreo fotométricas. También fueron capaces de reconstruir imágenes de un objeto en movimiento y mostraron que el método no se ve afectado por la luz ambiental.

En el sistema actual, la reconstrucción de la imagen tarda unos minutos en una computadora portátil. Para hacer el sistema práctico, los investigadores están trabajando para disminuir el tiempo computacional a solo unos segundos mediante la incorporación de una red neuronal de aprendizaje profundo que aprendería a reconstruir la forma del objeto a partir de los datos de la imagen en bruto.

Créditos de imágenes: Emma Le Francois, University of Strathclyde