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變角分光成像測定方法及其裝置制造方法
【專利摘要】具備向測定采樣面(2)從2個以上的角度方向照射照明光的照明裝置(10)、成像用的光學透鏡(8)、黑白二維圖像傳感器(4)。由此，提供一種方法和裝置，其針對每個測定波長攝像測定采樣面(2)的二維圖像，在該二維圖像的全部像素中，針對每個像素短時間、準確地測量變角、分光信息，具體地說，實現(xiàn)更準確并且實用性高的變角分光成像測定方法及其裝置。
【專利說明】變角分光成像測定方法及其裝置

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明與測量物體表面的色彩的涂料、涂裝、纖維、印刷、塑料等全部領域相關聯(lián)， 涉及一種用于測量評價、以及基于測量評價的制造的變角分光成像測定方法及其裝置。

【背景技術】
[0002] 近年來的工業(yè)產(chǎn)品，外觀性是極其重要的附加價值之一。因此，具有多樣的質感、 表面構造的產(chǎn)品很多。例如，汽車的外飾涂料中包含多種多樣的光亮材料，因此其表面具有 極其微小的光亮性的反射、粒狀的質地。進而，根據(jù)光亮材料、顏料、其他材料的組合、涂裝 的層構造、照明和觀察方向的幾何條件的變化，色彩有很大變化。特別地近年來，由于干涉 性光亮材料的出現(xiàn)，色彩、質地進一步顯示出多樣的變化。另外，不限于汽車外飾涂裝，在內 飾材料、家具、建筑物、家電產(chǎn)品、電子設備、化妝品、包裝等其他產(chǎn)品中，與是否含有光亮材 料無關地，表面構造也變得復雜。另外，與汽車外飾涂裝同樣地，根據(jù)質地和光學幾何條件， 其色彩或質地也多樣地變化。進而，不只是涂裝產(chǎn)品，木材產(chǎn)品、纖維產(chǎn)品也同樣地具備因 光學幾何條件造成的色彩變化、質地。另外，不只是工業(yè)產(chǎn)品，對于皮膚、整體物，也具備因 光學幾何條件造成的色彩變化、質地。
[0003] 另外，在設計、材料的商品開發(fā)、制造/質量管理、廣告等市場拓展中，有經(jīng)驗者的 高度的視覺判斷不可或缺，因此需要很多的時間和人力資源，需要花費很大的能源、勞力 等。因此，正在要求準確地測量/評價這些表面顏色的方法的確立、準確地表現(xiàn)CG等圖像 的手段。
[0004] 為此，希望確立一種通過變角以簡單的操作方法短時間并且準確/穩(wěn)定地測量圖 像色彩信息的物理手段、評價方法。此外，對于色彩測量，從準確性和能夠測量廣范圍的色 彩這一點出發(fā)，特別對于包含干涉性光亮材料的物體顏色，分光測量是重要的。
[0005] 在專利文獻1中公開了以下的技術，其在得到分光信息時，通過使用棱鏡、衍射光 柵的分光光，來得到因圖像的部位而不同的分光信息。
[0006] 另外，在專利文獻2中公開了與具有旋轉式照明光源和多光譜照相機的變角分光 成像裝置有關的技術。
[0007] 進而，在專利文獻3中公開了以下的技術，其為了修正照明光源的時間變動，在樣 本面的整個周緣部設置白色參照面。
[0008] 在專利文獻4中公開了以下的技術，其在進行變角分光測定時，使用能夠發(fā)出并 排為一列的不同顏色的光的具備多個單色LED的照明裝置向樣本面進行照射而進行攝像。
[0009] 在專利文獻5中，公開了與具有測定紫外線照明光下的被攝體的第一光譜和可視 光照明光下的被攝體的第二光譜的分光儀的分光測定系統(tǒng)有關的技術。
[0010] 在專利文獻6中，公開了與測定樣本的分光特性來進行計算的色彩測定裝置有關 的技術。
[0011] 現(xiàn)有技術文獻
[0012] 專利文獻
[0013] 專利文獻I :日本專利第3933581號公報
[0014] 專利文獻2 :日本特開2005-181038號公報
[0015] 專利文獻3 :日本特公昭60-041731號公報
[0016] 專利文獻4 :日本特開2004-226262號公報
[0017] 專利文獻5 :日本特開2003-337067號公報
[0018] 專利文獻6 :日本特開2007-333726號公報


【發(fā)明內容】

[0019] 發(fā)明要解決的問題
[0020] 專利文獻1所公開的技術表示出得到根據(jù)圖像的部位而不同的分光信息的方法， 分光信息只不過對每個像素不同，無法取得在全部像素中使波長等對每個像素不同的分光 信息。另外，并不構筑測定中的光量變動、曝光時間的變動等的修正單元，在涂料制造、基于 涂裝的產(chǎn)品制造中難以進行滿足實用性的高精度的測量。進而，照明裝置是從比40度大的 角度位置的1個地方的照明，因此必須將記錄裝置的視場角取得廣，產(chǎn)生在記錄裝置中通 常使用的成像透鏡的周邊部的畸變。
[0021] 專利文獻2所公開的技術是具有照明光源和多光譜照相機的變角分光成像裝置， 但表示出照明光源是來自1個位置的照明或使一個照明旋轉驅動的結構、樣本旋轉的結 構，難以進行準確的測定，或者需要用于旋轉驅動的機構，存在機構復雜的問題點。
[0022] 專利文獻3所公開的技術在測定物體的反射光和背景光中照射來自光源的光，只 是在受光器中進行了受光后進行兩者的相對比較，并不是攝像照射后的光來取得分光信 息。
[0023] 專利文獻4所公開的技術通過固定的2個照明裝置進行照明來進行測定，但照明 裝置將發(fā)出不同顏色的光的單色LED排列為一列，分別獨立地切換點亮、熄滅，因此存在以 下的問題點，即根據(jù)發(fā)光的LED而相對于測定物的角度不同，通過攝像元件得到的信息也 不同。
[0024] 專利文獻5所公開的技術具備具有多個不同的分光能量分布的發(fā)光部，但分別具 備各個發(fā)光部，因此存在以下的問題點，即根據(jù)發(fā)光的發(fā)光部而相對于測定物的角度不同， 通過分光儀得到的信息也不同。
[0025] 專利文獻6所公開的技術只不過是根據(jù)通過光度儀得到的信息進行圖像計算的 程度。
[0026] 為了得到包含復雜的構造顯色的光亮材料的特征、評價信息，能夠進行在廣色域 中基于照明和觀察方向的光學幾何條件可變的變角測量的圖像測量是必要且有效的。另 夕卜，對于測量出的分光成像信息，需要用于對其特征進行數(shù)值化的圖像分析計算。
[0027] 但是，這樣的裝置并沒有實用化，在現(xiàn)有的方法中，信息量極少、或數(shù)據(jù)的測量非 常需要時間，并且需要與裝置符合的有效的圖像分析計算的手段。另外，近年來的汽車涂料 中大多使用特殊的干涉性光亮材料，其特征是包含非常細微、高亮度、并且顏色的表現(xiàn)域廣 的光亮性的反射顏色。為了針對這些涂色，有效地利用變角信息，另外進行用于評價特征的 準確的圖像分析計算，必須對圖像整體以高解析度/高精度，進行高動態(tài)范圍、廣色域的測 量。
[0028] 因此，本發(fā)明的目的在于：鑒于在上述【背景技術】中說明的現(xiàn)有技術的問題點，提供 一種短時間、高效地測量物體表面的每個像素的變角、分光等信息的方法和裝置，更具體地 說實現(xiàn)更準確、實用性高的變角分光成像測定方法及其裝置。
[0029] 另外，實現(xiàn)針對三維形狀的樣本面修正光學幾何條件的變化的變角分光成像測定 方法及其裝置。
[0030] 用于解決問題的手段方案
[0031] 為了得到包含復雜的構造顯色的光亮材料的特征、評價信息，能夠進行在廣色域 中基于照明和觀察方向的光學幾何條件可變的變角測量的圖像測量是必要且有效的。
[0032] 因此，在本發(fā)明中，作為其解決方法，配置能夠在與樣本面垂直的方向上進行攝像 的二維圖像傳感器，組合從與樣本面垂直的方向具有某角度的照明裝置，通過來自2個以 上的角度方向的照明光的照射，利用圖像內X軸、Y軸方向的每個像素的幾何光學條件的變 化，測量變角分光成像信息。
[0033] 在分光測量中，使用白色光照明/分光受光方法，其在二維圖像傳感器和樣本面 之間的位置具備對每個固定波長具有透過波長帶的帶通濾波器、能夠改變透過波長帶的液 晶可調濾波器、音響光學元件等。或者，使用分光照明方法，其具備能夠向照明光輸出每個 測定波長的單色光的分光光源裝置。或者，通過使用組合分光受光和分光照明的方法，還對 應熒光色的測定。
[0034] 測定出的每個像素的分光數(shù)據(jù)，例如在變換為CIE的三刺激值、CIELAB值、RGB值、 孟賽爾表色值等色彩數(shù)值后，被用于基于光學幾何條件的LAB空間上的分布的三維構造、 空間頻率分析、使用信息熵等的數(shù)值對物體表面的特征進行比較/評價的數(shù)值計算單元。
[0035] 另外，通過將三維形狀測定單元裝入到變角分光成像裝置中，使用樣本面的三維 形狀信息求出樣本面的法線方向，修正因光學幾何條件的變化和位移、傾斜的不同造成的 每單位面積的光的照明能量。
[0036] 發(fā)明效果
[0037] 根據(jù)本發(fā)明，提供一種短時間、高效地測量物體表面的每個像素的變角、分光等信 息的方法和裝置，更具體地說，能夠實現(xiàn)更準確、實用性高的變角分光成像測定方法及其裝 置。另外，通過使用來自2個以上的角度方向的照明光的照射，能夠減小成像用的透鏡的視 場角范圍，因此能夠減輕透鏡周邊部的畸變，能夠基于分光測量而進行準確并且廣范圍的 顏色信息的測量。另外，通過一次地測量多樣并且連續(xù)的光學幾何條件，能夠短時間地實現(xiàn) 高空間分辨率。進而，在圖像中得到分光信息，因此能夠捕捉細微的光亮性反射。另外，能 夠部分地對圖像進行平均化，或對每個光學幾何條件進行平均化，或者與變角信息一起靈 活地運用顏色空間上的分布信息、數(shù)據(jù)處理。進而，通過裝入三維形狀測定單元，能夠測定 樣本面的三維形狀信息，修正因樣本面的光學幾何條件的變化和位移、傾斜的不同造成的 每單位面積的光的照射能量。另外，通過測量皮膚、生物體，還有可能能夠有助于醫(yī)療方向、 化妝品等的研宄開發(fā)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038] 圖1是說明本發(fā)明的概要結構的圖。
[0039] 圖2是說明本發(fā)明的光學幾何條件的圖。
[0040] 圖3是說明使用線狀的照明裝置的實施方式的圖。
[0041] 圖4是說明使用點狀的照明裝置的實施方式的圖。
[0042] 圖5是說明本發(fā)明的校正步驟的流程圖。
[0043] 圖6是說明本發(fā)明的測定步驟的流程圖。
[0044] 圖7是表示將照明裝置設定為20度的角度時的L*的分布的圖表。
[0045] 圖8是表示將照明裝置設定為45度的角度時的L*的分布的圖表。
[0046] 圖9是表示在本發(fā)明中使波長和鏡面反射夾角變化時的分光反射率系數(shù)的變化 的圖。
[0047] 圖10是表示采樣A的CIELAB顏色空間中的各像素的分布的圖。
[0048] 圖11是表示采樣A的CIELAB顏色空間中的各像素的分布的圖，是表示將照明裝 置設定為20度和45度時的L*-a*關系、以及將L*的值設為50時的a*-b*關系的圖。
[0049] 圖12是表示采樣A的相對于鏡面反射夾角將圖像分割為8個區(qū)域后的CIELAB 顏色空間中的各像素的分布的圖，是表示將照明裝置設定為20度和45度時的各區(qū)域中的 L*_a*關系、以及將L*的值設為50時的a*_b*關系的圖。
[0050] 圖13是表示采樣B的CIELAB顏色空間中的各像素的分布的圖。
[0051] 圖14是表示采樣B的CIELAB顏色空間中的各像素的分布的圖，是表示將照明裝 置設定為20度和45度時的L*-a*關系、以及將L*的值設為50時的a*-b*關系的圖。
[0052] 圖15是表示采樣B的相對于鏡面反射夾角將圖像分割為8個區(qū)域后的CIELAB 顏色空間中的各像素的分布的圖，是表示將照明裝置設定為20度和45度時的各區(qū)域中的 L*_a*關系、以及將L*的值設為50時的a*_b*關系的圖。
[0053] 圖16是說明在本發(fā)明中裝入了三維形狀測定單元的其他實施例的圖。
[0054] 圖17是說明光源是點光源的情況下得到分光信息的單元的圖。
[0055] 圖18是說明光源是線光源的情況下得到分光信息的單元的圖。
[0056] 圖19是表示與因光亮材料的定向造成的幾何條件的變化相伴隨的測量值的變化 的圖。
[0057] 圖20是表示干涉性光亮材料的測量例的圖。
[0058] 圖21是表示L* = 15時的L*_a*和a*_b*面上的分布的圖。
[0059] 圖22是表示黑白的二維圖像傳感器的圖。
[0060] 圖23是表示Bayer排列的二維圖像傳感器的圖。
[0061] 圖24是表示Foveon二維圖像傳感器的圖。
[0062] 圖25是表示三板式的二維圖像傳感器的圖。
[0063] 圖26是表示在照明側使用分光單元的例子的圖。
[0064] 圖27是表示在照明側和受光側使用分光單元的例子的圖。
[0065] 圖28是表示配置了多個照明裝置的狀態(tài)的圖。
[0066] 圖29是表示同時點亮從樣本面的中心相對于垂直方向的軸位于對稱位置的光源 的狀態(tài)的圖。
[0067] 圖30是表示測量裝置的結構例子的圖。
[0068] 圖31是表示測量擋泥板、門等大型樣本的例子的圖。
[0069] 圖32是表示測量液體樣本等的例子的圖。
[0070] 圖33是表示用于說明校正系數(shù)的每個水平的出現(xiàn)頻度的圖。
[0071] 圖34是表示使用線狀的光源時的看作測定值相同的位置的圖。
[0072] 圖35是表示使用點光源時的看作測定值相同的位置的圖。
[0073] 圖36是用于說明三維曲面測量的圖。
[0074] 圖37是用于說明校正系數(shù)的修正的圖。

【具體實施方式】
[0075] 以下，與附圖一起說明本發(fā)明的實施方式。
[0076] (關于測定機構）
[0077] 圖1是說明本發(fā)明的概要結構的圖。本發(fā)明的變角分光成像裝置的實施方式具備 設置在平面狀的測定采樣面2的垂直方向上的取得黑白灰度等級的圖像的黑白二維圖像 傳感器4、將圖像成像在黑白二維圖像傳感器上的光學透鏡8、設置在測定采樣面2和光學 透鏡8之間的預定位置的液晶可調濾波器等能夠改變透過波長頻帶的分光單元6、在測量 波長區(qū)域中具有測定所需的能量的照明裝置10。在本發(fā)明的一個實施方式中，由在測定采 樣面2的周緣部設置了與測定采樣面平行地設置的白色參照面12的結構構成。白色參照 面在攝像時同時被攝像，由此用于吸收測量時間中的照明的光量變動、攝像元件的曝光時 間的變動、誤差的修正。
[0078] (關于光學幾何條件）
[0079] 以下，說明圖像、照明和受光/觀察的光學幾何條件。圖2是說明本發(fā)明的光學幾 何條件的圖。從照明裝置10照射的光照射到測定采樣面2和白色參照面12。黑白二維圖 像傳感器4和光學透鏡8被配置得將測定采樣面2和白色參照面12同時容納在圖像中。此 夕卜，在本附圖中省略了分光單元6的記載。
[0080] 從照明裝置10照射的光照射測定采樣面2和白色參照面12,但照射方向依存于照 射形狀，相對于測定采樣面2、白色參照面12的垂直方向，對測定采樣面2、白色參照面12 的每個位置不同。正反射方向具有與照射方向相反的鏡面方向的關系。攝像測定采樣面2 和白色參照面12的黑白二維圖像傳感器4的各像素所受光的方向對每個像素不同，將其單 位向量18設為Pp i、j是圖像的X軸、Y軸方向的像素。即，（i，j)表示二維圖像上的各 像素的坐標。
[0081] 將圖像上的照明方向的單位向量20設為Iij，將與其對應的鏡面反射方向的單位 向量16設為Sp -般將與照明的鏡面反射方向對應的受光方向的單位向量18的角度稱 為a-specula角14(以下稱為"鏡面反射夾角"），用于汽車的外飾涂色的金屬色、珍珠色依 存于該角度而色彩（亮度、彩度、色彩）變化。如果將圖像上的各像素的鏡面反射夾角設為 S ij,則用（數(shù)學式1)表示。此外，在圖2中，為了容易理解，說明作為與黑白二維圖像傳感 器4的各像素（i，j) 19對應的測定采樣面2或白色參照面12的各位置。
[0082] [數(shù)學式1]
[0083] δ i j = cos-1 (Pij · Sij)
[0084] 在此，Pij · Sij表示P u和S u的內積。
[0085] 如根據(jù)圖2可知的那樣，黑白二維圖像傳感器4的像素中的鏡面反射夾角δ u對 每個i、j不同，具有變角的信息。
[0086] 根據(jù)圖2,說明詳細的鏡面反射夾角的計算方法。作為與點P對應的幾何條件，將 Θ u設為照明的天頂角，將Φ η設為以X軸為基準的逆時針方向的照明的方位角，將Θ _設 為受光的天頂角，將Φκν設為以X軸為基準的逆時針方向的受光的方位角。假設通過后述 的計算求出幾何條件（θ η，Φη，θκν，Φ"ν)，如果將與照明方向對應的正反射方向的單位 向量設為（n xa，nya，nza)，將受光方向的單位向量設為（η"，&，nj，則正反射的角度為
[0087] [數(shù)學式2]
[0088] Θ as= θ α
[0089] (J)as= φ η+π
[0090] 因此，
[0091] [數(shù)學式3]
[0092] nxa= sin ( Θ as) · C0S((i)as)
[0093] nya= sin ( Θ as) · Sin((J)as)
[0094] nza=cos(9 J
[0095] 另一方面，在受光角的情況下，
[0096] [數(shù)學式4]
[0097] nxr= sin( Θ rsv) · c〇s(<i)rsv)
[0098] nyr= sin( Θ rsv) · sin(<i)rsv)
[0099] nzr= cos ( Θ rsv)
[0100] 如果根據(jù)內積對角度進行逆計算，則
[0101] [數(shù)學式5]
[0102] δ Jj= cos (nxa · nxr+nya · nyr+nza · nzr)
[0103] 該δ u在取得光亮材料的光學特征方面為代表性的角度條件。在δ u相同的區(qū)域 中，計算顏色空間分布、或根據(jù)圖像計算統(tǒng)計上的參數(shù)是有用的。
[0104] 照明裝置10的形狀如圖3所示應用線狀（線狀的光源）、或如圖4所示應用點狀 (點光源）等。光學透鏡8和分光單元6只要能夠起到各自的功能，也可以替換配置的順 序。在線狀的照明形狀的情況下，根據(jù)設置的方向，針對圖像的X軸或Y軸的任意一個方向 具有變角的信息。另外，在點狀的照明形狀的情況下，照明和受光的角度相對于圖像的X軸 方向、Y軸方向的雙方變化，針對雙方的方向具有變角的信息。
[0105] 在此，測定采樣面2具有二維的拓展，在測定采樣面2和白色參照面12的每個位 置，鏡面反射夾角不同。圖7表示將照明裝置設定為20度時的從測量圖像得到的L*的分 布，圖8表示將照明裝置設定為45度時的從測量圖像得到的L*的分布。
[0106] 接著，更詳細地說明針對通過點狀或線狀的照明光源裝置相對于樣本面反射的反 射光，利用因樣本面上的位置產(chǎn)生的光學幾何條件的變化得到分光信息的單元。
[0107] 圖17表示光源是點光源的情況。將樣本面的位置設為PXY(Xp，y p)，將照明的位置 設為Ι(θρ 將受光的位置（焦點位置）設為R(0,0，Dr)。在此，x、y是樣本面上的 X軸方向、Y軸方向的位置，Θ是天頂角，Φ是相對于X軸的逆時針方向的方位角，Di是從 樣本面的坐標原點到光源為止的距離，W是從樣本面的坐標原點到攝像裝置為止的距離， 攝像裝置具有能夠捕捉樣本面的攝影范圍的視場角。能夠用照明的天頂角、方位角、受光的 天頂角、方位角來表現(xiàn)位置P處的照明和受光的幾何條件。這時，照明位置為
[0108] [數(shù)學式6]
[0109] Xi= D i · sin ( Θ J · cos ( Φ )
[0110] Yi= D j · sin ( Θ j) · sin ( Φ j)
[0111] Zi= D j · cos ( Θ j)
[0112] 另外，與點P對應的xy平面上的照明的相對坐標位置為
[0113] [數(shù)學式7]
[0114] Xi'= Xi-Xp
[0115] Yi? = Yi-Yp
[0116] 與點P對應的xy平面上的受光的相對坐標位置為
[0117] [數(shù)學式8]
[0118] xr'=_xp
[0119] y/ = -yp
[0120] 這時，幾何條件（Θ n，（J)il, Θ rsv，（J)rsv)為
[0121] [數(shù)學式9]
[0122] θ η= π/2 - tan'Zi/sqrtUxiOMyi，）2)) (sqrt 表示平方根。以下同樣）
[0123] Φ α= tan )
[0124] Θ rsv= π/2 - tan(zr，/sqrt ((xr，）2+(yr，）2))
[0125] Φ rsv= tan η (yr，/xr，）
[0126] 圖18表示光源為線狀的情況。如果將光源設置為與Y軸方向平行，則對于Y軸 為平均的照明，該情況下的光學幾何條件將樣本面的位置設為P(X p)，將照明的位置設為 1(0 1，〇1)，將受光的位置（焦點位置）設為1?(〇，比）。在此^是樣本面上的乂軸方向、￥軸 方向的位置，Θ是天頂角，D i是從坐標原點到照明為止的距離，是從坐標原點到攝像裝置 為止的距離，攝像裝置具有能夠捕捉樣本面的攝影范圍的視場角。能夠用照明的天頂角、方 位角、受光的天頂角、方位角來表現(xiàn)位置P處的照明和受光的幾何條件。這時，照明位置為
[0127] [數(shù)學式 10]
[0128] Xi= D j · sin(Si)
[0129] Zi= D j · cos (Si)
[0130] 另外，與點P對應的xy平面上的照明的相對坐標位置為
[0131] [數(shù)學式 11]
[0132] Xi'= Xi - X p
[0133] z/ = Zi
[0134] 與點P對應的xy平面上的受光的相對坐標位置為
[0135] [數(shù)學式 12]
[0136] xr' = - Xp
[0137] z/ =- De
[0138] 這時，幾何條件（θη，0rJ為
[0139] [數(shù)學式 13]
[0140] θα= π/2 - tan (z/ / I χ/ |)
[0141] Θ rsv= π/2 - tan 氣(zr' /|xr' I)
[0142] 在圖19中，表示出因光亮材料的定向造成的幾何條件的變化所伴隨的測量值的 變化。光亮材料在表面具有包含正反射的光亮性的反射特性，表示出在正反射方向上強烈 反射的指向反射特性。其在正反射方向上極其強烈地反射，因此隨著觀察位置從正反射方 向離開，其反射光量急劇降低。光亮材料的大小通常是數(shù)ym?數(shù)十μπι，但也有時超過 100 ym。這是因為在通過噴涂形成的涂膜層中具有波動地產(chǎn)生光分布。
[0143] 作為分光測量單元，在光學幾何條件對每個波長稍微變動的情況下，在該正反射 附近，也會產(chǎn)生大的反射光量的變動，有時無法進行準確的光亮性反射的測量，有時顏色空 間上的分布也有很大不同。如果列舉例子，則在通過鋁的薄片形成的光亮材料中，與本來銀 色對每個波長大致為固定的反射率系數(shù)無關地，如果光學幾何條件對每個波長不同，則每 個波長的分光反射率系數(shù)不同，由此會產(chǎn)生偽色。在干涉性光亮材料的情況下，如果光學幾 何條件不同，則干涉條件也變化，對分光反射率系數(shù)、色彩值也產(chǎn)生很大的影響。
[0144] 用于測量的分光單元針對測定對象必須具有適當?shù)牟ㄩL分辨率。近年來，對于光 亮材料使用干涉性光亮材料的情況很多，具有反射率的形狀尖銳、接近作為單波長的顏色 的純色的反射特性。因此，如果測量光亮性反射，則在顏色空間中分布為廣范圍，因此在色 域有限的RGB方式等的測量方法中，范圍窄，無法進行準確的測量。圖20表示干涉光亮材料 的測量例子。在該測量例子中，表示出德國Merck公司的商品名Xirallic Crystal Silver 的結果。如果顯示四角圍住的小區(qū)域中的光亮性的反射，則針對波長測量尖銳、寬度窄的形 狀的分光反射率系數(shù)。另外，對表示物體顏色的邊界區(qū)域的最亮顏色的區(qū)域和分布進行了 比較。在圖21中，根據(jù)測量出的分光反射率系數(shù)，通過人工照明D65在觀察視野10°的條件 下計算CIELAB顏色空間的值，與最亮顏色的區(qū)域一起表示出L* = 15時的L*-a*和a*-b* 面上的分布。測量結果表示出分布到最亮顏色附近為止，必須以對測量廣區(qū)域來說充足的 波長分辨率進行測量。
[0145] (關于攝像用的二維圖像傳感器）
[0146] 以下，說明攝像用的二維圖像傳感器。
[0147] 對于近年來的汽車涂料，大多使用特殊的干涉性光亮材料，包含非常細微、高亮 度、并且顏色的表現(xiàn)域廣的光亮性的反射顏色。針對這些涂色，為了有效地利用變角信息， 進行評價特征的準確的圖像分析計算，必須對圖像整體高解析度、高精度地進行高動態(tài)范 圍、廣色域的測量。為此，在本發(fā)明的實施方式中，通過對圖像傳感器使用黑白的二維圖像 傳感器4來抑制波紋圖像的產(chǎn)生，并且通過在攝像的前階段具備分光單元，實現(xiàn)了針對全 部像素得到廣色域的分光信息的機構。
[0148] 二維圖像傳感器4為了高精度地捕捉良好的光亮性的反射顏色，優(yōu)選具備抗模糊 機構，并且在CCD攝像傳感器的情況下，具備通過珀爾帖元件、水冷、空氣致冷、或同時使用 它們的冷卻機構，即使長時間的曝光也能夠抑制噪聲的產(chǎn)生的單元。使用具備動態(tài)范圍也 為8比特以上、優(yōu)選16比特以上的輸出分辨率的傳感器。進而，對于元件，優(yōu)選具備抗模糊 的機構。
[0149] 二維圖像傳感器4為了在微小區(qū)域中的測量中抑制偽色、波紋的產(chǎn)生，優(yōu)選沒有 彩色RGB元件的并列排列的方法。在黑白傳感器的情況下，沒有這種擔心。另外，能夠測 量RGB，但也存在不依存于并列排列的元件，這也不產(chǎn)生偽色而對本發(fā)明特別作為對象的光 亮材料的微小反射的測量是有效的。在不依存于并列排列的RGB攝像元件中有三板式的元 件、Foveon傳感器。
[0150] 圖22?25表示二維圖像傳感器的種類。在此，圖22表示黑白，圖23表示 Bayer (拜耳）排列彩色，圖24表示Foveon彩色，圖25表示三板式。圖24的Foveon方式 對一個像素具有G、R、B的靈敏度。在使用了圖22的黑白的二維圖像傳感器的情況下，能夠 最高效率、高靈敏度地進行測量。圖24的Foveon彩色、圖25的三板式的圖像傳感器都是 像素不并列的方法，能夠謀求測量的高速化。另一方面，圖23的Bayer排列彩色方式是并 列方式，在這樣的方法中，有可能產(chǎn)生幾何條件的變化、偽色的產(chǎn)生等影響。
[0151] (關于光學透鏡）
[0152] 配置在黑白二維圖像傳感器4前面的成像用的光學透鏡8也使用高解析度的、周 邊部的雜亂、消光少的透鏡，關于視場角，為了抑制周邊部的圖像的雜亂，優(yōu)選使用比40° 少的視場角。另外，關于照明，具備能夠針對至少2個以上的角度可變的機構，由此能夠針 對多個角度的鏡面反射夾角進行測量（參照圖1、圖3、圖4)。
[0153] (關于分光成像）
[0154] 以下，說明針對全部攝像像素得到分光信息的分光成像。
[0155] 作為在光學透鏡8緊前面具備的分光單元6,如圖1所示，具備透過波長頻帶根據(jù) 測定波長而不同的多個帶通濾波器，能夠應用通過逐次更換它來進行攝像來得到分光信息 的方法。在該情況下，在每IOnm地測量作為可視光區(qū)域的400nm?700nm之間的情況下， 準備31枚帶通濾波器，在更換它的同時重復進行相同位置的攝像，由此針對全部像素取得 31個分光信息。
[0156] 在此，分光單元6對入射到二維圖像傳感器2的光進行分光即可，也可以在光學透 鏡8之前、中間部、二維圖像傳感器2緊前面的任意一處具備。
[0157] 作為其他手段，如圖26所示，作為在照明側使用分光單元的方法，有向樣本面照 明單色光的方法。作為生成單色光的手段，有在針對得到分光信息的目標波長范圍具有充 分的放射能量的白色光照明中，更換使用了反射型衍射元件、透過型衍射元件、棱鏡等的分 光光源裝置40、對入射到分光裝置的光更換多個干涉濾波器的方法、組合液晶可調濾波器、 AOTF等帶通濾波器的方法、切換單波長的照明光源的方法等，并且在通過分光而使波長改 變時，單獨地使用或組合透鏡、反射鏡、光纖等，由此具備照明位置、光分布模式不變化的機 構。對于受光組合二維黑白攝像元件、二維彩色攝像元件。
[0158] 進而，如圖27所示，也有在照明側和受光側的雙方使用了分光單元的手段。由此， 能夠應用于進行熒光發(fā)光的對象，作為2分光方式的變角分光成像裝置使用。在該情況下， 也是分光單元6對入射到二維圖像傳感器2的光進行分光即可，也可以在光學透鏡8之前、 中間部、二維圖像傳感器2緊前面的任意一處具備。
[0159] (關于照明裝置）
[0160] 關于照明裝置10,應用在鎢絲電燈泡、鹵素燈、氙氣燈、白色LED等光源燈中具備 光纖、導光板的機構的照明裝置、在光源燈中具備反射鏡、投影透鏡等的照明裝置等能夠照 明測定采樣面2和白色參照面12的照明裝置。在此，在照明裝置10由于溫度變化而光分 布模式、分光分布不同的情況下，優(yōu)選具備珀爾帖元件、水冷、空氣致冷等、或同時使用這些 手段的可靠的冷卻機構。
[0161] 接著，說明照明裝置的具體結構。圖28是表示配置了多個照明的狀態(tài)的圖。如圖 28所示，多個照明裝置10配置在天頂角度方向和方位角方向或Y軸方向上，能夠沒有可動 部件地實現(xiàn)來自多個角度的點狀或線狀的照明模式。
[0162] 進而，通過組合地同時點亮照明，能夠實現(xiàn)多樣的光學幾何條件，能夠產(chǎn)生改變了 光源的空間分布的狀態(tài)。另外，如圖29所示，同時點亮從樣本面的中心相對于垂直方向的 軸（Z軸）位于對稱位置的光源，由此能夠無影地產(chǎn)生擴散照明的條件。
[0163] 這樣，通過針對同一樣本多次測量改變了點亮模式的狀態(tài)，能夠通過模擬計算求 出多彩的信息，能夠謀求縮短測量時間、測量次數(shù)。
[0164] 另外，通過同時點亮多個光源，能夠確保充分的光量，即使是低反射率的測定對 象，也能夠高精度、并且短時間、高速地進行測量。
[0165] (關于裝置的結構）
[0166] 作為測量裝置的結構例子，如圖30所示，具備容納在長方體的框體50中，在其一 面上具備設置測定樣本的測定窗52,使樣本2從外側接觸而固定的方法。在此，通過改變框 體50的方向，能夠將測定窗設為上方，測定大型的樣本，或者將測定窗設為下方，非接觸地 測量液面、粘性樣本、化妝品等。
[0167] 如圖31所示，在將測定窗52設定在上方的情況下，還能夠容易地對擋泥板、門等 大型樣本54進行測量。另外，也能夠將粉體、液體放入到玻璃槽中進行測量。
[0168] 相反，如圖32所示，在將測定窗設定在下方的情況下，能夠非接觸地對液體、粘性 樣本、粉體、化妝品等樣本56進行測量。另外，非接觸地測量人體、皮膚也是有效的。由此， 不受到因壓接造成的血流的變化的影響，能夠對半透明的人體進行沒有邊緣丟失錯誤的測 量。
[0169] (關于設備的校正方法）
[0170] 以下，根據(jù)圖5和圖6說明在進行實際的測定之前進行的、設備的校正方法、以及 其后的測定方法、圖像分析計算。最初，根據(jù)圖5說明設備的校正方法。
[0171] 為了進行穩(wěn)定的測量，確立校正手段是重要的。校正與氣溫、濕度這樣的測定環(huán)境 的變化、電源的不穩(wěn)定性、光源裝置、光學設備的經(jīng)時變化對應，在電源剛接通后、校正后數(shù) 小時?數(shù)日的時間范圍內實施，進行修正使得測量值始終收斂到某誤差范圍內。
[0172] 首先，準備成為基準的標準白色板（S102)。表面構造是沒有光澤的擴散面，在測定 范圍內是均勻的。優(yōu)選分光反射率系數(shù)在測定波長區(qū)域中也為大致80%以上。代表性的有 噴射硫酸鋇的粉末而固定的白色板等。標準白色板預先通過另外的已經(jīng)校正的分光光度儀 測量波長λ的分光反射率系數(shù)，將值保存在存儲裝置中。將其值設為RJ λ)。代替測定采 樣，而設置該標準白色板，通過照明P對每個測定波長進行攝像，將其結果記錄在存儲裝置 內。將其值設為Cu(p，λ)。（i，j)是攝像標準白色板的像素的位置。
[0173] 這時，還同時攝像在周緣部具備的白色參照面并記錄。將其值設為Wkl (ρ，λ)。（k， 1)是攝像白色參照面的像素的位置。白色參照面的表面構造盡量不依存于受光、照明的 角度，優(yōu)選由沒有光澤的擴散面構成，另外優(yōu)選分光反射率系數(shù)在測定波長區(qū)域中也為大 致80%以上。在測量校正信息時，在分光單元6、照明裝置10的分光分布的特性中在測定 波長范圍內存在波動，因此以修正它為目的，也可以對每個測量波長優(yōu)化曝光時間（S103、 S104)。如果對多個照明在不同的波長完成了這些操作，則校正結束（S105、S106)。這時， 將曝光時間與校正信息一起都保存在存儲裝置中，在測定采樣時，以與在此保存的相同的 曝光時間進行測量。通過使用白色參照面的攝像結果的值，能夠修正因電源的不穩(wěn)定性、光 源裝置的光學設備的經(jīng)時變化造成的因測定面的位置產(chǎn)生的波動，通過控制曝光時間，能 夠使對每個測定波長而不同的光源的分光分布、分光單元的分光特性、攝像元件的分光靈 敏度固定化來確保動態(tài)范圍。
[0174] 根據(jù)圖2更詳細地說明校正方法。
[0175] 在樣本面2的周邊部設置白色參照面12。由此，構成雙射束光學系統(tǒng)。作為結構 例子之一，設置在測定窗的內側。在校正過程中同時測量白色參照面12和放置在樣本部位 上的白色校正板3,求出該時刻的校正系數(shù)。使用了二維攝像元件，因此同時在不同的部位 攝像白色參照面12和樣本面2。對于白色參照面12的攝像結果，將值記錄在存儲裝置中。
[0176] 在校正時使用附加了值的標準白色擴散面、或能夠參照它的代替的白色面。將其 稱為白色校正板3。在校正過程中，同時測量該白色校正板3和白色參照面12,求出校正系 數(shù)(： 1(1，7, λ)。下標I是照明的種類（位置）。針對白色校正板2,根據(jù)考慮到在測量中 設想的分光反射率系數(shù)的范圍的水平設定，而求出校正系數(shù)。
[0177] 水平設定是指使二維攝像元件的輸出計數(shù)值與白色校正板3的分光反射率系數(shù) 對應的設定。例如，在針對能夠進行16比特輸出的攝像元件，白色校正板的分光反射率系 數(shù)是90%的情況下，在使其與輸出計數(shù)值30000對應的情況下，能夠測量的分光反射率系 數(shù)的最大值是 90X65535/30000 = 196. 6%。
[0178] 根據(jù)圖33說明校正系數(shù)的計算。
[0179] (1)預先將準備的標準白色擴散面、或能夠參照它的代替的白色面的分光反射率 系數(shù)設為R w。該白色校正板3具有均勻的表面，不根據(jù)光學幾何條件或部位而變化。
[0180] (2)同樣將白色參照面12的分光反射率系數(shù)設為Rk。該參照面也具有均勻的表 面，不根據(jù)光學幾何條件或部位而變化。
[0181] (3)將從攝像元件輸出的值的最大值設為Lmax，將對白色校正板3的照明I中的水 平設定的值設為L 1 ((KL1(Lmax)。
[0182] (4)調整曝光時間、光量，使得來自攝像元件的照明I、波長λ的輸出值V1U, y， λ)的出現(xiàn)分布為L1的位置在大致頂點（后述）。
[0183] (5)同時測量白色校正板3和白色參照面12。將這時的白色校正板測量值設為V1, w(xw，yw，λ)，將白色參照面測量值設為VuUpyp λ)。在此，（xw，yw)乒（xR，y R)。將白色 參照面測量值VuUk, yK，λ)保存在存儲裝置中。在測定中為了修正而利用它。
[0184] (6)計算對樣本的測定部位的照明I、波長λ下的分光反射率的校正系數(shù)為
[0185] C1 (xw，yw，λ ) = Rw/V]；，w (xw，yw，λ ) 〇
[0186] 在校正中，使二維攝像裝置的曝光時間對每個測定波長可變，修正與波長對應的、 光源的光量的不同、分光單元的效率的不同（透過率等的不同）、攝像裝置的分光靈敏度的 不同，由此確保動態(tài)范圍。
[0187] 進而，通過短時間曝光、長時間曝光這樣將時間多重化，擴大動態(tài)范圍。在該情況 下，對水平設定進行多重化，或者準備低反射率（灰色、黑色等）的白色校正板，進行曝光時 間的多重化設定。
[0188] 根據(jù)校正中的測量計數(shù)值的分布狀況，自動地在計算機的控制下對校正中的曝光 時間的調整進行最優(yōu)化。也可以手動地設定。
[0189] 作為曝光時間的多重化以外的動態(tài)范圍的擴大策略，還有對照明的光量進行多重 化的方法。在該情況下，有向照明供給的電力量的多重化、照明的個數(shù)的多重化等。其中有 改變上述校正板的方法、改變水平設定的方法。
[0190] 進而，還有組合曝光時間的多重化和對照明的光量進行多重化的方法的方法。
[0191] 在測量中，在對每個波長最優(yōu)化了的曝光時間中，同時測量樣本面2和白色參照 面12,對在校正中記錄的白色參照面的測量計數(shù)值進行比較并進行修正。這存在照明的光 量變動、分光單元的變動（例如因濾波器的透過率的變動等造成的分光效率的變動）、二維 攝像元件的靈敏度的變動、曝光時間的誤差（特別是短時間曝光時）等。將校正時刻的照 明I、波長λ下的白色參照面測量值VuOc,，y K，λ)保存在存儲裝置中。以下表示計算方 法的例子，但對樣本面的時間修正系數(shù)的內插計算方法并不限于此，也可以采取二維樣條 函數(shù)內插等各種手段。
[0192] 說明對樣本面2的時間修正系數(shù)的內插計算方法。將測定中的白色參照面的測量 值設為λ)。以校正時刻為基準的情況下的時間修正系數(shù)為
[0193] [數(shù)學式 14]
[0194] FiUk, yK，λ) = VI KM(xR，yR，λ)/νι κ(χκ，yR，λ)
[0195] 另外，將xK的范圍設為χ ^ χ 一 χ e，將yR的范圍設為y ^ y 一 y e。
[0196] 考慮點P(xp，yp)處的內插。首先，在Y軸方向上進行線性內插。在該情況下，
[0197] [數(shù)學式 15]
[0198] F0= F J (xp, yb, λ ) * [ (ye- y p) / (ye~ y b) ] +F1 (xp, ye, λ ) · [ (yp- y b) / (ye~ y b)]
[0199] 接著，針對Xb和x e計算相對于對Y軸的線性內插的位移。
[0200] [數(shù)學式 16]
[0201] AFxb=F1(XbJpJ)
[0202] - F1 (xb, yb, λ ) * [ (ye- y p) / (ye~ y b) ] -F1 (xb, ye, λ ) · [ (yp- y b) / (ye~ y b)]
[0203] AFxe= Fi(xe，yp，λ)
[0204] - F1 (xe, yb, λ ) * [ (ye- y p) / (ye~ y b) ] -F1 (xe, ye, λ ) · [ (yp- y b) / (ye~ y b)]
[0205] 對每個照明條件求出它。
[0206] 將每個照明條件的時間修正系數(shù)設為匕(1，λ)。在此，下標u是與上述數(shù)學式的 x K、yK對應的白色參照面（與樣本面相同）的位置。
[0207] (關于實際的測定采樣面的測定）
[0208] 接著，根據(jù)圖6說明實際的測定方法。設置測定采樣（S111)，對每個測定波長進行 攝像（S112)，將其結果記錄在存儲裝置內（S113)。將其值設為V Mij(I，λ)。另外，根據(jù)這時 同時攝像的白色參照面的測定值求出上述FU(I，λ)。在該情況下，根據(jù)（數(shù)學式17)求出 校正后的測定采樣的分光反射率系數(shù)Rijd，λ)。在此，與照明I對應的校正系數(shù)是 λ)。如果在多個照明條件、不同波長下完成了這些操作，則測定結束（S114)。
[0209] [數(shù)學式 17]
[0210] rji，λ) = vMiJ(i，λ) ·cji，λ)/^α，入）
[0211] 在該情況下，針對要修正的測定采樣面的像素位置（i，j)，例如將與從測定的位置 起平行于X軸和Y軸所引出的直線相交的部分的白色參照面的位置作為對X軸Y軸的外推 位置來參照有效地作用的位置，或者實施部分的內插、平均化，來求出白色參照面的像素位 置。白色參照面在攝像時被同時測量，由此用于吸收測量時間中的照明的光量變動、攝像元 件的曝光時間的變動、誤差的修正。因此，能夠更高精度地進行高穩(wěn)定性的測定。此外，也 可以在測定校正數(shù)據(jù)時使用光阱、標準黑色板，施加分光反射率系數(shù)為O附近的修正。
[0212] 根據(jù)圖像的測定位置，也存在看作相同的光學幾何條件的部位。例如，是圖34所 示那樣的、使用線狀的光源的情況下的在X軸方向上具有dx的寬度的Y軸方向的區(qū)域（網(wǎng) 格部分）、能夠無視光學幾何條件的變動的小區(qū)域。在該情況下，能夠得到大致相同的光學 幾何條件下的圖像信息，能夠成為用于求出顏色空間中的分布、圖像的特征量的信息。
[0213] 另外，根據(jù)圖像的測定位置和照明之間的關系，也存在看作方位角對稱的光學幾 何條件的部位。例如是圖35所示那樣的點光源的情況下的從照明中心向Y軸的+方向、-方 向、相對于Y軸向+方向位移的照明和向-方向位移的照明之間的關系。在該情況下，能夠 測量光亮材料的定向。
[0214] (關于通過圖像分析計算特征量的方法）
[0215] 以下，說明使用測定出的分光成像信息，通過圖像分析計算特征量的方法。這些計 算方法只不過是一個例子。在本發(fā)明中，對全部像素高解析度、高精度地進行測定，因此能 夠應用很多種類的圖像分析計算，另外，由此產(chǎn)生的結果是能夠保持高的可靠性。
[0216] 說明求出與測定出的每個照明的全部像素的分光反射率系數(shù)R_(p，λ)的變角信 息對應的平均值的方法（S115)。根據(jù)像素位置（i，j)，鏡面反射夾角不同。用數(shù)學式18表 示分光反射率的平均值R m (Ρ，λ)。
[0217] [數(shù)學式 18]
[0218] Rm(p，λ) = Σ 2RmiJ(p，λ)/Ν
[0219] 在此，Σ的計算是針對X軸方向計算從第i到第i+I個區(qū)域，針對Y軸方向計算 從第j到j+J個區(qū)域。N是包含在計算區(qū)域中的像素的個數(shù)，N= (1+1) · (J+1)。
[0220] 另外，用數(shù)學式19表示與該計算區(qū)域對應的平均的鏡面反射夾角Θ (p)。
[0221] [數(shù)學式 19]
[0222] Θ (p) = Σ Σ Θ u (p) /N
[0223] 根據(jù)i、j、I、J的取法，能夠得到與希望求出的空間分辨率對應的任意鏡面反射夾 角Θ (p)下的平均分光反射率系數(shù)R_(p，λ)。如果減小I、J，則鏡面反射夾角Θ (p)在平 均計算區(qū)域中的變動小，能夠在高空間分辨率下進行平均計算。另一方面，如果增大I、J， 則空間分辨率降低，但會增大N，所以平均化、平滑化的效果提高。
[0224] 能夠計算顯示作為所得到的變角分光圖像信息的、每個變角的亮度分布、顏色空 間分布、每個圖像位置的空間分布、出現(xiàn)顏色數(shù)、信息熵、圖像濾波器、分形維度等等的參 數(shù)。
[0225] 進而，根據(jù)上述信息，能夠與計算機圖形上的再現(xiàn)信息相聯(lián)系。
[0226] (關于求出色彩值的方法）
[0227] 說明根據(jù)測定出的全部像素的分光反射率系數(shù)R_(p、λ)求出色彩值的方法 (S116)。作為計算色彩值的步驟，首先計算三刺激值ΧΥΖ。對于其代表性的方法，利用由國 際照明委員會（CIE 〖Commission Internationale de 1' Eclairage)確定的方法。
[0228] 能夠用數(shù)學式20表示各像素的三刺激值Xij (p)、Yij (p)、Zij (p)。
[0229] [數(shù)學式 20]
[0230] Xij (p) = k 工 P ( λ ) χ ( λ ) Rm υ (ρ，λ ) d λ
[0231 ] Yij (ρ) = k P ( λ ) y ( λ ) Rm υ (ρ，λ ) d λ
[0232] Zij (ρ) = k 工 P ( λ ) ζ ( λ ) Rm υ (ρ，λ ) d λ
[0233] k = 100/ / Ρ(λ)γ(λ)(1λ
[0234] 在此，Ρ(λ)表示觀察物體時設想的照明光的分光分布，進行積分的波長λ的范 圍是在測定中使用的可視光區(qū)域。在計算機顯示器、打印機上顯示三刺激值X ij(P) Jij(P)、 Zij(P)時，變換為Rij (p)、Gij (p)、Bij (p)值。對于該變換，根據(jù)標準已知向sRGB、AdobeRGB 等的變換方法。
[0235] 與上述的分光反射率系數(shù)的平均計算相同地，關于三刺激值，也能夠根據(jù)數(shù)學式 21得到平均值。
[0236] [數(shù)學式 21]
[0237] Χ(ρ) = Σ SXij (p)/N
[0238] Υ(ρ) = Σ SYij(P)/N
[0239] Z (p) = Σ Σ Zij (p) /N
[0240] 說明根據(jù)測定出的全部像素的三刺激值Xij(P)、YU (p) Jij (p)求出色彩值的方法。 對于代表性的方法，有使用數(shù)學式22求出由CIE確定的CIELAB顏色空間的值即L*a*b*的 方法。
[0241] [數(shù)學式 22]
[0242] I^ij(P) = 116f (Yij (p)/Yn)-16
[0243] a*。, (p) = 500 {f (Xij (p) /Xn) -f (Yij (p) /Yn)}
[0244] Mij (p) = 200 {f (Yij (p) /Yn) -f (Zij (p) /Zn)}
[0245] 在此，
[0246] 在 Xij (p) /Χη>0· 008856 時 f (Xij (p) /Xn) = (X ij (p) /Xn)1/3
[0247] 在 Xij (ρ)/Χη〈0· 008856 時 HXij (ρ)/Xn) = 7· 787 (Xij (ρ)/Xn)+16/116
[0248] 在 Yij(P)/Υη>0· 008856 時 f (Yij(P)/Yn) = (Y ij(P)/Yn)1/3
[0249] 在 Yij (ρ)/Υη〈0· 008856 時 HYij(P)/Yn) = 7· 787 (Xij (p)/Xn)+16/116
[0250] 在 Zij (ρ) /Ζη>0· 008856 時 f (Zij (p) /Zn) = (Zij (p) /Zn)1/3
[0251] 在 Zij (p) /Ζη〈0· 008856 時 f (Zij (p) /Zn) = 7. 787 (Zij (p) /Zn) +16/116
[0252] Xn、Yn、Zn是測量分光反射率系數(shù)為100%的物體時的三刺激值。與上述的分光反 射率系數(shù)的平均計算同樣地，關于CIELAB值，也能夠根據(jù)數(shù)學式23得到平均值。
[0253] [數(shù)學式 23]
[0254] L* (ρ) = Σ Σ L*。· (ρ) /N
[0255] a* (ρ) = Σ Σ a*。· (ρ) /N
[0256] b* (p) = Σ Σ b*。· (p) /N
[0257] 另外，作為根據(jù)圖像分析求出測定采樣2的特征的重要方法，有求出CIELAB顏色 空間中的測量值的分布的方法。這時，也針對圖像的X軸方向計算從第i到i+i個的區(qū)域， 針對Y軸方向計算從第j到j+J個區(qū)域。
[0258] 另外，對于將CIELAB顏色空間中的測量值的分布表示為數(shù)量參數(shù)的方法，可以應 用計算出現(xiàn)顏色數(shù)、信息熵的方法。在將信息熵設為H的情況下，根據(jù)數(shù)學式24進行計算。
[0259] [數(shù)學式Μ]
[0260] Η(ρ) =- ΣΡ(ρ，c) log2{P(p，c)}
[0261] 按照通過照明p攝像所得的圖像中的顏色c的出現(xiàn)頻度，針對X軸方向在從第i 到i+I個的像素的范圍內，針對Y軸方向在從第j到j+J個的像素的范圍內，用一定大小的 立方體劃分Δ L*、Δ a*、Δ b*各邊，來計算P (p，c)。
[0262] 除此以外，也能夠應用針對圖像位置、即作為照明和受光的幾何條件的鏡面反射 夾角Θ (P)進行圖像濾波、微分值、傅立葉變換、小波變換等頻率分析的方法、對CIELAB顏 色空間的分布狀況更詳細地進行參數(shù)化的方法等各種方法，通過對測定對象的特征量進行 數(shù)值化，能夠對2個不同的測定對象的差進行定量化。進而，能夠期待產(chǎn)品制造時的質量管 理、制造方法的判斷等多方面的合理化和效果。
[0263] (關于三維曲面測量）
[0264] 在此前的說明中，使用平面狀的測定對象，利用每個像素的光學幾何條件的變化， 取得樣本面的分光信息，但在測定對象面是曲面的情況下，可以將三維形狀測定裝置裝入 到變角分光成像裝置中，根據(jù)曲面的像素的法線修正光學幾何條件而實現(xiàn)準確的測量。
[0265] 以下詳細進行說明。根據(jù)三維形狀測量樣本面的Z軸方向的位移、以及法線方向， 對上述光學幾何條件（θ η，Φη，θ_，φ_)實施修正。在點光源的情況下，將樣本面的位 置設為P(Xp，y p)，將照明裝置的位置設為I (Θ i，Φ i，Di)，將受光裝置的位置（焦點位置）設 為R(0,0，比）。在此，x、y是樣本面上的X軸方向、Y軸方向的位置，Θ是天頂角，φ是從X 軸開始逆時針方向的方位角，D i是從樣本面到光源為止的距離，D ^是從樣本面到攝像裝置 為止的距離，攝像裝置具有能夠捕捉樣本面的攝影范圍的視場角。可以用照明的天頂角、方 位角、受光的天頂角、方位角來表現(xiàn)位置P處的照明和受光的幾何條件。
[0266] 這時，照明位置為
[0267] [數(shù)學式 25]
[0268] Xi= D j · sin (Si)* cos ( Φ ^
[0269] Yi= D j · sin ( Θ ^ · sin ( Φ j)
[0270] Zi= D j · cos ( Θ ^
[0271] 另外，與點P對應的照明的相對坐標位置為
[0272] [數(shù)學式 26]
[0273] Xi'= Xi - X p
[0274] y/ = Yi- y p
[0275] z/ = Zi
[0276] 與點P對應的受光的相對坐標位置為
[0277] [數(shù)學式 27]
[0278] x/ =- Xp
[0279] y/ = - Yp
[0280] zr' = zr
[0281] 這時，測量三維形狀的結果是，假定在點P存在Dh的位移，并且其法線向量在Φ n 方向上以天頂角傾斜θη。產(chǎn)生Dh的位移的相對坐標位置為
[0282] [數(shù)學式 28]
[0283] x/' = x/
[0284] Yi^ = Y/
[0285] Zi^ = z/ - D h
[0286] xr" = x r'
[0287] yr" = y r'
[0288] zr" = z r' 一 Dh
[0289] 在法線向量在Φη方向上以天頂角傾斜Θ 情況下，在這些照明I''和受光R'' 的位置進行與在直角地通過相對坐標X''Y''平面的直線的周圍旋轉-θη相同的操作。成 為該旋轉軸的單位向量是（-sin(<i)n)，cos(<i)n)，0)。圍繞任意的單位向量（n x，ny，nz)旋轉 Θ的情況下的一般式是
[0290] [數(shù)學式 29]
[0291]

【權利要求】
1. 一種變角分光成像測定裝置，具備： 線狀或點狀的照明裝置，其能夠相對于包含光亮材料的樣本面的垂直方向，分別從固 定的2個W上的角度方向向該樣本面照射作為白色光的照明光； 分光單元，其對來自上述樣本面的反射光進行分光，配置在該樣本面的上方； 成像用的透鏡，其對通過上述分光單元分光后的反射光進行成像； 二維圖像傳感器，其被固定，能夠經(jīng)由上述成像用的透鏡對上述反射光進行受光，攝像 該樣本面；W及 白色參照面，其設置在上述樣本面的整個周緣部，其中 利用通過上述二維圖像傳感器攝像所得的二維圖像內的每個像素的照明方向和攝像 方向的光學幾何條件的變化，取得上述樣本面的分光信息，該變角分光成像裝置的特征在 于， 在測定前的校正時，同時攝像成為基準的標準白色板和上述白色參照面，測量每個像 素和每個波長的校正系數(shù)，并且決定每個上述波長的曝光時間， 通過變更上述分光單元的透過波長，不變更上述照明裝置、上述二維圖像傳感器、上述 樣本面W及上述白色參照面的相對位置地，針對每個測定波長攝像上述樣本面、W及設置 在上述樣本面的整個周緣部的上述白色參照面的二維圖像，取得該二維圖像的全部像素的 每個測定波長的分光信息， 通過針對每個上述測定波長改變校正和測定時的攝像曝光時間，來修正照明裝置的分 光特性、上述分光單元的分光特性、上述二維圖像傳感器的分光特性在上述測定波長范圍 內的增益的差。
2. -種變角分光成像測定裝置，具備： 線狀或點狀的照明裝置，其能夠相對于樣本面的垂直方向，分別從固定的2個W上的 角度方向向該樣本面照射作為白色光的照明光； 成像用的透鏡，其對來自上述樣本面的反射光進行成像，配置在該樣本面的上方； 分光單元，其對通過上述成像用的透鏡成像的光進行分光； 二維圖像傳感器，其被固定，能夠對來自上述分光單元的光進行受光，攝像該樣本面； 白色參照面，其設置在上述樣本面的整個周緣部，其中， 利用通過上述二維圖像傳感器攝像所得的二維圖像內的每個像素的照明方向和攝像 方向的光學幾何條件的變化，取得上述樣本面的分光信息，該變角分光成像裝置的特征在 于， 在測定前的校正時，同時攝像成為基準的標準白色板和上述白色參照面，測量每個像 素和每個波長的校正系數(shù)，并且決定每個上述波長的曝光時間， 通過變更上述分光單元的透過波長，不變更上述照明裝置、上述二維圖像傳感器、上述 樣本面W及上述白色參照面的相對位置地，針對每個測定波長攝像上述樣本面W及設置在 上述樣本面的整個周緣部的上述白色參照面的二維圖像，取得該二維圖像的全部像素的每 個測定波長的分光信息， 通過針對每個上述測定波長改變校正和測定時的攝像曝光時間，來修正照明裝置的分 光特性、上述分光單元的分光特性、上述二維圖像傳感器的分光特性在上述測定波長范圍 內的增益的差。
3. -種變角分光成像測定裝置，具備： 線狀或點狀的照明裝置，其能夠相對于樣本面的垂直方向，分別從固定的2個W上的 角度方向向該樣本面照射波長可變的每個測定波長的單色照明光； 成像用的透鏡，其對來自上述樣本面的反射光進行成像，配置在該樣本面的上方； 二維圖像傳感器，其被固定，能夠經(jīng)由上述成像用的透鏡對上述反射光進行受光，攝像 該樣本面；W及 白色參照面，其設置在上述樣本面的整個周緣部，其中， 利用通過上述二維圖像傳感器攝像所得的二維圖像內的2軸方向的每個像素的照明 方向和攝像方向的光學幾何條件的變化，取得上述樣本面的分光信息，該變角分光成像裝 置的特征在于， 在測定前的校正時，同時攝像成為基準的標準白色板和上述白色參照面，測量每個像 素和每個波長的校正系數(shù)，并且決定每個上述波長的曝光時間， 通過變更上述分光單元的透過波長，不變更上述照明裝置、上述二維圖像傳感器、上述 樣本面W及上述白色參照面的相對位置地，針對每個測定波長攝像上述樣本面、W及設置 在上述樣本面的整個周緣部的上述白色參照面的二維圖像，取得該二維圖像的全部像素的 每個測定波長的分光信息， 通過針對每個上述測定波長改變校正和測定時的攝像曝光時間，來修正照明裝置的分 光特性、上述分光單元的分光特性、上述二維圖像傳感器的分光特性在上述測定波長范圍 內的增益的差。
4. 一種變角分光成像測定裝置，具備： 線狀或點狀的照明裝置，其能夠相對于樣本面的垂直方向，分別從固定的2個W上的 角度方向向該樣本面照射波長可變的每個測定波長的單色照明光； 分光單元，其對來自上述樣本面的反射光進行分光，配置在該樣本面的上方； 成像用的透鏡，其對通過上述分光單元分光后的反射光進行成像； 二維圖像傳感器，其被固定，能夠經(jīng)由上述成像用的透鏡對上述反射光進行受光，攝像 該樣本面； 白色參照面，其設置在上述樣本面的整個周緣部，其中， 利用通過上述二維圖像傳感器攝像所得的二維圖像內的每個像素的照明方向和攝像 方向的光學幾何條件的變化，取得上述樣本面的分光信息，該變角分光成像裝置的特征在 于， 在測定前的校正時，同時攝像成為基準的標準白色板和上述白色參照面，測量每個像 素和每個波長的校正系數(shù)，并且決定每個上述波長的曝光時間， 變更上述照明裝置的照射波長， 通過變更上述分光單元的透過波長，不變更上述照明裝置、上述二維圖像傳感器、上述 樣本面W及上述白色參照面的相對位置地，針對每個上述照射波長和每個透過波長攝像上 述樣本面、W及設置在上述樣本面的整個周緣部的上述白色參照面的二維圖像， 取得上述二維圖像的全部像素的每個照射波長和每個透過波長的分光信息， 通過針對每個上述測定波長改變校正和測定時的攝像曝光時間，來修正照明裝置的分 光特性、上述分光單元的分光特性、上述二維圖像傳感器的分光特性在上述測定波長范圍 內的增益的差。
5. -種變角分光成像測定裝置，具備： 線狀或點狀的照明裝置，其能夠相對于樣本面的垂直方向，分別從固定的2個W上的 角度方向向該樣本面照射波長可變的每個測定波長的單色照明光； 成像用的透鏡，其對來自上述樣本面的反射光進行成像，配置在該樣本面的上方； 分光單元，其對通過上述成像用的透鏡成像的光進行分光； 二維圖像傳感器，其被固定，能夠對來自上述分光單元的光進行受光，攝像該樣本面； 白色參照面，其設置在上述樣本面的整個周緣部，其中， 利用通過上述二維圖像傳感器攝像所得的二維圖像內的每個像素的照明方向和攝像 方向的光學幾何條件的變化，取得上述樣本面的分光信息，該變角分光成像裝置的特征在 于， 在測定前的校正時，同時攝像成為基準的標準白色板和上述白色參照面，測量每個像 素和每個波長的校正系數(shù)，并且決定每個上述波長的曝光時間， 變更上述照明裝置的照射波長， 通過變更上述分光單元的透過波長，不變更上述照明裝置、上述二維圖像傳感器、上述 樣本面W及上述白色參照面的相對位置地，針對每個上述照射波長和每個透過波長攝像上 述樣本面、W及設置在上述樣本面的整個周緣部的上述白色參照面的二維圖像， 能夠取得上述二維圖像的全部像素的每個照射波長和每個透過波長的分光信息， 通過針對每個上述測定波長改變校正和測定時的攝像曝光時間，來修正照明裝置的分 光特性、上述分光單元的分光特性、上述二維圖像傳感器的分光特性在上述測定波長范圍 內的增益的差。
6. 根據(jù)權利要求1?5的任意一項所述的變角分光成像測定裝置，其特征在于， 使上述照明裝置的光量可變、或使攝像時的曝光時間可變、或者組合兩者，由此擴大測 量的動態(tài)范圍。
7. 根據(jù)權利要求1?6的任意一項所述的變角分光成像裝置，其特征在于， 在數(shù)值的平均化、色彩數(shù)值的顏色空間分布、空間頻率分析、信息滴等的圖像計算中使 用每個上述像素的每個測定波長的上述分光信息。
8. -種變角分光成像裝置，其向權利要求1?7的任意一項所述的變角分光成像裝置 中裝入了 =維形狀測定單元，其特征在于， 通過該=維形狀測定單元測定上述樣本面的=維形狀信息，使用該樣本面的=維形狀 信息求出該樣本面的各位置的法線方向，修正上述光學幾何條件的變化。
9. 一種變角分光成像測量方法，其取得二維圖像的全部像素的每個測定波長的分光信 息，其特征在于， 通過線狀或點狀的照明裝置，在測定前的校正時，同時攝像成為基準的標準白色板和 上述白色參照面，測量每個像素和每個波長的校正系數(shù)，并且決定每個上述波長的曝光時 間，然后相對于樣本面W及設置在該樣本面的整個周緣部的白色參照面的垂直方向，分別 從固定的2個W上的角度方向向該樣本面和該白色參照面照射照明光，通過分光單元對照 射的照明光從該樣本面和該白色參照面的反射光進行分光，通過成像用的透鏡對分光后的 該反射光進行成像，經(jīng)由上述成像用的透鏡對上述反射光進行受光，通過固定的二維圖像 傳感器，不變更上述照明裝置、上述二維圖像傳感器、上述樣本面w及上述白色參照面的相 對位置地進行攝像，參照該白色參照面上的反射光，修正測定中的照明光量的變化、曝光時 間的變動，利用該攝像所得的二維圖像內的每個像素的照明方向和攝像方向的光學幾何條 件的變化，取得該樣本面的分光信息， 通過針對每個上述測定波長改變校正和測定時的攝像曝光時間，來修正照明裝置的分 光特性、上述分光單元的分光特性、上述二維圖像傳感器的分光特性在上述測定波長范圍 內的增益的差。
10. -種變角分光成像測量方法，其取得二維圖像的全部像素的每個測定波長的分光 信息，其特征在于， 通過線狀或點狀的照明裝置，在測定前的校正時，同時攝像成為基準的標準白色板和 上述白色參照面，測量每個像素和每個波長的校正系數(shù)，并且決定每個上述波長的曝光時 間，相對于樣本面W及設置在該樣本面的整個周緣部的白色參照面的垂直方向，分別從固 定的2個W上的角度方向向該樣本面和該白色參照面照射照明光，通過成像用的透鏡對照 射的照明光從該樣本面和該白色參照面的反射光進行成像，通過分光單元對通過上述成像 用的透鏡成像的光進行分光，通過對來自上述分光單元的光進行受光，并且固定的二維圖 像傳感器，不變更上述照明裝置、上述二維圖像傳感器、上述樣本面W及上述白色參照面的 相對位置地進行攝像，參照該白色參照面上的反射光，修正測定中的照明光量的變化、曝光 時間的變動，利用該攝像所得的二維圖像內的每個像素的照明方向和攝像方向的光學幾何 條件的變化，取得該樣本面的分光信息， 通過針對每個上述測定波長改變校正和測定時的攝像曝光時間，來修正照明裝置的分 光特性、上述分光單元的分光特性、上述二維圖像傳感器的分光特性在上述測定波長范圍 內的增益的差。
11.根據(jù)權利要求9或10所述的變角分光成像測量方法，其特征在于， 通過=維形狀測定單元測定上述樣本面的=維形狀信息，使用該樣本面的=維形狀信 息求出該樣本面的各位置的法線方向，修正上述光學幾何條件的變化。
12. -種方法，其特征在于， 根據(jù)通過權利要求1?8的任意一項所述的變角分光成像裝置得到的每個像素的分光 信息，使用每個像素的分光反射率系數(shù)或根據(jù)分光反射率系數(shù)計算出的顏色空間上的色彩 數(shù)值，進行伴隨著變角信息的每個測量波長的分光反射率系數(shù)、空間頻率分析、分形分析的 圖像分布、根據(jù)每個像素的色彩值求出的顏色空間上的分布狀況、出現(xiàn)顏色數(shù)、信息滴的計 算。
【文檔編號】G01N21/27GK104471361SQ201380020978
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年4月19日 優(yōu)先權日:2012年4月20日
【發(fā)明者】大住雅之 申請人:色彩化學研究所有限公司