CN101184986B - 使用空间欠采样双向反射分布功能测量表面的外观属性 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量表面的空间欠采样双向反射分布函数(BRDF)的设备。该设备可以包括：第一光源，用于从第一照射方向照射表面；以及多个传感器，被放置为接收由该表面反射的光。该多个传感器可以包括第一、第二、和第三传感器，被放置来接收由该表面沿第一、第二、和第三不共面方向反射的光。在不同的实施例中，该设备还可以包括与该多个传感器通信的计算机。该计算机被配置为考虑第一、第二、和第三反射方向来将由所述多个传感器感测到的光转换为该表面的第一外观属性。

Description

使用空间欠采样双向反射分布功能测量表面的外观属性
相关申请的交叉参考 
本申请要求于2005年4月25日提交的第60/674,602号美国临时申请的优先权。 
背景技术
已经开发出了用于测量和描述对象视觉外观的多种方法和装置。这些方法和装置在各种情况下都是很有用的。例如，对象外观的测量可以揭示可能存在于对象上的任何涂料、颜料、专用涂层、表面处理等的属性。此外，例如，对象外观的测量可以用于创建计算机模型、设置产品公差等。使用各种装置来提供对象表面的谱测量是公知的。然而，现有的装置产生细节有限的结果，或者测量所需的成本、尺寸、以及时间过大。 
例如，使用用于测量有限数量的观看和照射方向上的反射的离散多角度分光计是公知的。这种装置的一个实例是可从X-RITE得到的MA68。然而，所有的这些装置考虑了有限数量的观看方向(例如，共面方向)，或考虑了从所有观看角度得到(例如，通过对所有方向进行求和或平均)的数据。因此，已知的离散多角度分光计提供不反映表面外观中的方向变化的结果。对于涂覆业，这些结果对于测量包括传统涂料、颜料、以及涂层的一些表面属性很有用的。然而，对于测量从不同角度观看有不同外观的具有专用涂料、颜料、和其他专用涂层的表面(诸如，当今汽车、轮船、货币、消耗 (consumer)塑料、化妆品等上的表面)的属性不是很有用。例如，有限采样多角度分光计对于测量诸如(例如)从一个角度呈现一种颜色(例如，白色)而从另一个角度呈现第二种颜色(例如，粉色)的珠光汽车涂料的干涉涂层的属性不是很有用。另外，例如由于涂层配方和/或应用处理因素，它们通常不能提供足够详细的结果以使表面属性依赖于表面的物理属性。 
通过测量表面的完全双向反射分布函数(BRDF)的装置(诸如，可变角的分光光度计(goniospectrophotometer)和parousiameter)解决了已知的离散多角度分光计的一些缺点。由这些装置产生的完全BRDF提供了作为照射角、视角、波长、和其它变量的函数的表面散射的丰富属性。然而，用于测量BRDF的这两种已知的装置都有显著的缺陷。 
可变角的分光光度计(诸如可从MURAKAMI得到的GCMS-4Gonio-spectro-Photometric-Colorimeter)通过扫描整个半球上的照射角和检测角来测量完全BRDF。尽管它们能够提供好的结果，但是该设备极其大和昂贵。另外，扫描整个半球上的照射角和检测角(通常要花费几个小时，这使得实时应用成为不可能。Parousiameter(诸如Wademan的美国专利第6,577,397号中所描述的一个)通过将一系列照射角和检测角投影到半球形屏幕上并使用照相机对该屏幕成像来测量完全BRDF。然而，这些装置的误差与该半球形屏幕的尺寸直接相关，并且这些装置不能满意地以大于它们的屏幕区域的10％的区域来测量采样。因此，Parousiameter通常大且笨重。而且，屏幕中的缝隙、以及最高分辨率照相机的有限动态范围进一步限制了该装置。此外，由于可变角的分光光度计和parousiameter两者都测量整个半球上的照射角和视角，因此噪声问题会成为重要因素。 
发明内容
在一个通常方面，本发明旨在提供一种用于测量表面的空间欠采样双向反射分布函数(BRDF)的设备。该设备可以包括：第一光源，被定向用于从第一照射方向照射表面；以及多个传感器，被放置为接收由该表面反射的光。该多个传感器可以包括第一、第二、和第三传感器，被放置为接收由该表面沿第一、第二、和第三不共面方向反射的光。在不同的实施例中，该设备还可以包括与该多个传感器通信的计算机。该计算机被配置为考虑第一、第二、和第三反射方向来将由该多个传感器感测到的光转换为的该表面的第一外观属性。 
在另一个通常方面，本发明旨在提供用于测量表面的空间欠采样双向反射分布函数(BRDF)的方法。该方法包括以下步骤：通过从第一照射方向入射到该表面上的第一光源照射该表面；以及感测由该表面在多个反射方向反射的多个波长的光。该多个反射方向包括第一反射方向、第二反射方向、以及第三反射方向。该方法还包括以下步骤：考虑第一、第二、和第三反射方向来将由所述多个传感器感测到的光转换为该表面的第一外观属性。 
本发明的其它不同实施例旨在提供用于测量表面的空间欠采样双向反射分布函数(BRDF)并在实际中应用的***。在不同的方面，本发明旨在提供用于匹配涂覆两个部件的涂层的外观的方法、修复装置的方法、以及查找未知对象的身份的方法。 
附图说明
下面将以实例的方式结合下面的附图描述本发明的实施例，在附图中： 
图1示出了说明根据本发明不同实施例的处理流程的流程图； 
图2示出了根据本发明不同实施例的来自表面的反射的视图； 
图3示出了根据本发明不同实施例的来自表面的反射的视图； 
图4示出了根据本发明不同实施例的表面涂层的视图； 
图5示出了说明根据本发明不同实施例的处理流程的流程图； 
图6示出了根据本发明不同实施例的由表面进行折射的视图； 
图7示出了根据本发明不同实施例的由表面进行衍射和/或干涉的视图； 
图8示出了说明根据本发明不同实施例的处理流程的流程图； 
图9示出了根据本发明不同实施例的***的视图； 
图10示出了根据本发明不同实施例的可以呈现给用户的用户界面； 
图11至图14示出了根据本发明不同实施例的设备的三维视图； 
图15示出了根据本发明不同实施例的设备的三维视图； 
图16示出了根据本发明不同实施例的多个传感器；以及 
图17至图22示出了说明根据本发明不同实施例的处理流程的流程图。 
具体实施方式
本发明的实施例旨在提供用于测量和/或分析表面的空间欠采样双向反射分布函数(BRDF)的方法和设备。当光入射到表面上时，一部分光在不同方向上被反射、散射或转向偏离该表面。该表面的BRDF是关于所有波长的该反射强度的表达式，以及作为照射角和其他变量(例如，偏振)的函数的反射方向的表达式。根据不同的实施例，通过仅在离散数量的反射方向测量反射强度来对该表面的BRDF进行空间欠采样。在不同的实施例中，该离散反射方向可以是不共面的。于是可以对测量出的反射进行处理以得到被观测表面的外观属性。在外观属性通过测量出的反射被获得时，该外观属性可以反映该表面外观中的方向变化。 
图1示出了说明根据不同实施例的用于测量和处理表面的空间欠采样BRDF的处理流程100的流程图。在步骤102，将光定向为朝向表面。该光线可以形成为一条光束、或准直或非准直的多条光束。该光线可以源自一个或多个宽光谱照射源，并且可以从一个或多个照射方向入射到该表面上。照射源和照射方向的数量可以根据具体应用而改变。然而，应当理解，增加照射源和/或照射方向的数量可以提高得到的BRDF的质量。应当理解，照射方向或多个照射方向可以与该表面法线形成任意角度。然而，在不同实施例中，照射方向或多个照射方向可以与该表面法线形成零到65度之间的角(例如，0度、45度等)。 
在步骤104，可以测量沿多个离散反射方向从该表面反射出去的反射强度。应当理解，这些测量到的反射与相应的反射方向一起表示该表面的空间欠采样BRDF。在不同的实施例中，整个组的反射方向可以是不共面的。此外，在不同的实施例中，在每个反射方向上都可以得到多个测量结果，且每个测量结果都记录特定波长或波长范围处的反射强度。在不同的实施例中，可以从固定的传感器 得到测量结果，且在多个离散反射方向中的每一个上都固定一个传感器。应当理解，由于只在离散方向上而不是在每个方向上测量反射，因此测量反射比所需的时间可以少于整个BRDF(可变角的分光光度计和parousiameter)装置所用的时间。在不同的实施例中，在5秒之内就可以得到测量结果。 
空间欠采样BRDF可以表达为表示每个反射方向处所观察到的强度的一系列反射矢量。例如，每个所观测到的反射方向都可以具有指向反射方向且大小等于在反射方向中观测到的反射强度的矢量。应当理解，如果在反射方向中观测多个波长或波长范围，则反射方向可以具有对应于每个波长或波长范围的矢量。 
作为一个实例，图2示出了示例性表面202，且光从照射方向204入射到表面202上。观察到了三个离散不共面的反射方向206、208、和210。图3示出了根据不同实施例的另一个示例性表面302，该实施例具有来自一个照射方向304的入射光以及观察到的十一个反射方向306、308、310、312、314、316、318、320、322、324、和326。将会理解反射方向的数量和标识可以变化。例如，在不同的实施例中，可以存在五个与十五个之间的反射方向。此外，在不同的实施例中，反射方向可以包括工业标准反射方向(例如，具有15、25、45、75和100度的镜面角(aspecular angle))。此外，在不同的实施例中，可以选择相对于表面的表面法线与照射方向正交的反射方向中的至少一个。 
在不同的实施例中，可以基于所需要的结果的分辨率和/或要被测量的表面复杂性来选择观测到的反射方向的数量。例如，包含在表面的多个层中的每层和/或材料都可以具有多个物理属性(例如，粗糙度、局部斜率、曲率、反射指数的实部和虚部等)。在不同的实施例中，可以只需测量最小数量的反射方向以获得足够的独立关 系来求解所有想要的变量。例如，可以根据下式来选择观测的反射方向的最小数量： 
(1)  最小数量的反射方向＝2L+M 
其中，L是表面的物理层的数量，光线会经由该层会潜在散射，并且M是包含在多个层(例如，颜料、金属薄片等)中的不同材料的数量。例如，图4示出了根据不同实施例的可以被观测的示例性表面400。该表面400具有专用涂层，诸如(例如)上述的干涉或珠光涂层。该表面400包括三个层，透明涂层402、颜料层404、和衬底406，以及包含在这些层(例如，金属薄片408)中的一种材料。因此，对于表面400的观测的反射方向的最小数量应为七。应当理解，使用少于根据等式1的反射方向最小数量可以获得有用的读数，然而，在该情况下，被观测的反射可能不会捕获到对来自每个表面属性的BRDF的影响。 
当所观测的离散反射方向增加时，所获得的结果的质量也会提高。例如，在不同的实施例中，可以测量附加的物理属性。然而，应当理解，增加观测的离散反射方向的数量还将增加复杂性、在全部反射方向进行观测所需的时间、以及噪声。因此，在不同的实施例中，可以不必观测多于下述的反射方向： 
(2)  反射方向的最大数量＝6L+6M 
其中，L和M如上定义。等式2可以定义测量每个物理性质的独立关系所需的方向的数量。 
返回参照图1，在步骤106，可以对在步骤104测量的反射进行处理，以产生外观属性或表面的多个属性。空间欠采样BRDF本身可以被认为是表面的外观属性，然而，应当理解，还可以通过例 如操控BRDF来产生其它的外观属性。至少一个外观属性可以反映测量的反射强度和方向所固有的表面外观中的方向差。在不同的实施例中，通过对BRDF执行操控可以获得附加的外观属性。例如，图5示出了下述处理流程500，该处理流程用于通过将测量的反射***到表面的BRDF的数学模型中并执行特定数学处理来处理测量的反射。作为另一个实例，图8示出了用于分析BRDF数据的不同矩的处理流程800。 
在步骤106产生的外观属性可以产生关于被测表面的组成和特征的信息(例如，物理属性)。例如，在涂层业中，可以获得存在于表面上的任何涂层的配方和应用处理的属性。对于一些物理属性，会存在闭合式解决方案以使得从测量的反射或BRDF直接得到属性的值。例如，如下所述，可以从BRDF获得光栅结构周期，并可以与表面的规则的空间特征之间的距离直接相关。此外，可以使用试验方法得到一些物理属性。例如，可以测量具有已知物理属性的表面的外观属性。然后可以创建数据库以显示外观属性和物理属性之间的相关性。当测量具有未知物理属性的表面时，可以将外观属性(例如，BRDF和/或从其得到的值)与数据库进行比较以获得未知的物理属性。 
图5示出了用于处理测量的反射(例如，BRDF)以及基于该BRDF使用数学模型得到表面的附加外观属性的处理流程500。参照图5，在步骤502，BRDF可以被转换为双向散射分布函数(BSDF)。该BSDF表示由于入射光的散射而造成的部分BRDF。为了计算BSDF，从BRDF减去BRDF的镜像分量。该经面反射分量是由于入射光的菲涅耳(Fresnel)反射所引起的部分BRDF。该镜像分量被集中在与照射方向相关的反射方向上，以使照射方向的入射角度等于镜像反射方向的反射角度。例如，参照图3，照射方向304与表面成45度，且与表面法线成45度。因此，镜像分量可 以定向为同样与表面和表面法线成45度的反射方向306。应当理解，如果存在多于一个照射方向，则可以将镜像分量集中在多于一个角度。 
可以以多种方式从BRDF中减去镜像分量。例如，观测的反射方向之一可以是镜像反射方向。在这种情况下，通过从整个BRDF中减去该反射方向的影响可以获得BSDF。在镜像反射方向不是所观测的反射方向之一的实施例中，则可以基于镜像反射方向附近的观测的反射方向处的响应来近似该镜像反射。然后可以从BRDF中减去该镜像反射分量的近似。 
再次参照图5，在步骤504可以获得BSDF的地形散射项。应当理解，BSDF可以表示为： 
(3)  BSDF＝(16π2/λ4)cos2θiΦbα(
Figure 2006800187789_0
s)Rα(θi)Sz(f) 
其中，Sz(f)为表面的任何高度波动(Z)的二维功率谱分布(PSD)。因此，以(16π2/λ4)cos2θi除以BSDF会产生与表面上的高度波动成比例的地形散射项。 
在步骤506，可以获得材料散射项。该材料散射项可以指示表面材料的成分或密度(例如，均匀性、气泡、夹杂物、小于约30微米的随机散布或分布的颜料)的波动。应当理解，该BSDF可以表示为： 
(4)  BSDF＝(1/λ2)Φbα(
Figure 2006800187789_1
s)Rα(θi)Sm(f) 
其中，Sm(f)是对于散射的材料响应的干扰的PSD。该PSD可以与材料具体模型的不均匀性有关，诸如成分中的变化的数量和空间分布。然后可以通过以1/λ2除BSDF来获得材料散射项。可以使用 试验方法使材料散射项的值(例如，外观属性)依赖于表面的成分和/或密度中的波动的具体类型、尺寸等(例如，物理属性)。 
在步骤508，可以获得BSDF的缺陷散射项。在表面特征或大量属性干扰被空间定位和/或隔离(例如，表面中的凹陷或凸起，其它均匀散装材料中的各个夹杂物)时，会发生缺陷散射。应当理解，如果缺陷是随机分布的，则BSDF可以表示为： 
(5)  BSDF＝(1/λ2)Φbα(
Figure 2006800187789_2
s)Rα(θi)Sd(f) 
其中，Sd(f)是表面中缺陷集合的PSD。因此，可以通过以(1/λ2)除BSDF来计算缺陷散射项。可以使用试验方法使缺陷散射项的特定值依赖于特定的缺陷类型和位置。通过比较等式4和5应当理解，Sd(f)和Sm(f)可以具有相同的值。因此，可以将等式4应用于被测量或被假设为相对无缺陷的表面。另一方面，可以将等式5应用于具有已知缺陷的表面。 
在步骤S510，可以获得表面的折射指数。图6示出了有红光束602、绿光束604、和蓝光束606入射到其上的表面600。图6说明了折射是如何引起不同光束602、604、606的不同表现的。可以如下使用斯涅耳法则以获得表面的折射指数： 
(6)  n1sinθ1＝n2sinθ2
其中，n1是表面的折射指数，n2是表面与观测点之间介质的折射指数，θ1是照射方向的角，以及θ2是给定波长处的折射角。然而，折射指数可以被看作是表面的物理属性，应当理解，基于折射指数可以得到附加的物理属性(例如，下面的光栅结构周期)。 
在步骤512，可以获得表面的光栅结构周期。光栅结构周期可以提供关于存在于具有规则结构的表面中的表面特征、界面特征、大块材料结构、颜料、微粒、薄片等的信息。基于特征的光栅结构周期，这种规则的特征可以引起反射光的衍射和/或干涉。例如，图7示出了具有以规则或半规则间隔和定向的一系列薄片708嵌入其中的示例性表面700。表面700的光栅结构周期可以反映薄片708之间的距离和/或其定向。可以如下获得光栅结构周期： 
(7)  λ＝2nd sin(θ) 
其中，n是表面的反射指数，d是光栅线结构的周期，θ是光波长垂直于光栅线结构衍射的角度。 
图8示出了用于使用BRDF的一个矩或多个矩来得到表示表面属性的值的处理流程800。在步骤802，可以获得第一矩或加权的方向响应。该加权的方向响应可以是所有矢量的矢量和，其中，每个矢量都表示给定波长或波长范围上的观测强度和反射方向。应当理解，在考虑到了多个波长或波长范围之处可以对每个所考虑的波长或波长响应计算加权的方向响应。 
在不同的实施例中，加权系数可以应用至观测反射方向中的一个或多个。例如，可以选择加权系数以使得到的加权BRDF更接近地近似于反射方向的几何均匀分布。在不同的实施例中，可以选择加权系数以增强具有对特定表面类型增加的权值(significance)的反射方向。例如，当表面包括干涉颜料时，具有-15°的镜面角的反射方向可以被不对称的加权，当表面包括回射材料时，可以不对称地加权具有75°和110°的镜面角的反射方向。 
此外，在不同的实施例中，可以选择加权系数以符合不同的标准。例如，DIN 6175-2标准通过取决于标准测量角度(例如，上述 15/25/45/75/110角度)的加权函数来定义色差配方。在不同的实施例中，可以基于人的感性研究(例如，对人们最强烈地感知的反射方向给予给定的较高加权系数)来选择加权系数。 
应当理解，还可以选择加权系数以更精确地表示反射出表面的能量的分布。例如，如果反射出表面的总能量是20mW，并且期望20mW的不对称的大部分被反射到反射方向的一定范围中，然后可以相比于其它方向对反射方向范围中取得的强度测量结果给予相对高的权重。在该方式中，空间欠采样BRDF会更接近地匹配由完全BRDF建模的实际能量分布。 
加权方向响应可以依赖于表面的不同属性。例如，在表面具有涂层的情况下，加权方向响应可以用于识别两个表面之间的应用处理变化。例如，当两个表面仅是其上的涂层应用处理不同时，通常能够将第一表面的加权方向响应转换为第二表面的加权方向响应。所需的变化、旋转、和缩放在试验上依赖于特定的应用处理改变。 
在步骤804，可以得到表面的平均光谱第一矩。该平均光谱第一矩可以是其方向表示平均光谱第一矩的矢量。在步骤806可以获得加权光谱空间分布函数。加权光谱空间分布可以是描述由加权方向响应的方向端点限定的大致线形(general line)的函数。这两种外观属性(例如，平均光谱第一矩和加权光谱空间分布)都可以在试验上依赖于表面的不同物理属性。 
图9示出了根据不同实施例的可以用于实现上述测量和/或分析表面的空间欠采样BRDF的方法的***901的视图。该***901包括测量装置900，并且还可以包括各种其它信息存储、处理和/或接口装置，诸如服务器922、用户机926、和/或数据库924。***901的不同装置900、922、924、926可以经由网络920相互关联，该网络可以是任意适当类型的有线或无线网络。 
在不同的实施例中，测量装置900可以包括光学单元902和电子单元904。光学单元902可以包括被配置为将光908导向被检查表面906的照射光学器件912，以及用于接收和感测离开表面906的光908的反射910的接收器光学器件914。例如，照射光学器件912和接收器光学器件914可以如上所述来感测表面906的空间欠采样BRDF。电子单元904可以处理由光学单元902产生的反射结果。在不同的实施例中，电子单元904可以包括用于得到表面的外观属性和/或与物理属性相关的外观属性的计算逻辑电路916。用户接口模块918可以将结果(例如，原始反射数据、外观属性、物理属性等)呈现给装置900的用户。在不同的实施例中，可以由用于处理的***的其它部件(例如，服务器922、数据库924、用户机926)来执行一些或全部的处理和结果呈现。例如，服务器922和/或用户机926可以执行处理以得到外观和/或物理属性；可以通过用户机926将处理的结果呈现给用户；以及数据库924可以存储所测量的反射与表面属性之间的实验相关性。 
返回参照光学单元902，照射光学器件912可以包括被配置用于将光908从一个或多个照射方向导向表面906的一个或多个照射源913。照射源913可以包括任何类型的适当照射源(包括例如白炽光源、白光LED等)。在不同的实施例中，每个照射源913都可以包括不同光谱输出的多个(例如9个)LED。这些LED可以位于无铅芯片载体或任何其它类型的安装技术上。应当理解，照射源(或照射源组)913可以产生跨越如下文中所述的将由接收器光学器件914测量的波长的光。在不同的实施例中，照射源913可以被配置为产生例如，如上所述的准直(collimate)或非准直光束。 
接收器光学器件914可以包括沿离散反射方向放置的一个或多个传感器915。在不同的实施例中，可以放置多个传感器915以感测不共面的反射方向，诸如，例如图2中所示的反射方向206、208、 和210。多个传感器915可以是任意类型的成像或非成像传感器或适于测量反射(例如，跨越多个离散波长范围)的传感器组件。例如，多个传感器915可以包括一个或多个光敏二极管。任意适当类型的波长识别设备(例如，任意类型的带通滤波器、衍射光栅摄谱仪等)都可以被放置在光敏二极管前面以感测离散的波长范围。例如，可以图16中的传感器1602所示来使用MAZet Jencolour产品系列。在不同的实施例中，可以选择性地将包括多个带通滤波器的轮子或其它可移动装置放置在光敏二极管的前面，以使一个光敏二极管可测量多个离散波长范围。在不同的实施例中，可以沿每个反射方向放置多个光敏二极管，其中，多个光敏二极管中的每一个都具有独立的带通滤波器。应当理解，多个传感器915可以包括能够同时离散地测量多个波长范围的宽带检测器，例如，RGB传感器(诸如具有对数响应或小的像素阵列的照相机(例如，可从Taos，Inc.得到的TCS 230系列产品)。 
图10示出了可以用于在数据库924和/或电子单元904存储测量数据的示例性数据库图示1000。框1002可以包括关于进行测量的仪器(例如，仪器900)的信息。这种信息可以包括名称、序列号等。框1004可以包括关于特定测量的信息，包括例如，日期、时间、位置号、仪器定向等。框1006和1008可以包括关于被测面板或表面的信息。例如，框1006可以包括关于面板或表面本身的信息，而框1008可以包括将在表面上进行的优选测量的模板(例如，数量、高度、宽度、离边缘的距离等)。框1010可以包括关于每个将被观测的角度或反射方向的信息，以及框1012可以包括实际测量的数据。例如，如果在31个波长范围测量11个反射方向，则用于每个测量的数据点的总数量可以是341。 
图11至图14示出了根据不同实施例的示例性光学单元902的视图。示例性光学单元902包括一个照射源1104和用于容纳传感 器1106、1108、1110、1112、1114、1116、1118、1120、1122、1124、1126的11个孔(aperture)或小孔(pupil)。应当理解，传感器可以包括用于接收光和容纳用于感测光强度的元件的孔。在示例性单元902中，照射源1104被定向为以相对于表面法线45度角朝向位于该单元之下的表面(未示出)。因此，镜像反射方向同样为相对于表面法线的45度角。可以设置小孔1106以在镜像反射方向处感测反射。 
在不同的实施例中，可以相对于镜像反射方向来表示其它小孔的位置，但是应当理解，可以在任意适当的坐标***中表示这些小孔的位置。例如，小孔1122可以位于相对于镜像的-15°。相对于镜像，小孔1118可以位于15°处、小孔1116位于25°处、小孔1112位于45°处、小孔1110位于75°处、以及小孔1108位于110°处。此外，可以相对于镜像反射方向来表示小孔离开小孔1106、1108、1110、1112、1116，和1118的平面的位置。例如，小孔1124位于距离镜像反射方向25°且在平面之外逆时针旋转90°的位置处。类似地，小孔1120位于距离镜像反射方向25°且在平面之外顺时针旋转90°的位置处。小孔1114和1126两者位于距离镜像反射方向60°且分别在平面之外顺时针和逆时针方向旋转54.7°的位置处。 
应当理解，尽管示出了用于传感器的11个小孔，但是可以使用任意适当数量的传感器。此外，可以将传感器放置为接收任意适当反射方向，例如，不共面的反射方向。此外，在不同的实施例中，传感器可以位于光学单元902的不同小孔中。在其它不同实施例中，可以远离小孔来放置一些或全部传感器。例如，图15示出了具有起源于不同小孔的光纤1505的另一个示例性光学单元1502。光纤1505可以将入射到小孔的光传输到可容纳一个或多个接收元件的远程位置(未示出)。 
图17示出了使用上述方法和/或设备识别未知表面的属性的示例性处理流程1700。在步骤1702、1704、1706、和1708，可以从表面的观测的反射或BRDF得到不同的外观属性。例如，在步骤1702，可以获得加权的光谱空间分布大小。例如，在步骤1704，可以获得表面的完整BRDF。在步骤1706可以获得完整的BSDF。在不同的实施例中，在步骤1708可以获得表面的光栅线结构。在步骤1710，将这些外观属性与查询表(诸如下面的用于识别未知表面和/或其物理属性的查询表1)进行比较。应当理解，例如，可以通过装置900的数据库924和/或电子单元904来存储查询表。 
表1：
表面类型/属性 加权谱空间分布量级   整个  BRDF   整个  BSDF 光栅结构    线   矩大小   散射/镜  像反射
镜像吸收器     小     小     小     N/A     N/A     镜像反射
着颜料的表面     小     小     大     N/A     中等     N/A
表面结构吸收器     小     小     大     N/A     小     N/A
镜像纯吸收器     小     大     小     N/A     N/A     N/A
重表面结构     大     小     小     是     N/A     N/A
金属薄片     大     小     大     否     N/A     N/A
特殊效果色度鉴别器     大     小     大     是     N/A     N/A
特殊效果云母     大     大     小     否     N/A     N/A
表面刮痕     大     大     小     是     N/A     N/A
特殊效果色度鉴别器     大     大     大     是     N/A     N/A
潜在刻度误差     大     大     大     否     N/A     N/A
潜在刻度误差     小     小     小     N/A     N/A     散射
潜在刻度误差     小     大     大     N/A     N/A     N/A
未确定     大     小     小     否     N/A     N/A
图18示出了根据不同实施例的用于使用上述处理和/或设备获得两个表面之间方向色差的处理流程1800。在处理流程1800中，尽管方向色差是根据CIELAB方程计算的Delta E值，但是应当理解，可以使用任何意适当的颜色测量方法。在步骤1802，基于特定照射和观测器可以计算XYZ加权矩阵。XYZ加权矩阵可以是3乘 X大小的矩阵，其中，X是被测的离散波长或波长范围的数量。如上文所述，加权方向响应可以由一组矢量表示，其中一个矢量用于每个波长范围。因此，加权方向响应可以表示为X乘d大小的矢量，其中，d是表示空间坐标轴(例如，在三维中，d等于3)所需的项数。在步骤1804可将这两个矩阵相乘得到3乘d的矩阵。在步骤1806可以应用CIELAB函数。在不同的实施例中，可以分别将CIELAB函数应用于3乘d矩阵的每一列。可选地，可以将CIELAB函数应用于3乘d矩阵的每一列的幅值。在步骤1808，可以计算Delta E值。 
图19示出了可以由例如汽车零件整理工用于涂层工业的处理流程1900，以使不同时间和不同设备制造和涂覆的两个部件(例如，门把手可以在工厂A制造，而保险杠可以在工厂B制造)的涂层的外观相匹配。该处理流程1900可以用于基于对第一部件的观测来确定第二部件的涂层配方和/或处理因素。在步骤1902，可以测量和/或计算第一涂覆部件的外观属性。该外观属性可以是例如加权方向响应、BRDF等。在步骤1904，可以通过与第一涂覆部件相同的方式来测量第二涂覆部件的外观属性。在步骤1906，可以比较这两个涂覆部件的外观属性。如果发现了差异(例如，由于第二涂覆部件不与第一涂覆部件匹配)，则在步骤1908，例如如上所述，可以使表现出该差异的外观属性依赖于特定配方或应用系数。然后可以更改第二涂覆部件的配方或应用系数以涂覆额外的部件来匹配第一涂覆部件，使得在这些部件之间存在更高质量的外观匹配。 
图20示出了用于确定在涂覆备件时所使用的处理和/或配方系数的处理流程2000。在步骤2002，可以获得第一涂覆部件的外观属性(例如，加权方向响应、BRDF等)。第一涂覆部件可以是例如汽车部件。在步骤2004，可以获得用于再现第一部件上的涂层的外观的配方或应用系数(例如，通过使外观属性依赖于配方或应用系 数)。考虑到在步骤2004获得的配方或应用系数，在步骤2006，可以将涂层涂覆至第二部件。例如，对于汽车车身车间，该处理流程2000会非常有用。以该方式中，第二部件的涂层可以与第一部件的涂层匹配。使用处理流程2000，汽车车身车间可以匹配涂料配方和用于对部件进行重新上漆或对备件进行上漆的处理，以匹配汽车上已有的部件的外观。这可以提供较好的外观匹配，从而在备件的外观随着侵蚀和磨损而变化时，再现原始配方和处理系数。 
图21示出了根据不同实施例的用于校验***件的身份的处理流程2100。例如，该***件可以是安全油墨(例如，具有取决于观看角度的外观的安全油墨)。该油墨可以存在于产品的标签或其它指示物上。在不同的实施例中，例如，在具有截然不同外观的化妆品或类似产品的情况下，***件可以是产品本身。参照处理流程2100，在步骤2102，可以测量第一未知部件的外观属性。该外观属性可以是加权方向响应、BRDF等。在步骤2104，可以将测量的外观属性与真实***件的已知外观属性进行比较。在步骤2106可以获得被测试产品的真实性。例如，如果未知***件的外观属性与已知产品的外观属性匹配，则该未知产品很可能是可靠的。如果被测试的***件的属性与已知属性不匹配，则该产品可能是伪造的。应当理解，通过考虑多个独立的外观属性可以增加匹配的可靠性。 
图22示出了根据不同实施例的用于识别部件源的处理流程2200。例如对于法务调查，处理流程2200会非常有用。在步骤2212，可以分析部件的外观属性。例如，该部件可以是撞击或行驶事故情况下的汽车车身零件、在犯罪现场留下的衣物碎片、或法务调查对象的其它部件。在步骤2214，可以将部件的外观属性于已知起源的部件的类似属性进行比较。在步骤2216，可以基于所测量的外观属 性和已知外观属性之间的匹配来识别部件。例如，汽车车身零件可以依赖于特定制造、型号、产品运行等。 
应当理解，已经简化了本发明的附图和描述以说明与清楚理解本发明相关的元件，而出于清晰的目的，删除了诸如(例如)上述非执行业务提供商单元的一些特定任务的其它元件。本领域的技术人员将会认识到这些或其它原件可能是需要的。然而，由于这样的元件是本领域公知的，并且由于它们并不能有助于更好的理解本发明，所以本文中没有提供对这些元件的讨论。 
如本文中所使用的，“计算机”或“计算机***”可以是但不限于单独的或组合的个人计算机(PC)、基于服务器的计算机、主机、服务器、微型计算机、小型计算机、个人数据助手(PDA)、蜂窝电话、寻呼机、处理器，包括它们的无线和/或有线的改变、和/或能够配置用于处理独立应用和/或通过网络连接的介质或媒介的数据的任何其它计算机化的装置。本文中披露的计算机和计算机***可以包括用于存储一些软件应用程序的可操作连接的存储器，这些软件应用程序被用于获得、处理、存储和/或通信数据。应当理解，这种存储器相对于其可操作连接的计算机或计算机***可以是内部的、外部的、远程的或本地的。存储器还可以包括用于存储软件或其它指令的任意装置，例如，包括但不限于硬盘、光盘、软盘、ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)、PROM(可编程ROM)、EEPROM(扩展可擦除PROM)、和/或其它类似的计算机可读介质。 
***901的各个模块916、918可以实现为由使用任意类型的适当计算机指令类型的***901或任意其它计算机***的处理器(组)执行的代码。该软件代码可以在计算机可读介质中存储为一系列指令或命令。本文中所使用的术语“计算机可读介质”可以包括，例如诸如磁盘的磁和光存储装置、不但只读而且可写变体的压 缩盘、光盘驱动器、以及硬盘驱动器。计算机可读介质还可以包括物理、虚拟、永久、临时、半永久和/或半临时的记忆存储器。计算机可读介质可以进一步包括在一个或多个载波上传输的一个或多个数据信号。 
尽管已经描述了本发明的几个实施例，但是很显然，对于本领域的技术人员可以对本发明进行各种改进、替换和改装，同时获得本发明的一些或全部优点。因此，本发明旨在覆盖这些改进、替换和改装而不背离由附加的权利要求所限定的本发明的范围和精神。 

Claims (71)

1.一种用于测量表面的空间欠采样双向反射分布函数的设备，所述设备包括：
第一光源，被定向用于从第一照射方向照射所述表面；
多个传感器，被放置为接收由所述表面反射的光，其中，所述多个传感器包括：
第一传感器，包括沿第一反射方向设置的小孔；
第二传感器，包括沿第二反射方向设置的第二小孔；以及
第三传感器，包括沿第三反射方向设置的第三小孔，其中，所述第一反射方向、所述第二反射方向、和所述第三反射方向不共面且不平行；以及
计算机，与所述多个传感器进行通信，其中，所述计算机被配置为考虑到所述第一反射方向、所述第二反射方向、和所述第三反射方向，将由所述多个传感器感测的光转换为所述表面的第一外观属性。
2.根据权利要求1所述的设备，进一步包括以第二照射角入射到所述表面上的第二光源。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个传感器进一步包括第四传感器，所述第四传感器包括沿第四反射方向设置的第四小孔。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个传感器包括数量介于5和15之间的传感器。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一传感器对多个离散的波长范围敏感。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一传感器包括光敏二极管和位于所述表面与所述光敏二极管之间的至少一个谱带通滤波器。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述谱带通滤波器是位于所述表面与所述光敏二极管之间的色轮的一部分。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一传感器包括宽带谱检测器。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述宽带谱检测器是RGB传感器。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一传感器包括接收元件，其中，所述第一传感器的小孔位于所述表面和所述接收元件之间。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述第一传感器的小孔通过至少一条光纤光学电缆光学地连接至所述接收元件。
12.根据权利要求10所述的设备，进一步包括位于所述第一传感器的小孔和所述接收元件之间的至少一个透镜。
13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一反射方向、所述第二反射方向和所述第三反射方向中的至少一个是镜像反射方向。
14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个传感器包括如下的传感器，其包括以15度、25度、45度、75度、和110度的镜面角放置的多个传感器。
15.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个传感器包括以-15度的镜面角放置的传感器。
16.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一光源是准直光束源。
17.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一光源包括白色发光二极管。
18.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一光源包括具有不同谱输出的多个发光二极管。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述多个发光二极管包括9个发光二极管，并且，其中所述9个发光二极管中的每一个都具有不同的谱输出。
20.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一光源包括白炽灯泡。
21.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一照射方向与所述表面法线形成零度角。
22.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一照射方向与所述表面法线形成大于45度的角。
23.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个传感器包括非成像传感器。
24.一种用于测量表面的空间欠采样双向反射分布函数的方法，所述方法包括：
用从第一照射方向入射到所述表面上的第一光源照射所述表面；
感测由所述表面在多个反射方向上反射的多个波长的光，其中，所述多个反射方向包括第一反射方向、第二反射方向、和第三反射方向；以及
考虑到所述第一反射方向、所述第二反射方向、和所述第三反射方向，将所述光转换为所述表面的空间欠采样双向反射分布函数，然后操控所述双向反射分布函数来产生第一外观属性。
25.根据权利要求24所述的方法，进一步包括：用从第二照射方向入射到所述表面上的第二光源照射所述表面。
26.根据权利要求24所述的方法，其中，所述多个反射方向进一步包括第四反射方向。
27.根据权利要求24所述的方法，其中，所述多个反射方向包括数量介于5和15之间的反射方向。
28.根据权利要求24所述的方法，其中，所述多个反射方向的数量与所述表面的物理属性相关。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述多个反射方向的数量等于2L+m，其中，L等于存在于所述表面上的物理层的数量，以及m等于包括在所述表面中的不同材料的数量。
30.根据权利要求28所述的方法，其中，所述多个反射方向的数量等于6L+6m，其中，L等于存在于所述表面上的物理层的数量，且m等于包括在所述表面中的不同材料的数量。
31.根据权利要求24所述的方法，其中，所述第一外观属性是所述表面的加权方向响应，其中，所述加权方向响应包括一矢量组，并且，其中所述矢量组中的每一个都表示以给定的波长或波长范围对全部所述多个反射方向所测量的光的矢量和。
32.根据权利要求31所述的方法，进一步包括：计算平均谱空间矩，其中，所述平均谱空间矩是所述加权方向响应的平均方向。
33.根据权利要求31所述的方法，进一步包括：计算加权谱空间分布，其中，所述加权谱空间分布是表示包括在所述加权方向响应中的所述矢量组的端点的线形的函数。
34.根据权利要求31所述的方法，进一步包括：将所述表面的所述加权方向响应转换为第二表面的加权方向响应。
35.根据权利要求31所述的方法，进一步包括：对包括在所述矢量组中的矢量应用加权系数。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，基于所述矢量的方向确定所述加权系数，以反映由所述表面反射的能量的期望分布。
37.根据权利要求24所述的方法，进一步包括：通过从所述双向反射分布函数的近似值中减去反射分量来计算双向散射分布函数的近似。
38.根据权利要求37所述的方法，进一步包括：通过用地形散射系数除所述双向散射分布函数的近似值来计算与所述表面的地形散射成比例的项。
39.根据权利要求37所述的方法，进一步包括：通过用材料散射系数除所述双向散射分布函数的近似值来计算与所述表面的材料散射成比例的项。
40.根据权利要求37所述的方法，进一步包括：通过用缺陷散射系数除所述双向散射分布函数的近似值来计算与所述表面的缺陷散射成比例的项。
41.根据权利要求24所述的方法，其中，所述第一外观属性是光栅结构周期。
42.根据权利要求24所述的方法，其中，所述第一外观属性是折射指数。
43.根据权利要求24所述的方法，其中，所述表面的所述属性包括存在于所述表面上的涂层的配方的属性。
44.根据权利要求24所述的方法，其中，所述表面的属性包括用于涂覆存在于所述表面上的涂层的处理的属性。
45.根据权利要求24所述的方法，其中，所述感测光包括：利用固定位置处的至少一个传感器来感测光。
46.根据权利要求24所述的方法，其中，所述感测光包括：通过至少一个非成像传感器来感测光。
47.根据权利要求24所述的方法，其中，所述第一反射方向、所述第二反射方向、和所述第三反射方向不共面。
48.一种用于测量表面的空间欠采样双向反射分布函数的***，所述***包括：
照射光学器件，被配置为用至少一个光源照射所述表面；
接收光学器件，被配置为感测由所述表面在多个反射方向反射的多个波长的光，其中，所述多个反射方向包括第一反射方向、第二反射方向、和第三反射方向；以及
处理模块，被配置为考虑所述第一反射方向、所述第二反射方向、和所述第三反射方向，将由所述接收光学器件感测到的光转换为所述表面的第一外观属性。
49.根据权利要求48所述的***，其中，所述照射光学器件、所述接收光学器件、和所述处理模块包含在单个外壳中。
50.根据权利要求48所述的***，其中，所述处理模块远离所述照射光学器件和所述接收光学器件。
51.根据权利要求48所述的***，其中，所述接收光学器件包括固定位置处的至少两个传感器。
52.根据权利要求48所述的***，其中，所述接收光学器件包括至少一个非成像传感器。
53.根据权利要求52所述的***，其中，所述第一反射方向、所述第二反射方向、和所述第三反射方向不共面。
54.一种用于匹配涂覆于第一部件和第二部件的涂层外观的方法，所述方法包括：
获得所述第一部件的第一外观属性，其中，获得所述第一外观属性包括：
用从第一照射方向入射到所述第一部件的表面上的第一光源照射所述表面；
感测由所述表面在多个反射方向中反射的多个波长的光，其中，所述多个反射方向包括第一反射方向、第二反射方向、和第三反射方向，所述第一反射方向、所述第二反射方向、和所述第三反射方向不共面；并且其中，所述第一外观属性考虑了所述第一反射方向、所述第二反射方向、和所述第三反射方向；其中，利用固定位置处的至少一个传感器来感测光；
获得所述第二部件的第二外观属性；
比较所述第一外观属性和所述第二外观属性；
将所述第一外观属性与所述第二外观属性之间的差别与涂层系数相关联。
55.根据权利要求54所述的方法，其中，所述涂层系数包括配方和应用系数中的至少一个。
56.根据权利要求54所述的方法，其中，所述第一外观属性包括所述第一部件的加权方向响应以及所述第一部件的双向反射分布函数中的至少一个。
57.根据权利要求54所述的方法，进一步包括：考虑所述涂层系数来涂覆第三部件类型。
58.根据权利要求54所述的方法，其中，所述感测光包括：用至少一个非成像传感器来感测光。
59.一种修理装置的方法，所述方法包括：
获得所述装置的第一部件的第一外观属性，其中，获得所述第一外观属性包括：
用从第一照射方向入射到所述第一部件的表面上的第一光源照射所述表面；
感测由所述表面在多个反射方向反射的多个波长的光，其中，所述多个反射方向包括第一反射方向、第二反射方向、和第三反射方向，其中利用固定位置处的至少一个传感器来感测光，并且其中，所述第一外观属性考虑了所述第一反射方向、所述第二反射方向、和所述第三反射方向，所述第一反射方向、所述第二反射方向、和所述第三反射方向不共面；
将所述第一外观属性和所述第一部件的涂层系数相关联；
考虑所述涂层系数来涂覆所述装置的备件。
60.根据权利要求59所述的方法，其中，所述涂层系数包括配方和应用系数中的至少一个。
61.根据权利要求59所述的方法，其中，所述第一外观属性包括所述第一部件的加权方向响应以及所述第一部件的双向反射分布函数中的至少一个。
62.根据权利要求59所述的方法，其中，所述装置是汽车。
63.根据权利要求59所述的方法，其中，所述感测光包括：利用至少一个非成像传感器来感测光。
64.一种获得未知对象的身份的方法，所述方法包括：
获得所述对象的第一外观属性，其中，获得所述第一外观属性包括：
用从第一照射方向入射到所述对象的表面上的第一光源照射所述表面；
感测由所述表面在多个反射方向反射的多个波长的光，其中，所述多个反射方向包括第一反射方向、第二反射方向、和第三反射方向，其中利用固定位置处的至少一个传感器来感测光，并且其中，所述第一外观属性考虑了所述第一反射方向、所述第二反射方向、和所述第三反射方向，其中，所述第一反射方向、所述第二反射方向、和所述第三反射方向不共面；
比较所述第一外观属性和已知对象的外观属性。
65.根据权利要求64所述的方法，其中，所述第一外观属性包括加权方向响应和空间欠采样双向反射分布函数。
66.根据权利要求64所述的方法，进一步包括：基于所述比较来确定所述未知对象的真实性。
67.根据权利要求65所述的方法，进一步包括：基于所述比较来识别所述未知对象的源。
68.根据权利要求64所述的方法，其中，所述感测光包括：用至少一个非成像传感器来感测光。
69.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光源是宽谱光源。
70.根据权利要求24所述的方法，其中，所述光源是宽谱光源。
71.根据权利要求48所述的***，其中，所述光源是宽谱光源。
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