CN100403011C

CN100403011C - 用于表面估计的方法和设备

Info

Publication number: CN100403011C
Application number: CNB028079019A
Authority: CN
Inventors: K·H·德哈斯; G·C·杜贝尔达姆; I·B·N·范德兰斯; R·P·弗里斯
Original assignee: Akzo Nobel Coatings International BV
Current assignee: Akzo Nobel Coatings International BV
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2022-03-28
Also published as: EP1373867A1; JP3933581B2; CN1505757A; KR20040012743A; WO2002082063A1; JP2004526969A; KR100875806B1; RU2292037C2; ZA200307712B; AU2002338353B2; BR0208660A; RU2003132476A

Abstract

用于记录表面的视觉特性的方法和设备，包括一个用于记录表面上的光相互作用(反射或者穿透)的成像装置(3)、一个光源(2)和一个用于定位一个具有待观察表面的样本(6)的样本区域。该成像装置、光源、和样本区域的排列方式使得在一个图像中，表面上的至少一个表面属性可以作为照明方向(7、9)和观察方向(4、5)之间的连续的角范围的函数被记录。成像装置是CCD照相机。该设备和方法适用于成像和评估依赖于光学几何条件的视觉特性，如flop行为和光泽。

Description

用于表面估计的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于记录表面的视觉特性，如：有着色的涂层薄膜的颜色、光泽、质地等的方法和设备，该方法和设备使用一个成像装置、一个光源、和一个用于定位具有要检查表面的样本的样本区域。

背景技术

一个表面的视觉外观可以依赖于光学几何条件，光学几何条件被定义为被观察物体相对于观察者以及光源的定位。这种依赖性可以发生在，例如具有效果颜料的涂层薄膜上。视觉特性对光学几何条件的这种依赖性通常称为测角色差，或者flop行为。在光学几何条件中，观察方向就是在观察者和被观察物体上一个被观察点之间的线，照明方向是在光源和被观察点之间的线。镜面反射方向就是由与样本表面相垂直的镜面反射的照明方向的线的方向。Flop角，也被称为aspecular角，是观察方向和反射方向之间的夹角。光泽，不论是效应膜或者非效应膜，都依赖于光学几何条件。

效果颜料被应用于表面以便获得光学效果，如金属或者珍珠涂层。通常，在包括金颜料的涂层薄膜中，亮度是依赖于光学几何条件的，对于包括珍珠效果颜料涂层，色调随光学几何条件而改变。这就使得这种涂层薄膜的视觉外表的特性变得非常复杂。当近距离观察时，涂层薄膜上由于涂料薄片的存在而形成的局部强散射点的外观就会使得这种关系变得更加复杂。而固体颜色可以以反射系数值的频谱分布为特征，包括效果颜料的涂层需要考虑到角度和空间依赖性。

迄今为止，一直用分光光度计以有限数量不同的测量几何条件来研究金属和珍珠涂层的光亮度和颜色对于光学几何条件的依赖性。然而，这就导致得到一个在非常有限数量的光学几何条件处给出的数据的不完整的图片。

美国专利5,550,632中公开了一种用数字照相机来评估涂料薄膜的方法和装置。每条记录只使用一个光学几何条件，并且由于照相机的聚焦，只有一个flop角。由于包括效果颜料的涂层的外观依赖于flop角，该方法不能用于在一个记录中评估这种效果表面。

发明概述

本发明的目的就是提供一种允许在一个连续的flop角范围上在单记录中对表面进行评估的系统。

本发明的目的是通过一个通过记录一个表面的flop角的依赖特性的设备来实现的，该设备包括一个成像装置，用于记录由一个表面，一个光源和一个用于定位一个具有待观察表面的样本的样本区域产生的光相互作用，其特征在于所述成像装置的视野覆盖了一个连续的观察方向范围，并且在于成像装置、光源、和采样区域以这种方式安排，使得在一个图象中至少一个表面特性作为flop角的函数被记录。该记录可被应用于视觉检查和比较，或者基于成像装置的能力量化已记录信号，用于测量或者数据处理。一个应用的具体例子就是用于光泽测量和颜色匹配。

根据本发明的一种设备或者安排特别适用于评估涂覆有效果颜料的表面的flop行为、或者测角色差。

为了得到flop行为的有用图片，如前面所定义的flop角的范围跨度应该最好大于40度，如果大于50度就更好了。

对于某些类型的表面，如：包括金属颜料的涂层薄膜，在flop角变大时，颜色变深。为了在这种情况下应用所有的测量范围，光分布最好在成像装置的观看视野上变化，最好依照一个增或减函数。这个函数取决于材料类型。可以通过根据照明角度的变化改变光源的光输出来改变光分布。也可以采用适当的滤光波器来改变光分布。

在一个优选安排中，光源可以是一个线光源，如TL条形照明灯、光扩散器上的一个水平切口、一列点光源，如LED或者玻璃纤维等。光源也可以是一个点光源。

根据本发明的一个安排中的一个合适的成像装置是CCD照相机、或者电荷藕合器件照相机。例如：Ricoh

RDC 5000、Olympus

C-2000Z、Minolta

Dimage

RD 3000、和Nikon

Coolpix

950都是合适的CCD照相机。

数字摄像机构成另一个可以实施本发明的的合适的设备群体。使用数字摄像机时，flop角不仅作为位置的函数而改变，而是可选的或者额外的作为时间的函数而改变。使用数字摄像机还可以监视被观察表面在一段时间内视觉外观随时间的变化，例如：在处理过程中涂层薄膜的外貌。

使用数字摄像机，每个记录的图像都是由大量的象素组成的。每个象素具有一个红色值R、一个绿色值G、和一个蓝色值B。

理想情况下，对于一个纯黑表面，经过校准的R、G和B值应该都为0，而对一个理想纯白表面来说，这三个值都应该等于一个预先设定的最大值。这个最大值等于2ⁿ-1，其中n是定义一个象素的位数。如果采用的是8位的象素深度，那么这个最大值就应该是255。

当研究金属涂层时，其亮度可能超出本地白色的亮度。应当考虑到这种情况，例如：选择一个小于2ⁿ-1的最大值作为白色。

对于精确颜色测量，最好周期性的校准测量结果。当使用CCD照相机时，可以用首先分别记录一个黑色样本和一个白色样本的方法来进行校准。从白色样本和所测量样本的R、G、B值中减去黑色值的R、G、B值。然后，所测量样本的R、G、B值分别除以白色校准样本的相应值，并乘以最大白色值。这意味着对于图像中的每个象素来说，用如下公式计算出了R值的校准值R_cal：

R_cal＝255＊(R-R_black)/(R_white-R_black)

在这个公式中，R_black是在黑色样本中象素的R值，而R_white是在白色样本中象素的R值。B和G的校准值也相应的计算出。这个修正说明象素的光灵敏度中的偏差和照明强度随光学几何条件的变化。

还可以对于光强随时间的变化校正R、G、B值。可以通过对样本应用并列白色条来实现这种校正。为了计算的需要，样本和白色条可以被分为沿样本纵向轴方向的大量的虚拟部分。对每个样本部分，确定R、G、B的平均值R_av、G_av、B_av。类似的，对于每个白色条部分，确定R、G、B的平均值R_white-av、G_white-av、B_white-av。然后，用下面的公式计算出每个样本部分的修正的R值R_cor：

R_cor＝255＊(R_av，/R_white-av)。

可以相应的计算出G_cor和B_cor的值。

Commission International de I’Eclairage(CIE)制定了最普通的用于色度数据的系统，也就是CIELab(L^＊，a^＊，b^＊)、CIEXYZ(X，Y，Z)和CIELuv(L^＊，u^＊，v^＊)。这些系统考虑到了人眼的灵敏度。用CCD照相机测量的R、G、B值可以转换为CIELab系统中的L^＊、a^＊、b^＊值。

所选择的数学模型可以是任何一个本领域技术人员已知的数学模型。在H.R.Kang的文章Color Technology for Electronic Imaging Devices，SPIE Optical Engineering Press，1997年，第3和第11章和美国专利5,850,472中提及了一些范例。模型可以是线性的也可以是非线性的。一个非线性模型的例子是一个具有10个参数的二次多项式或者是一个具有20个参数的三次多项式。在应用中最好采用线性模型。所采用的线性模型最好具有4个模型参数。

具有4个参数的线性模型的一个例子是这样一个模型，其中校准颜色的已测量的颜色信号，在本例中是R、G和B数据，被转换为色度数据，在本例中是CIELab数据：

L_i ^＊＝c₀+c₁R_i+c₂G_i+c₃B_i

a_i ^＊＝d₀+d₁R_i+d₂G_i+d₃B_i

b_i ^＊＝e₀+e₁R_i+e₂G_i+e₃B_i

其中，R_i、G_i、B_i是已测量信号，L_i ^＊、a_i ^＊、b_i ^＊是校准颜色i的色度数据。

应用线性回归来从已测量RGB数据和校准颜色的CIELab数据(CIE1964标准色度观测器)来计算出12个模型参数c₀-c₃、d₀-d₃和e₀-e₃。这些模型参数被用于将被选颜色的已测量RGB数据转换为CIELab数据。

一个具有20个参数的非线性三次多项式为：

L_i ^＊＝c₀+c₁R_i+c₂G_i+c₃B_i+c₄R_i ²+c₅G_i ²+c₆B_i ²+c₇R_iG_i+c₈R_iB_i+c₉G_iB_i+c₁₀R_i ³+c₁₁G_i ³+c₁₂B_i ³+c₁₃R_i ²G_i+c₁₄R_i ²B_i+c₁₅G_i ²R_i+c₁₆G_i ²B_i+c₁₇B_i ²R_i+c₁₈B_i ²G_i+c₁₉R_iG_iB_i

a_i ^＊＝d₀+d₁R_i+d₂G_i+d₃B_i+d₄R_i ²+d₅G_i ²+d₆B_i ²+d₇R_iG_i-d₈R_iB_i+d₉G_iB_i+d₁₀R_i ³+d₁₁G_i ³+d₁₂B_i ³+d₁₃R_i ²G_i+d₁₄R_i ²B_i+d₁₅G_i ²R_i+d₁₆G_i ²B_i+d₁₇B_i ²R_i+d₁₈B_i ² _Gi+d₁₉R_iG_iB_i

b_i ^＊＝e₀+e₁R_i+e₂G_i+e₃B_i+e₄R_i ²+e₅G_i ²+e₆B_i ²+e₇R_iG_i-e₈R_iB_i+e₉G_iB_i+e₁₀R_i ³+e₁₁G_i ³+e₁₂B_i ³+e₁₃R_i ²G_i+e₁₄R_i ²B_i+e₁₅G_i ²R_i+e₁₆G_i ²B_i+e₁₇B_i ²R_i+e₁₈B_i ²G_i+e₁₉R_iG_iB_i

应用线性回归来从已测量RGB数据和校准颜色的CIELab数据来计算出60个模型参数c₀-c₁₉、d₀-d₁₉和e₀-e₁₉。这些模型参数被用于将被选颜色的已测量RGB数据转换为CIELab数据。

尽管上文所述，在计算模型参数时，仍然可能借给被选颜色附近的校准颜色更大的权重。在上面例子中的具有4个参数的线性模型中，这意味着在线性回归期间，根据在RGB颜色空间中被讨论的校准颜色和被选颜色之间的距离，给每个校准颜色一个权重因数。在线性回归过程中，如下的平方和被最小化：

Σ_{i = 1}^{n} w_{i} {(y_{i} - {\hat{y}}_{i})}^{2}

其中w_i是权重因数，y_i是基于频谱测量的L_i ^＊、a_i ^＊或b_i ^＊，是基于RGB到CIELab转换的L_i ^＊、a_i ^＊或b_i ^＊的计算值。

令

等于c₀+c₁R+c₂G+c₃B(见上文)，w_i等于((R_i-R)²+(G_i-G)²+(B_i-B)²)^-2，则这个和变为：

Σ_{i = 1}^{n} {({L_{i}}^{*} - c_{0} - c_{1} R_{i} - c_{2} G_{i} - c_{3} B_{i})}^{2} {({(R_{i} - R)}^{2} + {(G_{i} - G)}^{2} + {(B_{i} - B)}^{2})}^{- 2}

Σ_{i = 1}^{n} {({a_{i}}^{*} - d_{0} - d_{1} R_{i} - d_{2} G_{i} - d_{3} B_{i})}^{2} {({(R_{i} - R)}^{2} + {(G_{i} - G)}^{2} + {(B_{i} - B)}^{2})}^{- 2}

Σ_{i = 1}^{n} {({b_{i}}^{*} - e_{0} - e_{1} R_{i} - e_{2} G_{i} - e_{3} B_{i})}^{2} {({(R_{i} - R)}^{2} + {(G_{i} - G)}^{2} + {(B_{i} - B)}^{2})}^{- 2}

其中，n：为校正颜色的数量，R、G、B：为被选颜色的已测量信号。

还可以利用被选颜色附近的校正颜色来进行插值。

如果有这样的需要，可以根据公式R＝G＝B＝f(L^＊)或另一色度系统中L^＊的可比值对黑色、白色和灰色的已测量信号执行灰配平。在H.R.Kang的文章Color Technology for Electronic Imaging Devices，SPIEOptical Engineering Press，1997年，第11章中对这种灰配平进行了描述。

使用图像处理软件，如可以从Media Cybernetics买到的计算机程序Optimas、或者可以从同一公司得到的Image ProPlus

，可以用识别相对于颗粒背景差别照明亮度的方法识别独立的颗粒。这些颗粒可以是，如一种或者多种金属颜料。在识别出颗粒之后，可以用图像处理软件确定出颗粒的数量和图像参数，如颗粒大小、颗粒形状、最短和最长轴的长度、以及颗粒的R、G和B值。如果需要，该数据可以随意的在带状部分或者更大的部分上进行平均。

在图像基础上确定的数据可以被应用于，例如：搜索给出一个匹配表面涂层的涂层公式。为此，已测量数据可以和颜色公式数据库中进行比较。

为了增强成像装置的视野，光源可以包括一组镜子。已经发现适当的使用镜子可以提高大约90度或者更大的视野。

尽管光源可以是一个恒定光源，最好用闪光灯来减小能源的使用。如果采用了恒定光源，照相机应当被设置在一个适当的曝光时间。适当的光源可以是钨丝卤素灯或者氙灯。

在一个具体的优选实施例中，光源包括一个通过一狭长的切口漫射光的外壳。狭长切口的纵向边与样本表面基本平行，而短边则与样本表面基本垂直。在这种安排之下，可以用一个光感应器来控制光输出。在这种漫射器的一个优选实施例中，该狭长切口以散射器内侧的基本水平的壁为边界。这样，样本表面的光强是flop角的函数。在距漫射器较小角度距离处的光强要小于较大角度距离处的光强。

在根据本发明的设备的一个进一步的优选实施例中，在一个图像中光的频谱分布随样本上的位置不同而变化，例如，通过采用不同的光源或者一组滤光器、一个光栅、或者一个棱镜。这样将提高独立测量数据的数量，并改善颜色的精确性。可以用，例如改变光源发出的光或者在光进入成像装置之前改变光的频谱分布来实现这种操作。照明的频谱分布最好与光学几何条件的改变相互正交。

为了消除环境光线的影响，根据本发明的设备最好包括一个外壳。

如前所述，本发明包括一种表面估计的方法，其中所记录的光的相互作用通常是一个样本的光反射。然而，如果样本是透明的或者半透明的，所记录的光相互作用就可能是光穿透。在这种情况下，样本被放置于成像装置和光源之间。

可以采用光滑样本。然而，如果这样要求的话，弯曲样本也可以适用于flop behaviour的研究。

附图说明

下面用附图进一步的图解和说明本发明。图中：

图1所示是一个根据本发明的一个记录安排的整体示意图；

图2所示是在图1安排的一个记录；

图3所示是根据本发明的另一个可选安排的示意图；

图4示出了图3排列所记录的、flop角作为位置的函数的曲线；

图5所示是根据本发明的第三种可选安排；

图6所示是根据本发明的第四种可选实施例；

图7示出了根据图6中的设备中成像的样本的已滤波长的变化；

图8所示是一个具有用于光泽测量的平行参考样本的样本。

优选实施例的详细说明

图1所示为根据本发明的一个安排1，包括一个光源2，一个作为记录设备的CCD照相机3，该照相机具有一个从临近光源的第一外端观察方向4到第二外端观察方向5范围的观察角α。涂层样本6位于照相机3之下。光源2是一个平行于样本表面的线光源。光源2位于CCD照相机3的直接视野之外。在光源2和观察方向4与样本6交汇点之间的直线为第一照明方向7，它被样本6反射到第一反射镜面方向8。类似地，在光源2和观察方向5与样本6交汇点之间的直线为第二照明方向9，它被样本6反射到第二反射镜面方向10。图中，外flop角θ₁是在第一观察方向4和第一反射镜面方向8之间的角，而外flop角θ₂是在第二观察方向5和第二反射镜面方向10之间的角。在θ₁和θ₂之间的角范围的跨度可能达到大约90度。

图2所示是一个用图1中的安排记录的记录图像。这是一个涂有金属涂料的样本的图像。该图示出了亮度随flop角的变化。图2中的图像还示出了样本长度上粗糙程度的变化，正如人眼也能所观察到的。

图3给出了根据本发明的另一个可选安排，其中镜子11的使用增加了flop角的范围。镜子11的放置使得它恰巧可以反射临近距离光源2最远的照相机观察角范围的外端的样本部分。在照相机3观察的图像中，最靠近光源2的范围被该范围在另一端的延伸所替代。从右至左，记录所显示的范围是从θ₃至θ₅，然后是从θ₄至θ₂。从θ₁至θ₄的范围在记录上不再是可见的。

图4中所示是在类似于图3中的安排中flop角随位置的变化，位置0位于照相机的正下方。样本被反映的部分覆盖了从22mm至25mm的部分。

可以用两个(或者更多)独立的并行带来记录样本，一个是具有镜子的增强范围，而另一个则没有。这样，就可以记录整个放大的范围从θ₁至θ₂和范围θ₅至θ₃，如果θ₅与θ₂相等，那么就覆盖了一个从θ₁至θ₃的封闭区域。

图5所示的是类似于图1中安排的安排，其中的照相机位于样本6的正上方，光源12包括一个标准闪光灯13，可以采用商标为Metz的45CT-1。闪光灯13具有一个透明侧14。在透明侧14，闪光灯与漫射器16的上平面15相连接，漫射器包括一个半圆柱形部分17。在平面侧15上与闪光灯13的透明侧14相连的部分是敞开的。漫射器16的内侧是用白色涂层覆盖着的。在不与闪光灯13的透明侧14相合的地方，平面侧15被一个水平壁18封闭，在其内侧具有白色涂层。在水平壁18的外端和半圆柱部分17之间有一个竖向的狭长切口19，该切口在漫射器16的宽度上延伸。

当闪光灯13闪光时，反射涂层将光在漫射器16内部漫射。部分光被水平壁18的反射层反射，通过狭长切口19照射到样本6上的成像部分。可以从图5中看出，在照相机的观察角范围中最接近散射器16的外观察方向上，与照相机的外观察方向与漫射器16之间的距离相比，样本6被反射水平壁17上相当小的部分照亮。这样，光强是距离光源的角距离的函数。该函数可能随着狭长切口相对于样本表面的方位而改变。

玻璃纤维电缆20将围绕闪光灯13的空间和光传感器21相连，光传感器控制闪光灯13闪烁的时间间隔。部分在漫射器16内漫射的光通过玻璃纤维电缆20泄漏到光传感器21。光传感器21对通过玻璃纤维电缆20的光的量进行测量。当通过玻璃纤维电缆20的光的量达到一个预定量时，传感器21停止闪光灯13的工作。这样，可以保证每次闪烁所发出的光的量都是相同的。

图6所示为根据本发明的设备的另一种可选实施例，它包括一个成像装置3和一个光源2。样本6位于成像装置3的下方。一组滤光器和光栅或者一个棱镜24位于光源2和样本6之间。一个图象中照明的频谱分布随在样本上的位置的变化而在变化。图7示出了优选实施例的结果，其中照明的频谱分布的变化与光学几何条件的变化垂直。

图8示出一个样本的光泽特性的特征可以用光学几何条件的函数来描述。这个特定的例子在一个图像中说明高光泽样本25和低光泽样本26之间的差别。

Claims

1.一种用于记录一个表面的视觉特性的设备，包括一个用于在一个连续范围的观察方向上记录光与表面相互作用的成像装置，一个光源，和一个用于定位一个具有待观察表面的样本的样本区域，所述成像装置，所述光源，和所述样本区域被设置成三角形排列，以便在一个图象中，至少一个表面属性作为一连续范围的flop角的函数被记录，所述flop角是镜面反射方向和观察方向之间的角，所述成像装置基本上与所述样本区域成直角对准。

2.根据权利要求1的设备，其特征在于所述flop角的范围大于40度。

3.根据权利要求2的设备，其特征在于所述flop角的范围大于50度。

4.根据前述权利要求之一的设备，其特征在于光强度在成像装置的视野内变化。

5.根据权利要求4的设备，其特征在于光源是线光源。

6.根据权利要求5的设备，其特征在于成像装置是CCD照相机。

7.根据权利要求6的设备，其特征在于该设备包括一组镜子，用来增强成像装置的视野。

8.根据权利要求7的设备，其特征在于光源是具有光输出控制的闪光灯。

9.根据权利要求8的设备，其特征在于该设备包括一组滤光器、一个光栅或者一个棱镜，用于根据在样本上位置的变化改变照明的频谱分布或者进入记录设备的光的频谱分布。

10.一种用于记录表面的视觉特性的方法，采用一个用于记录一个表面的光反射的成像装置，一个光源，和一个用于定位一个具有待观察表面的样本的样本区域，其特征在于所述成像装置、光源、和样本的排列方式使得在一个图像中，表面上的至少一个表面属性可以作为镜面反射方向和观察方向之间的连续的角范围的函数被记录。

11.根据权利要求10的方法，其特征在于视觉特性是样本的光泽。

12.一种用于记录表面的视觉特性的方法，采用一个用于记录一个半透明表面的光传输的成像装置，一个光源，和一个用于定位一个具有待观察表面的样本的样本区域，所述成像装置、光源、和样本的排列方式使得在一个图像中，表面上的至少一个视觉特性可以作为照明方向和观察方向之间的连续的角范围的函数被记录。