CN101076712A - 用于分析表面的视觉特性的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过如下装置对样品成像的方法，所述装置包括具有黑色内壁和样品开口的腔，所述装置还包括用于所述腔的照明的照明装置和从所述腔朝向所述样品开口的数字成像装置，所述方法包括如下步骤：通过样品开口将样品提供在所述腔内；照亮所述腔；启动所述成像装置以记录所述样品的像；将记录的图像数据传输到编程有图像分析软件的计算机，以分析所述记录的图像，其特征在于所述腔的内壁是光吸收的，并且被提供均匀分布在所述腔的至少一部分所述内壁上的点光源，并且根据所需要的光条件，所述光源中的选择光源被启动。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过如下装置对样品成像的方法，所述装置包括具有内壁和样品开口的腔，所述装置还包括用于所述腔的照明的照明装置和从所述腔朝向所述样品开口的数字成像装置，所述方法包括如下步骤：
·通过样品开口将样品提供在所述腔内；
·照亮所述腔；
·启动所述成像装置以记录所述样品的像；
·将记录的图像数据传输到编程有图像分析软件的数据处理单元以分析所述记录的图像。
本发明还涉及在这种方法中使用的装置。
背景技术
WO99/042900披露了一种利用数字相机对设置在内部照明的白色壁的球体内的物体进行成像的方法和装置。所述图像通过计算机进行分析以产生彩色数据。所述相机的光轴与将要被测量的所述物体对准。所述白色内壁用于保证漫射光分布。检验各种光条件的效果是不可能的。
特别是，当使用诸如铝粉颜料的效应颜料时，涂膜的外观不是均匀的颜色，而是表现出诸如粗糙、闪耀、微耀、浑浊、杂色、斑纹、光泽或者闪光的不均匀性。部分这些效果依赖于光的方向和分布。在下文中，将纹理定义为在依赖于表面材料的微小组成部分的尺寸和排列的涂膜平面内的视觉表面结构。粗糙度是没有闪耀和闪光效果的纹理。因此，粗糙度可以定义为在依赖于表面材料的微小组成部分的尺寸和排列的涂膜平面内在漫射光条件下的可见的表面结构。当光从各个方向以相同程度入射时，则认为是漫射。由于闪光和闪耀是依赖于观察方向和照明方向之间的角度的光泽的变量，因此在漫射光条件下不会产生闪光和闪耀。在本文中，纹理和粗糙度并不包括涂膜的触觉表面粗糙度，而仅仅是在涂膜的平面内的视觉不规则性。
汽车涂料通常包含诸如铝粉颜料的效应颜料以得到金属效果。同样也常常使用珠光粉颜料。当受损的汽车需要修补时，必须使用不仅具有匹配的颜色而且根据诸如纹理和粗糙度的其他视觉特性匹配的修补涂料。
迄今，表面的纹理和粗糙度，特别是涂膜，都是通过在样品扇中对样品进行比较由眼睛进行判断的。这种方法的结果高度依赖于从业者的技术，并且常常并不令人满意。
美国专利申请US2001/0036309披露了一种测量微耀并利用它来使诸如汽车上的修补涂料与原始涂料匹配的方法。微耀通过用CCD相机对涂膜的一部分成像并通过使用图像处理软件计算微耀参数来测量。
WO03/029766披露了一种例如用于涂料的颜色测量装置，其包含用于接收被测物体、灯和数字相机的外壳。外壳的内表面可以涂覆有无光泽涂料以获得漫射和均匀的光。其还描述了一种在这种外壳中测量纹理并计算纹理值的方法。灯以及相机和被测物体位于所述外壳内。
当试图寻找一种颜色和纹理与原始使用的涂料匹配的修补涂料配方时，存在发现这样一种修补涂料配方的风险，这种修补涂料配方在特定光条件下可能匹配，而在其他光条件下可能不匹配。因此，本发明的一个目的是提供一种装置和方法，其一定程度上能够对纹理效果进行分析和表征用于配制在各种光条件下都能够匹配的修补涂料。
发明内容
本发明的目的通过如起始段落所述的方法实现，其特征在于所述腔的内壁是光吸收的，并且其中至少一部分照明装置由在所述腔的至少一部分内壁上均匀分布的点光源形成，并且所述光源的选择依赖于所期望的光的方向性程度来进行。
通过接通所有点光源来产生漫射条件，而通过关掉几乎所有点光源而只留下一个，由于所述光吸收性内壁而获得方向性照明。通过每次使用不同的点光源，可以从不同角度方向性地照亮样品。还可以使用漫射和方向性照明的组合。
为了获得足够的漫射和强光，例如发光二极管或LED的点光源应当优选例如在所述腔的基本整个内壁上均匀地分布。例如可以将光源对准样品开口。在合适的实施例中，每15-25cm2，优选每16-20cm2存在1个LED。
点光源可以位于所述腔本身内，或者可以通过所述腔壁上的开口照亮所述腔。
所述腔的内壁可以例如通过将其涂黑构成为光吸收性的。
为了避免样品内的相机的反射被记录下来，可以将成像装置设置在其镜面反射的范围之外。这对如果建立漫射光条件，例如当所有点光源都接通时，是特别有用的。
合适的成像装置例如是包含CCD或任何其他适于存储图像数据的存储芯片的数字照相机或摄像机。
所述数字记录可以是彩色图像，但这对分析纹理效果不是必需的。也可以使用黑白记录。
所述数字记录随后被传送到装载有图像分析软件的数据处理单元，其可以用于将所述图像转换为一个或多个纹理参数。合适的图像处理软件例如是由Media Cybernetics在商业上提供的Optimas或Image ProPlus，由Mitani Corporation提供的MacScope，或者由MathWorks Inc.提供的Matlab。数据处理单元例如可以是计算机或例如位于所述相机内的芯片。
分析和表征粗糙度
为了从数字图像提取纹理参数，收集一组代表性的汽车颜色并利用覆盖整个纹理参数范围的参考标度进行视觉判断。得到这样的算法，其从所述组汽车颜色的图像提取与视觉评估密切相关的纹理参数。
粗糙度数据可以利用例如统计方法、滤波器组方法、结构方法和/或基于模型的方法由所述数字记录来分离。
从N×N像素的CCD图像开始，可以在若干个标度X上确定灰度值标准偏差σ：在最小标度X＝1，对每个单独的像素进行计算。在第二最小标度，在2×2个像素(X＝4)的方块的平均灰度值上进行计算。在第三最小标度使用4×4个像素的方形，因此X＝16。这样重复进行直到N×N个像素(X＝N2)的最大标度。
灰度值标准偏差σ可以被描述为标度X的函数，利用：
当σ灰度和X已知时，可通过拟合计算参数A，B和C。
通过下式可以使参数A、B和C与视觉粗糙度相关联：
粗糙度＝α1+α2A+α3B+α4C。
α1、α2、α3和α4的值通过预先比较代表性汽车颜色的一组面板而预先确定。这些参考颜色通过眼睛进行判断，并根据参考标度而被赋值。这由许多人来完成，并且所述赋值对每个面板取平均。对于这些参考颜色的每一个，测量的VC应当等于基于视觉判断的参考标度的值。参数α1、α2、α3和α4通过使在所述组代表性汽车颜色中所有使用的所有面板的观察值和测量值之间的差最小化来确定。为了找到所述组代表性汽车颜色的所有面板的α1、α2、α3和α4参数的相等值，对每个面板计算所述参考标度值和所述视觉粗糙度值VC之间的差的平方值。随后使所有这些平方值之和∑所有面板(视觉判断面板i-VC面板i)2最小化，得到α1、α2、α3和α4的值。当这些参数已知时，就可以确定任何汽车涂膜的粗糙度。
在计算粗糙度的可选方式中，确定图像的所有像素的平均灰度值(m)和标准偏差(σ)。然后将粗糙度表达如下：
通过利用所述组代表性汽车颜色使∑所有面板(平均视觉判断面板i-粗糙度面板i)2最小化来确定参数α1和α2。当α1和α2已知时，可以确定任意颜色的粗糙度。取代灰度值，也可以使用R、G和/或B值。
在计算粗糙度的结构方法中，将所述图像分割为显著的相邻像素的子集。用图像的10次平均值定义一阈值以从背景中辨别分割部分。分割部分可以具有在所述图像内的像素总量的2.5％的最大尺寸，并且应当是8邻接的。同样可以使用其他分割方法。计算分割部分的数量(n)和分割部分的平均值(ms)。然后计算粗糙度如下：
粗糙度＝α1+α2In n+α3In ms+α4In m
如上那样，通过利用所述组代表性汽车颜色使∑所有面板(平均视觉判断面板i-粗糙度面板i)2最小化来确定参数α1、α2、α3和α4。当α1、α2、α3和α4已知时，可以确定任意颜色的粗糙度。
粗糙度的效应主要由较大的光学非均匀性产生。较小的非均匀性几乎对粗糙度没有贡献。可以将滤波器组方法用于滤除较小的非均匀性。为此，首先将所述图像转换到傅立叶(Fourier)域。然后应用滤波器以选择和滤除某些频率区域。随后，变换回图像，并求出平均值(m)和标准偏差(σ)。如上那样，所述粗糙度计算如下：
通过利用所述组代表性汽车颜色使∑所有面板(平均视觉判断面板i-粗糙度面板i)2最小化来确定参数α1和α2。当α1和α2已知时，可以确定任意颜色的粗糙度。
分析和表征闪耀
参数“闪耀”是描述在开通和关断方向性照明条件下当观察角改变时效应涂层的表面上明亮微小的光点的感觉的另一纹理参数。闪耀最好直接在阳光，例如无云的天空下在小于一米的距离观察。即使当观察条件相同时，某些效应涂层显示出许多明亮的闪耀，而另一些效应涂层显示出很少或者甚至完全没有闪耀。将闪耀标度设计为观察者能够用它来视觉观察所述效应涂层并且将闪耀的状况用数字表示。某些效应涂层具有低的闪耀值，另一些具有高的闪耀值。这样，可以定量地观察涂层的纹理状况“闪耀”。闪耀作用通常在几个观察角确定。
可以利用来自方向性照明样品的图像或来自首先方向性照明然后漫射照明或者反之亦然的两幅样品图像的信息来提取闪耀。根据利用漫射照明捕捉的图像计算平均灰度值并称作背景灰度值。根据在方向性条件下获得的图像，利用三步方法提取闪耀特性：首先通过设置阈值选出明亮的像素，所述阈值被定义为所选择的像素的平均灰度值除以原始图像的灰度值。所述值不应当超出预先定义的极限。合适的值例如是1.7。然后将所选定的小于3×3个像素的像素区域去除。最后测试闪耀是否明显：其亮度(区域尺寸乘以灰度值)应当大于原始图像的灰度值的Y倍。通常将Y选择为20。随后提取总闪耀灰度值和平均闪耀尺寸。如果仅使用方向性照明图像来获得闪耀，那么还计算了不属于所述闪耀的所有像素的平均灰度值并称作背景灰度值。利用一组代表性的汽车颜色上的参考样品针对视觉评估校正下面模型的参数β1、β2和β3。
当β1、β2和β3已知时，可以确定任意颜色的闪耀。
为了计算在特定照明角度处的闪耀，可以使用从其它一组不同照明角度中取得的图像提取的附加信息。如果选择从与所要计算的照明角度不是过于不同的照明角度(例如大约15度或更少)取得的图像，则获得最佳的结果。根据所有图像确定平均值(m)和标准偏差(σ)。然后计算闪耀值如下：
通过利用一组有代表性的汽车颜色使∑所有面板(平均视觉判断面板i-闪耀面板i)2最小化来确定参数β1、β2、β3和β4。当β1、β2、β3和β4已知时，能够确定任意颜色的闪耀。
在计算闪耀的另一可选方式中，可以确定图像的中间值(m)和偏斜(σ3)。可以通过将所有像素从高灰度值到低灰度值排序来确定值t：如果取这些排序的像素的最高的百分之x，那么t是所选择的像素的最低灰度值。然后能够基于下面的公式表示所述闪耀值：
通过利用所述组有代表性的汽车颜色使∑所有面板(平均视觉判断面板i-闪耀面板i)2最小化来确定参数β1、β2、β3和β4。当β1、β2、β3和β4已知时，能够确定任意颜色的闪耀。
在计算闪耀的又一实施例中，将图像分割为颜色醒目的相邻像素的子集。然后计算其数量(n)和尺寸(s)，以及其与背景(d＝颜色闪耀/颜色背景)的偏差。
闪耀＝β1+∑βini+∑βisi+∑βidi
通过利用所述组有代表性的汽车颜色使∑所有面板(平均视觉判断面板i-闪耀面板i)2最小化来确定参数βi。当βi已知时，能够确定任意颜色的闪耀。
在US2001/0036309中披露了一种利用数字成像装置和图像分析软件测量纹理，特别是所谓的微耀，的另一可选方法，其在此引用作为参考。
本发明对检查汽车涂料和为将要被修补的汽车或其他产品寻找匹配的修补涂料是特别有用的。
附图说明
通过下图进一步解释本发明：
图1示出了基于本发明的装置的截面图；以及
图2示出了可选实施例的截面图。
具体实施方式
图1示出了具有球形壳体2的装置1，所述球形壳体2包围球形腔3，并具有内壁4和样品开口5。多个发光二极管(LED)6均匀地分布在内壁4上用于腔3的照明。通过第二开口7将数字成像装置8朝向样品开口5。样品台9封闭样品开口5。将样品10设置在样品台9上并提供到装置1的内腔3。样品10例如可以涂覆有涂膜。所述内腔可以通过控制面板(未示出)启动LED 6来照明。LED 6可以以成组的方式启动或者全部一起启动。如果需要，它们也可以单个启动。如果它们全部一起启动，那么腔3内的光分布实质上是均匀的，并且获得漫射光条件。如果仅启动一组相邻的LED 6，那么光条件不是漫射的而是方向性的。在这种方向性的光条件下，涂覆有效应涂料的样品显示出测向相关(gonio-dependent)光学效应，诸如闪耀。根据被启动的LED的选择，可以将光条件逐渐从漫射改变为半漫射、和半方向性，直到仅用单个LED对样品进行照明的情况，而这是最具有方向性的光条件。
图2示出了可选实施例。本实施例包括以截面示出的装置21，其具有基本球形的壳体22，所述壳体22包围球形腔23，并具有内壁24。所述球的四分之一被切除以提供开口25。通过所述开口25，将装置21放置在由水平板27和垂直支撑板28构成的工作台26的边缘上，并接合地封闭所述开口25。垂直板28具有允许访问所述腔23的活门板29。在工作台26的边缘上，通过铰链31的方式安装了倾斜板30。通过缆线32将倾斜板30链接到位于腔23外部的驱动装置33。这样驱动装置33能够使倾斜板30在水平位置和垂直位置之间转动。当倾斜板30沿垂直方向悬挂时，用户能够通过活门板39使样品34附着于其上。此后，驱动装置33可以使带有样品34的倾斜板30旋转到所需要的位置。多个发光二极管(LED)35均匀地分布在内壁24上用于腔23的照明。通过第二开口36将数字成像装置37朝向样品开口25。将样品10设置在样品台9上并提供到装置21的内腔23。样品10例如可以涂覆有涂膜。所述内腔23可以通过控制面板(未示出)启动LED 35来照明。LED 35可以以成组的方式启动或者全部一起启动。如果需要，它们也可以单个启动。如果它们全部一起启动，那么腔23内的光分布基本均匀，并且获得漫射光条件。如果仅启动一组相邻的LED35，那么光条件不是漫射的而是方向性的。在这种方向性的光条件下，涂覆有效应涂料的样品显示出测向相关光学效应，诸如闪耀。根据被启动的LED 35的选择，可以将光条件逐渐从漫射改变为半漫射、和半方向性，直到仅用单个LED 35对样品进行照明的情况，而这是最具有方向性的光条件。
Claims (5)
1.一种通过如下装置对样品成像的方法，所述装置包括具有内壁和样品开口的腔，所述装置还包括用于所述腔的照明的照明装置和从所述腔朝向所述样品开口的数字成像装置，所述方法包括如下步骤：
通过样品开口将样品提供在所述腔内；
照亮所述腔；
启动所述成像装置以记录所述样品的像；
将记录的图像数据传输到编程有图像分析软件的数据处理单元，以分析所述记录的图像，
其特征在于所述腔的内壁是光吸收的，并且至少一部分所述照明装置由均匀分布在所述腔的至少一部分所述内壁上的点光源形成，并且根据所需要的光的方向性的程度，所述点光源中的选择点光源被启动。
2.一种用于对样品成像的装置，所述装置包括：具有内壁和样品开口的腔、分布在所述腔的至少一部分所述内壁上的点光源、以及被从所述腔朝向所述样品开口的数字成像装置，其特征在于，所述腔的所述内壁是光吸收性的，并且所述装置具有用于控制所述光源的可变选择的控制面板，所述光源的选择光源可根据所需要的光的方向性的程度被启动。
3.根据权利要求2的装置，其特征在于所述点光源是LED。
4.根据权利要求3的装置，其特征在于所述腔的所述内壁是黑色的。
5.根据前述权利要求中任一项的装置，其特征在于所述成像装置被设置在其镜面反射的范围之外。
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