CN103808666A - 用于捕捉测量物体的视觉印象的手持式测量装置 - Google Patents

用于捕捉测量物体的视觉印象的手持式测量装置 Download PDF

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Abstract

一种用于外观分析的手持式测量装置，包括测量阵列(MA)，该测量阵列(MA)包括多个照明器具(21-27)和多个拾取器具(31-33)，照明器具(21-27)用于在至少三个照明方向上将照明光应用到测量场，而拾取器具(31-33)用于在至少一个观测方向上捕捉测量光。照明方向和观测方向位于一共同的系统平面(SP)内。至少一个拾取器具(32)实施为以局部积分的方式光谱式估计测量光，至少一个图像拾取器具(33)实施为就颜色而言以局部分辨的方式估计测量光。光谱拾取器具(32)和图像拾取器具(33)设置为在相同的观测条件下尤其从同一观测方向来接受被测量场所反射的测量光。

Description

用于捕捉测量物体的视觉印象的手持式测量装置
技术领域
本发明涉及一种用于捕捉测量物体的视觉印象的手持式测量装置，包括壳体，其中所述壳体容纳有测量阵列和电子控制器，并且包括通过其照明测量物体表面上的测量场以及拾取被测量场反射的测量光的测量开口，其中测量阵列包括多个照明器具和多个拾取器具，所述照明器具用于沿相对于装置法线的至少三个照明方向将照明光应用于测量场，所述拾取器具用于沿相对于装置法线的至少一个观测方向捕捉测量光，其中至少一个光谱拾取器具实施为以局部积分的方式光谱式估计被测量场反射的测量光，以及至少一个图像拾取器具实施为以局部分辨的方式估计测量光。
背景技术
在限定的照明和可视条件下环境中的某一真实的材料或物体的视觉印象在相关技术领域中称为“外观”。由于这个通用的用法，在以下仅使用这个专业术语。
外观被认为是一个复杂的不同因素相互作用的结果：
—定义场景、物体和照明与观察条件的几何因素；
—描述光和所看到的物体的材料之间的相互作用的光学性能；
—影响人类可视系统的知觉（反应）的生理因素。
测量“外观”主要涉及第二点，也就是决定测量物体的光学性能和它们对于所反射和传递的光的分布的影响。外观测量数据用于计算与视觉印象相关的外观性能，例如色彩。这与工业应用相关，例如产品规格和质量控制。与可复制光和测量物体的材料之间的相互作用的实体模型相结合，外观测量数据也形成了用于模拟和预测外观的基础。这使用在颜色匹配和渲染中。
题为“A Framework for the Measurement of Visual Appearance”的国际照明学会(CIE)的第175号报告（2006年）提供了这些主题的综述。该报告将光学性能和相关的外观性能归类为四个主要类别：颜色、光泽度、纹理和透光性。
在书籍“The Measurement of Appearance”（John Wiley&Sons公司，1987年第二版，作者R.S.Hunter和R.W.Harold）中描述了确定的测量方法和用于捕捉具体的外观特性的标准。例如根据CIE2006，整体外观捕捉(TAC)在测量一组完整的与外观相关的参数时得到。
光学特性和相关的外观特性能被分为光谱依赖的、局部依赖的和角度依赖的。
光谱依赖特性涉及颜色知觉。
纹理是所观察物体的表面中的局部变化，其中两个分量是有差别的：可视纹理表征表面的不一致性或颜色的不均匀性；表面纹理表征在人类眼睛能分辨的尺度上表面的三维外形。
透光性也包括局部依赖。它描述了在介质中通过散射和多重反射的光的横向漫射。
颜色和光泽度主要由角度依赖的反射和传播特性决定，并代表了局部积分特性。在接近镜面反射的角度范围中，光泽度是占主导的。通过（对人眼）不可见的表面纹理（例如表面粗糙度）来影响角度依赖的光分布。颜色是重要的性能，其离开镜面方向到“漫”反射的范围。
通过观察距离来影响角度依赖的和位置依赖的特性。如果结构的横向尺寸（规模）和反差大于人类眼睛的分辨能力，则表面纹理是可见的。随着观察距离的增加，纹理逐渐地消失，并集中到相应的角度依赖的反射和传播变量中。
对具有多个不同的外观特性的材料进行外观的可视表征是困难的，其通常仅可以通过在视觉上比较具有非常相似的光学特性的样本对来进行。外观特性彼此相连且彼此依赖。在合适的外观描述模型中不得不考虑这些交互的依赖性。对于许多工业应用来说，颜色是首要关注的最重要的外观特性。颜色印象依赖于局部的和角度依赖的特性。通过接近的颜色和照明条件来影响可视的颜色知觉。所观察物体的表面上的可视纹理降低了用于识别颜色差的敏感性。高水平的亮度和亮度中的重要的角度依赖型变量会影响所感知到的亮度，并会损害颜色差的识别。所感知到的光泽度是多维的角度依赖型参数，且受到纹理表面上的可视光泽度的局部分布的影响。
具有复杂外观特性的材料的改进表征需要新类型的组合式外观测量装置，其能使所有的外观特性能够被系统地、可再现地评估。
外观测量应用的一个特别重要的方面是表征特殊的效果颜料，例如用于汽车涂料的效果颜料。
这种效果颜料的主要性能之一为其在远场内的视角闪色特性，其需要在不同的照明和观察角度下的多个测量几何体以便捕捉它。各种各样的工业标准提出了合适的测量几何体的集合。ASTM E2194-03定义了一组至少三个用于金属效果颜料的测量几何体。ASTM E2539定义了用于表征干扰颜料的额外的测量几何体：总共8个在效果颜料中用两个45°和15°的照明角度以捕捉特性干扰相关的颜色变化的参考测量几何体。
也已经知道，效果颜料可在所观察的物体表面上产生可视的纹理结构。可视纹理在镜面照明下（例如直射太阳光）和在漫射照明下（例如阴天）是不同的。镜面照明产生了由在涂层的最上层上的颜料片的镜面表面上的直接反射所引起的非常明亮的可视点光源的模式。这些点光源常常称为亮点、闪光或微光。通过更深入的对比，漫射照明产生了亮度的局部变化，其常常称为颗粒度、漫射颗粒度、图像颗粒或粒度。C.S.McCamy撰写的于1996年出版的《颜色研究和应用》中的“Observation and Measurement of the Appearance of Metallic Materials.Part I:Macro Appearance”第21卷第292-304页以及C.S.McCamy撰写的于1998年出版的《颜色研究和应用》中的“Observation and Measurement of the Appearance ofMetallic Materials.Part II:Macro Appearance”第23卷第362-373页描述了基于图像测量以表征带有效果颜料的材料的可视纹理特性的方法。由E.Kirchner等人撰写的于2007年出版在《颜色研究和应用》中的“Observation of Visal Texture ofMetallic and Pearlescent Materials”第32卷第256-266页提供了这些主题的更新的概述。
存在有多种手持式测量装置以用于测量单独的、特定的外观性能，例如颜色和光泽度，见不同的相关公司的这类装置的文献，例如X-Rite公司、Datacolor公司、BYK Gardner公司以及柯尼卡-美能达公司。
例子包括这样的颜色测量装置，其具有来自积分器球体的漫射照明的圆形的45°/0°测量几何体或d/8测量几何体，或者以一到三个照明角度用于镜面光泽度的手持式测量装置（由BYK Gardner生产的装置TRI-gloss）。
Rhopoint公司制造了Rhopoint IQ装置，除了在一个通道中用于镜面光泽度的三角测量几何体，其还包括用于表征与测角光度密度分布相关的其它光泽度特性的额外的检测器区域。这一测量设计不适用于捕捉颜色和纹理。
实施为可对颜色和镜面光泽两者都测量的测量装置已经是熟知的。例子包括由BYK Gardner公司生产的装置Spectro-Guide和由Datacolor公司生产的装置45G。这些装置均使用两个不同的测量系统，一方面用于颜色（45°/0°测量几何或漫射测量几何中的一个），另一方面用于镜面光泽度（无颜色信息的60°测量几何）。这些装置不能产生使用相同测量几何体所捕捉的一致的外观测量数据集，即用于不同外观特性的测量数据集。不同的测量值是不相关的。这些装置也不能捕捉纹理。
用于表征效果颜料的多角度颜色测量装置也已是熟知的。这些装置使得能够用多个测量几何体来测量光谱反射系数，例如在ASTM标准中定义的那样。这种测量装置的一个典型例子为由X-Rite公司生产的装置MA98，其具有两个镜面的白色照明通道（15°和45°）和十个部分地设置在一平面内和部分地设置在所述平面外的镜面测量通道（拾取通道）。
由BYK Gardner公司生产的BYKmac装置将光谱的多角度颜色测量与单色的纹理测量相结合。当这两个功能在同一测量装置中相结合时，它们通过用于颜色和纹理的完全独立的测量系统来实现。纹理测量部分并不包括颜色信息。颜色信息和纹理信息以不同的观察角度下得到，且不能形成用于特定观测几何体的所观察物体的一致性数据集。使用单独的光谱光源和多重完整的测量检测器系统来实施光谱测量值捕捉。使用白色照明和以0°设置的单色光相机来捕捉纹理。使用这个装置不能捕捉同步数据。测量需要连续的颜色捕捉和纹理捕捉的过程。包括单独的测量系统和连续的测量过程的设计带来了时间上的约束，并限制了能够实现的测量几何体。包括设置在0°下的相机的装置也不适用于测量光泽度。
对于实验室应用来说已经知道了更多的普通测量器具。它们包括在测量物体表面上的半空间内捕捉双向反射率分布功能（BRDF，见例子F.E.Nicodemus等人，“Geometrical Considerations and Nomenclature for Reflectance”，美国国家标准局NIST报告，1977）的远场测量系统。虽然这些熟知的测量仪器能使用不同的测量几何体来捕捉颜色和光泽度的光谱反射特性，然而它们因其系统的原因是相对较大的，因此并不适合实现紧凑式的手持测量装置，尤其是具有额外的纹理捕捉功能的手持测量装置。这种测量仪器的例子包括由Murakami生产的测角谱颜色测量装置GSMS-3B和由Radiant Zemax公司生产的基于相机的BRDF测量装置Parousiameter和Eldim公司生产的EZContrast，或在论文“Measuring and Modeling Anisotropic Reflectance”（第19届关于计算机图形和交换技术年会的会议（SIGGRAPH’92）记录，G.Ward撰写）中描述的系统。
使用基于相机的检测器和不同的照明几何体来捕捉纹理的一种方法在K.Dana等人的文章“Reflectance and Texture of Real-World Surfaces”（ACMTransactions on Graphics，第18卷第1期，1999年1月，第1-34页）中有描述，其中，通过移动机械臂来改变测量几何体，从而实现相应的捕捉系统。这种阵列当然不适合手持式测量装置。
发明内容
基于这些考虑，以及为避免已知现有技术中的不足，本发明旨在提供一种用于工业应用的能同时捕捉（反射式的）测量物体的不同外观特性的手持式测量装置。特别地，该手持式测量装置旨在提供能够在不同的介质（基质）如车辆涂料、印刷墨水、塑料和化妆品中表征现代的效果颜料的测量技术先决条件。该手持式测量装置还可适合于展现出在颜色、光泽度和纹理方面不同的外观特性的其他介质。
本发明的一个更具体的目的是提供用于产生使得外观行为能够再现的一致性的经校准的外观数据集的测量技术先决条件。这需要在每个指定的观测方向上的用于光谱的、局部的和方向依赖的域的经校准的测量数据集。
本发明的另一个更具体的目的是提供一种用于工业应用的轻便的手持式仪器平台，其能同时地测量多种外观性能。用于此的测量技术应能使用相同的光学系统而将光谱的多角颜色测量、可视纹理测量和光泽度测量结合起来，并且应能被改进以表征透光性。
本发明还旨在提供一种紧凑的（手持）测量装置，其特征在于具有短的测量时间、高水平的测量精度和可复制的测量结构，以及能以足够低的成本来制造。
由于这些需求，本发明还旨在提供一种使用最少的部件来实现所需的多功能测量能力的测量装置，其中光学功能块能可以多种方式使用。特别是希望可以进行多元测量和同步的测量数据捕捉。以多种方式使用光学部件优化了设计尺寸，并降低了生产成本。同步的测量数据捕捉优化了测量时间，并改善了当测量装置作为手持式装置使用时所实现的精度以及在不同的外观属性之间的匹配。
通过根据本发明的如下述所述的手持式测量装置实现了基于本发明的这组目标。根据本发明的手持式测量装置的优选实施例和发展是从属权利要求的主题。
本发明的本质如下。用于捕捉测量物体的可视印象的手持式测量装置包括壳体，其中所述壳体容纳了测量阵列和电子控制器，并且包括测量开口，通过该测量开口可以照明测量物体的表面上的测量场，以及拾取由测量场所反射的测量光。测量阵列包括多个照明器具和多个拾取器具，其中照明器具用于沿相对于装置法线的至少三个照明方向将照明光应用于测量场，而拾取器具用于沿相对于装置法线的至少一个观测方向捕捉测量光。至少一个光谱拾取器具实施为以局部积分(locally integral)的方式来光谱式地估计测量场所反射的测量光，以及至少一个图像拾取器具实施为以局部分辨的方式来估计测量光。图像拾取器具也实施为就颜色而言来估计测量光。光谱拾取器具和图像拾取器具设置为使得它们在相同的观测条件下且尤其从同一观测方向来接受被测量场反射的测量光，其中局部分辨(locally resolved)（成像）的拾取器具的视场可以等于或大于光谱拾取器具的视场。
优选地，光谱拾取器具包括作为光线检测器的光谱仪，以及图像拾取器具包括作为光线检测器的数码彩色相机，以及测量阵列包括将拾取光束路径（它们在一些部分中是共有的光束路径）分开的分束器，并且一方面将它引导到光谱仪上而另一方面将它引导到彩色相机上。
所述至少三个照明方向和至少一个观测方向有利地位于延伸过装置法线的共同系统平面内。
为了减小偏振依赖性，分光器设置为使其旋转出系统平面大致45°，从而将用于彩色相机的测量光引出系统平面。该测量使正交于系统平面的s偏振分量和p偏振分量均衡。
有利地，光谱拾取器具和图像拾取器具的观测方向在系统平面中相对于装置法线倾斜15°。
同样有利地，测量阵列包括另一个光谱拾取器具，其从与图像拾取器具的观测方向不同的观测方向来接受通过测量场反射的测量光。
优选地，所述的另一个光谱拾取器具的观测方向在系统平面内相对于装置法线倾斜45°。
测量阵列有利地包括展现为在与拾取器具的观测方向相反的方向上相对于装置法线倾斜的不同照明方向的照明器具。
优选地，测量阵列还包括展现为在与拾取器具的观测方向相同的方向上相对于装置法线倾斜的不同照明方向的照明器具。
根据一个有利的实施例，测量阵列包括额外的光泽度照明器具，其优选地设置成使其相对于系统平面倾斜，并用发散的光束以相对系统平面大致成20°的角度来照明测量场。
根据另一个有利的实施例，测量阵列包括用于测量光泽度的光学元件，特别是带负折射能力的透镜，其能移动进出于像场且产生虚拟的凸像场曲率。
测量阵列有利地包括设置在系统平面外并漫射式照明测量场的照明器具。
根据另一个优选实施例，照明器具装备有光学元件，其能被引入到照明器具的照明光路中，并使得被照明器具照亮的区域的尺寸减少，其中装备有光学元件的照明器具有利地位于相对于装置法线与拾取器具相同的一侧。
有利的是，测量阵列包括能临时地被引入照明器具和拾取器具的光路中的集成式白色参考物，其中特别优选的是，测量阵列包括特别是设置在系统平面之外的参考照明器具，用于利用展示为窄带波长范围的光来照明白色参考物。优选地，该白色参考物实施为使在外围区域入射在其上的光偏转到白色参考物的中心区域内。
根据一个特别有利的实施例，参考通道被分配给至少一些照明器具，尤其是设置在系统平面中的照明器具，其中参考通道使一部分照明光从照明器具中分离，并经由光导体和光混合器将它供给光谱仪。
控制阵列有利地实施为可就颜色而言来修正由图像拾取器具产生的彩色图像数据，这利用由展现为同图像拾取器具一样的观测方向的光谱拾取器具所产生的光谱测量值来进行。
优选地，控制阵列实施为将由图像拾取器具产生的彩色图像数据转换为标准化的彩色图像数据，其展现为在相对于绝对白色的尺度上和在CIE XYZ或sRGB颜色平面中具有限定的分辨率。
至少一些照明器具、特别是设置在系统平面中的照明器具以本质相同的方式有利地设计，并且每一个均包括至少一个初级光源和通过孔径和/或视场光阑形成的次级光源，其中，该至少一个初级光源经由准直仪和均化仪来照明次级光源。
特别有利地，至少一些照明器具包括一共有的中心光源，它的输出光经由多路器分布到照明器具的照明通道上，若合适的话也分布到参考拾取器具上。
有利地，照明器具或中心光源包括允许基本上无损耗地接入到一个或多个初级光源的全部光展量中的非成像型准直仪。
同样有利地，经由一个或多个初级光源的未使用的部分光展量来将一个或多个额外的光源加入到照明器具或中心光源中。
特别有利地，在照明器具或中心光源内将参考光从初级光源的未使用的部分光展量中分离。
优选地，测量阵列也包括其照明方向沿装置法线的方向延伸的照明器具。
亦优选地，测量阵列包括照明器具，其照明方向在与拾取器具的观测方向相反的方向上相对于装置法线倾斜-20°角。
优选地，测量阵列包括照明器具，其其照明方向在与拾取器具的观测方向相反的方向上相对于装置法线倾斜-45°角。
优选地，测量阵列包括照明器具，其其照明方向在与拾取器具的观测方向相反的方向上相对于装置法线倾斜-30°角。
亦优选地，测量阵列包括照明器具，其其照明方向在与拾取器具的观测方向相反的方向上相对于装置法线倾斜-60°角。
亦优选地，测量阵列包括照明器具，其其照明方向在与拾取器具的观测方向相同的方向上相对于装置法线倾斜30°角。
亦优选地，测量阵列包括照明器具，其其照明方向在与拾取器具的观测方向相同的方向上相对于装置法线倾斜65°角。
用于纹理的外观测量系统需要相机和数字图像处理技术。为了实现与可视外观的匹配，相机的光学系统实施为具有与人类视觉系统相似的光学特性。这包括类似的较小的可视锥角，在250mm的近点观察距离处低于人眼分辨率限值的局部分辨率，以及完全校正的颜色数据的输出。这些需求适合于产生颜色数据、光泽度数据和可视纹理数据。
根据本发明的测量装置的光学设计在相同的指定观察角下将用于不同外观特性的不同的检测器系统（也就是拾取器具）相结合，使得它们分享了相同的观察角。这允许并行式捕捉测量数据，且减小了所需的空间。而且，只有这样才能产生在指定的观察角下用于描述所有外观特性的一致性测量数据集。
根据本发明，测量装置的光学设计使得相同的照明系统（也就是照明器具）能够用于测量所有的外观性能，例如颜色、光泽度和可视纹理。
照明系统（也就是照明器具）在整个光谱测量范围上产生光。这对应于测量颜色的完整的可视波长范围，也就是大约400nm到大约700nm（“白光照明”）。可以利用紫外光和红外光来补充该光谱范围。需要紫外光照明来在测量物体中表征光学亮度。近红外范围内的照明能用于区别一些颜料的光谱特性。使用LED技术可较好地实现展现为柔性光谱特性的合适光源，但是也能用其它白光源、例如卤素灯来代替。
由于所有的检测器（拾取器具）以相对于装置法线偏转0°的角度来设置，因此它们也能同时地用于捕捉光泽度和用于多角度颜色测量。
例如颜色匹配的技术应用比例如通过传统的RGB相机或类似的图像传感器所产生的三色信息要求得更多。为了选择恰当的颜料组合并考虑到条件等色效应和不同的照明源，颜色匹配通常需要完整的光谱信息。用于这种应用的理想检测器技术将是多光谱相机，其对每个像素都能提供绝对校准的光谱反射系数值。虽然这种相机是可得的，然而它们相对复杂和昂贵，以致它们不适用于为广泛应用而设计的手持式测量装置。
根据本发明的一个重要方面，可使用不同的原始数据源的组合来产生多光谱图像数据集。更具体地，彩色相机的RGB图像数据与可在同一测量场上产生积分光谱反射测量值的额外光谱检测器（光谱仪）的测量值相结合，其中，两个检测器系统（彩色相机和光谱仪）的观察光路依靠分光器同时地指到两个检测器系统上。使用熟知的颜色管理技术（例如见J.Hardeberg撰写的“Acquisition andReproduction of Color Images:Colorimetric and Multispectral Approaches”，1999年博士论文）将相机的RGB图像数据校准为绝对彩色数据。光谱反射数据作为精确的积分颜色信息提供用于技术应用。所测量的光谱信息用于修正图像数据的颜色校准，并且增加颜色的精确度。这使得条件等色效应能够针对不同的照明光谱而减小。它也使得能够产生包括一致性颜色信息的一致性外观数据集，以用于无可视纹理效果地从近点到远场地来改变观察距离。在这一组合中，进一步加工图像数据的相对颜色测量值，其中“相对”意味着使用来自光谱测量的精确颜色值来修正它们。修正至少包括平均值修正，使得图像数据的平均值等于来自光谱测量的计算颜色值。RGB相机的相对测量精确度比绝对精确度好得多。这种方法适合大部分纹理应用。
附图说明
下面将基于附图对本发明做更详尽的解释。在其中：
图1是根据本发明的手持式测量装置的示例性实施例的斜视图；
图2是该手持式测量装置的测量阵列的斜视图；
图3是图2中的测量阵列的部分剖视图；
图4是沿着图2中的Ⅳ-Ⅳ线的通过测量阵列的纵断面；
图5到6显示了测量阵列的照明器具的两个示意性实施例；
图7到8是测量阵列的漫射照明器具和可动白色参考物在测量阵列的两个不同位置中的两个详细图示；
图9是测量阵列的简化侧视图，其中利用光路来阐明当嵌入白色参考物时的情况；
图10是白色参考物的详细表示；
图11到13是测量阵列的照明器具的不同实现方式的图示；
图14是与图4相似的通过测量阵列的纵断面，其利用光路来阐明当测量光泽度时的情况；
图15是与图14相似的图示，带有用于测量光泽度的附加元件；
图16是与图2相似的测量阵列的简化的侧视图，其带有用于测量光泽度的附加照明器具；
图17是与图4相似的测量阵列的简化截面，其带有用于捕捉透明度的附加光学元件；
图18是带有附加参考照明器具的测量阵列的更加简化的侧视图；
图19是沿着图18中的XIX-XIX线的通过测量阵列的纵截面；
图20是通过增设了参考通道的手持式测量装置的一个实施例的测量阵列的相对于图2中IV-IV线旋转90°的纵截面；
图21是图20中的测量阵列的简化的斜视图；
图22是照明器具的另一个实现方式的示意图；
图23到24是白色参考物的备选实现方式的两个示意图；
图25是手持式测量装置的光学部件和电子部件的框图；以及
图26是手持式测量装置如何提供测量值的框图。
具体实施方式
如下的规定适合下文对附图的描述：如单个附图标记没有在图中指明，那么可参照其它的图和说明书的相应部分。缩写术语“测量装置”和“装置”应总是理解为手持式测量装置，其实施为可捕捉有利于如本文开头所定义的“外观”的测量物体的性能。术语“测量阵列”应理解为手持式测量装置的部件总和，这些部件用于照射测量物体的表面上的测量点、用于捕捉通过这个测量点所反射的光，以及用于把光转化为相应的电信号。术语“装置法线”应理解为相对装置固定且当测量装置安放在测量物体平面时基本上延伸通过测量装置的测量开口的中心点且垂直于测量对象的虚构直线。测量开口的平面通常与测量物体的表面平行，因此装置法线也垂直于测量开口。术语“垂向”应理解为装置法线的方向。因此，纵断面理解为通过装置法线或平行于装置法线的平截面。所指定的所有的方向和/或角度均涉及相对于测量装置为空间固定的装置法线。
在图1中显示的手持式测量装置通过附图标记HMD表示为一个整体。其包括容纳了测量阵列MA（图2）和可控制测量阵列MA的电子控制阵列C（图25）的壳体H。两个夹持部分1和2构造在壳体H的侧部。腕带3设置在壳体H的上侧面上。在壳体H的前侧面上提供了显示阵列4。如图25所示，操作机构8也设置在壳体H的上侧面上。
壳体H的下侧面包括由利用设有测量开口6的底盘7来加固的壳座5。在测量开口6的区域中，壳座5包括孔径（未通过附图标记示出），因此光能通过孔径和测量开口6离开壳体的内部，并且与之相反，来自外部的光能通过测量开口6和孔径进入壳体的内部。三个定位件7a、7b和7c围绕测量开口6设置于底盘7上，有助于使测量装置能准确地安放在甚至弯曲的测量表面上，使得在测量点的中心点处，装置法线完全地或至少基本上与测量表面上的的法线一致（图9和14）。测量开口6当然也能实施为矩形，如图2到4中的例子所示。
已经提及的装置法线在图1中标示，且通过附图标记DN表示。装置法线垂直于底盘7和/或垂直于位于底盘7内的测量开口6，并（实质上）穿过测量开口6的中心点。
对这种情况，所描述的测量装置的一般设计（除了支撑件）符合这种类型的传统测量装置的原理，以致在这方面本领域技术人员不需要任何进一步的解释。
从图2到4能看到测量阵列MA的基础实施例。它包括空间固定地连接在壳体H中的弧状体10，在其中设置了测量阵列MA的所有光的和/或光电的部件，即基本上连续的径向延伸的室11到19（图4）。如该示例性实施例中所示，这些部件包括七个照明器具21到27和三个拾取器具31到33。此外，在测量开口6的直接临近处也提供了漫散式照明的照明器具28。
七个照明器具21到27照明测量物体MO的表面上的测量点或测量场MF（图9和14），它们关于装置法线DN指向不同的照明角度，名义上为-60°、-45°、-30°、-20°、0°、+30°、和+65°（从装置法线DN开始以逆时针方向进行正计数），其中“名义上地”意指各个照明光束的主光线和/或光轴。光线束的光线传播角度对于接近镜面反射（角度差≤25°）的测量几何体在±2°的范围内，对于关于镜面光泽度角具有更大角度差的测量几何体可达到大约±5°到±10°。所有七个照明器具21到27设置为能使通过他们产生的照明光束的光轴和/或主光线位于延伸过装置法线DN的平面内，此平面在图4中示出，为方便起见以下称为系统平面SP。
三个拾取器具31到33中的两个实施为局部积分光谱测量通道；第三个拾取器具实施为局部分辨颜色测量通道。它们以+15°和+45°的照明角度接收在测量物体的被照亮的测量点区域内所反射的测量光。两个光谱测量通道31和32包括两个光谱仪31a和32a，分别地通过供给透镜31b和32b以及光导体31c和32c来为光谱仪31a和32a供给测量光（图4）。局部分辨测量通道33包括三原色（RGB）相机33a，其能经由分束器33b和透镜33c（图3）来施加测量光。分束器33b位于第二光谱测量通道32的拾取光路中，并将一部分测量光从弧状体10中侧向地直接引导到相机33a上。同样地，三个测量通道31到33的光轴位于系统平面SP内，其中由于它的弯曲的光路，这对局部分辨测量通道33而言仅应用在测量物体MO和分束器33b之间的部分上。因此，第二个光谱测量通道32和局部分辨测量通道33共享测量光，并以准确相同的视角接收它。
所描述的测量几何体恰为ASTM标准E2194和E2539的相反物，在这些标准中，针对金属的和珠母的效果涂料上的测量确定了两个以15°和45°的镜面照明通道和六个以0°、30°、65°、-20°、-30°和-60°的镜面光谱通道。
提供了附加的照明器具22（-45°）用于与第一光谱测量通道31相结合地来测量光泽度。
照明器具21包括初级光源21a（例如以发光二极管的形式，或者可行的话为多个发光二极管）、准直仪21b、混合光学器件（均化器）21c、带孔径21d的视场光阑和透镜21e。带孔径21d的视场光阑形成了次级光源，其光经由透镜21e引导到测量物体上。其它六个照明器具22到27以同照明器具21一样的方式构造。在图中为了避免过度拥挤，在图4中照明器具21到27的各个部件仅针对照明器具21提供了附图标记。
图5显示了照明器具21的放大图。图6显示了照明器具21（且相应地，其它照明器具22到27）的变体，其中，准直仪和混合光学器件（均化器）相结合而形成了单个光线部件21b’。将它们相结合以形成一个部件阐明了通过单一的集成部件如何也能实现准直和混合的光学作用。准直和均化的光学作用也不能严格地分开。准直仪例如构造为使其也已可有助于均化远场。
照明器具21到27作为一个整体在下文中也称为照明系统。
两个光谱仪31a和32a分别以45°和15°的照明角度来光谱式分辨提供给它们的测量光，每次测量分别地产生一组s个光谱测量值，并且在测量物体的整体捕捉的测量点上进行积分，其中s为可分辨的波长范围的数量。该光谱仪优选地通过能在整个光谱上实现迅速的、同时的测量的二极管阵列光谱仪来实现。
RGB相机33a以15°的照明角度来分辨供给它的测量光，局部地以及根据三原色RGB，并且相应地每次测量产生3*n个测量值的原始数据集，其中n为所分辨像素的数量。
包括在它们中的三个拾取器具和/或测量通道和光转化器（光谱仪和彩色相机）在下文也被简称为检测器系统和/或检测器。
需要基于局部分辨相机的检测器来分析可视纹理，以便获得纹理分析所需的局部图像信息，其中，相机透镜系统必须完成光谱需求、局部的（分辨率）需求以及角度与几何形状的需求。其目的是捕捉与可视纹理相关联的图像数据。
如下介绍对局部分辨拾取器具33的一般要求。
所测图像数据的光学分辨率在近点观察距离处低于视觉分辨率极限。通过假设通常近点观察距离以250mm来测量和角度分辨能力以最好每度60线对来测量，可以计算可察觉的极限。相机的光学设计必须展现出更好的光线分辨率，也就是，局部限定频率不得不在测量平面内高于每毫米14线对。
为了避免信息损失，相机的传感器域不得不在图像平面内进行充足的数字过度采样。优选使用至少超过两倍的过度采样。在物体平面（测量场）中大约20μm的像素尺寸是足够的。
在物体平面内的拾取光路的锥形或孔径角必须相对小的，优选小于1°。拾取光路内的孔径角通过视场光阑的孔径和透镜系统的焦点长度来决定。
检测器系统（拾取器具）以从0°偏离装置法线一定角度来捕捉测量光。如果成像平面内的焦深不够，则为了在测量场上实现聚焦成像条件，需要应用所谓的Scheimpflug条件。
有利的是在物体平面中实施近似远心光路，以便得到在整个测量场上就角度而言是恒定的测量条件，并且将中断和放大差别保持为尽可能的低。
提供照明器具28以使测量装置也可用漫射照明条件来支持测量模式。照明器具28构造为可从大的空间角度直接照明测量物体的LED背景照明。
在图7和图8中详细显示了照明器具28。它包括两排设置在测量开口6两侧上的白色发光二极管28a和28b，以及用于均化照明的两个倾斜的扩散膜片28c和28d，每排一个。两排LED28a和28b能通过控制阵列C（图25）分别进行控制。
作为备选或附加，也可提供环形的照明器具，例如如同在CIE15.3彩色测量标准中定义的用于45°/0°测量几何体的那种。环形照明具有提供了独立于位置的测量值的优势，也就是说，在测量物体上的测量装置的旋转位置不影响测量结果。
在所示的该示例性实施例中，根据本发明的测量装置还装备有形式为白色拼片的集成式白色参考物，其可被引入到照明器具21到27和拾取器具31到33的光路中以用于校准的目的。在该特定的示例性实施例中，白色拼片包括板35，它在它的上侧是平面的，并且设置为能垂直于系统平面SP正好移动（电力驱动）到测量开口6之上。当测量装置正常地应用于测量时，白色拼片35位于图8中所示的位置，并且暴露出测量开口6。在校准过程期间，白色拼片35位于照明器具21到27的光路中的图7所示的位置，其中拾取器具31到33接收通过白色拼片所反射的光。通过控制阵列C（图25）来调整白色拼片35。
白色拼片35相对于测量物体MO（测量平面）的表面而言是凸起的。如同从图9清楚的看到，基于例如标示用于照明器具21和27的光路21s和27s，因此通过单独的照明器具21到27所照明的白色拼片35上的区域仅部分地重叠，且拾取器具31到33也仅能直接地捕捉来自部分照亮区域的光（见例如标示用于拾取器具31的光路31s）。
根据本发明的另一个重要方面，白色拼片的一个特别实施例确保了来自白色拼片35的侧面的、更外围的照明区域的照明光被运送到它的中心区域，在此通过拾取器具31到33能拾取它。
从图10中的截面图示（平行于图2中标示的系统平面SP的纵截面）能看到该特别实施例。白色拼片35由中间的平行六面体部分35a和两个横向的棱柱部分35b和35c组成。中间部分35a由50%漫射和50%透明的玻璃体（或塑料体）组成；两个横向的和/或外面的棱柱部分35b和35c由透明的玻璃（或塑料体）组成。所有三个部分35a、35b和35c在它们的底侧上是反射的。两个棱柱部分35b和35c的棱柱角测量为大约5°。
中间部分35a的尺寸设置成使得它尽可能完全地位于拾取器具31到33的捕捉范围内。因此，可通过拾取器具31到33直接捕捉照在中间部分35a内的照明光。照在两个侧面部分35b和35c中的光通过多次反射引导到中间部分35a，然后同样地通过拾取器具31到33捕捉。
白色拼片35也可用作测量装置的机械式遮板，以便避免装置的内部、特别是光学部件受到污染。
图11a、11b、12a、12b、13a和13b示意性地显示了照明器具的各种其它的变体，至少一些、优选所有的照明器具可根据它们来实施。
在图11a中显示的照明器具本质上对应于根据图5的照明器具，包括作为初级光源的LED121a、准直仪121b、均化仪（例如光混合棒）121c和带有孔径121d的光阑，其中后者形成了次级光源。非成像部件即准直仪121b和均化仪121c使初级光源121a与第二光源121d分离，其中“分离”意味着次级光源的光谱辐射的均匀性很大程度上独立于初级光源的位置和特性。光展量和/或辐射被完全地使用和/或获得（除了反射损失、非理想的准直和所应用的机械公差）。
图11b的照明器具具有同根据图11a的照明器具相似的设计，但是包括两个（或更多的）初级光源221a′和221a″以及两个（或相应地更多的）准直仪221b′和221b″。也再次提供了均化仪221c和带孔径221d的光阑。准直仪221b′和221b″以及均化仪221c再次配置成使得次级光源与初级光源相分离。使用两个或更多LED作为初级光源能够使得用于次级光源的光谱需求变得更好和/或更可靠地尽可能地实现（通过增加不同的光谱）。
图12a的照明器具具有同根据图11a的照明器具相似的设计，且包括作为初级光源的LED321a、准直仪321b、均化仪（例如光混合棒）321c和带孔径321d的光阑，其中后者形成了次级光源。在这个变体中，初级光源的光展量远远大于次级光源的光展量。通过有利地选择所使用的光展量的部分，也能提高次级光源的辐射。
图12b的照明器具具有同根据图12a的照明器具相似的设计，但是包括两个（或更多的）初级光源421a′和421a″以及两个（或相应地更多的）准直仪421b′和421b″。也再次提供了均化仪421c和带孔径421d的光阑。同图12a相似的方式，初级光源的光展量大于次级光源的光展量，具有相对于图12a解释的相同优点。
图13a的照明器具具有同根据图12a的照明器具相似的设计，且包括作为初级光源的LED521a′、作为第二或附加的初级光源的LED521a″、准直仪521b、均化仪（例如光混合棒）521c和带孔径521d的视场光阑。然后，初级光源521a′的未使用的部分光展量用于将额外的LED521a″集成到系统中。镜子521e设置在光展量的未使用的部分（在这种情况下是准直仪521b）的前面。镜子521e反射初级光源521a′的光的至少光谱部分。镜子521e为二色性的，且仅透过额外的初级光源521a″的光。初级光源521a′和521a″、准直仪521b、均化仪521c和镜子521e形成了腔，以致额外的光供给到次级光源（光回收）的孔径521d中。至少第一初始光源521a′是来自初始光源521a′和521a″的反射光的至少一部分。
图13b显示了如图13a所示的照明器具的变体，其中，经由偏转棱镜521f来将额外的初级光源521a″的光集成到光展量的未使用的部分（在这种情况下是均化仪521c）中。
无论是否使用或不使用额外的初级光源，未使用的初级光源的部分光展量能用于使光分离以用于参考光测量。在下文中将更详细地进一步讨论这点。合适地构造均化仪521c可确保所分离的光与次级光源的孔径521d中的光谱辐射相关。
也可以提及的是，在图12a、12b、13a和13b的二维图示中，“未使用的部分光展量”显示为作为未被使用的光学器件（准直仪、均化仪）的（输出）区域的一部分，但是大体上也能解释为未被使用的空间角度范围。
呈上如下，照明器具具有模块化的且本质上一致的设计。镜面的照明器具照明了通过拾取器具捕捉的测量场范围。用于测量金属或珠母的效果涂料的ASTM标准需要高标准的关于照明角度的精准度。然而与此同时，希望可以灵活地选择光源而不影响镜面照明的角度特性。这包括主光束的入射角、在测量场上的发散角和孔径角。这通过如上所描述地那样构造照明器具（带有初级光源和与初级光源分离的第二级光源）得以实现。通过精确的、机械式快门来实现第二光源，该机械快门固定成精确地指向准直仪透镜。结合准直仪透镜的焦距，次级光源的尺寸和位置可定义照明器具的角度性能。对于各个照明器具来说，次级光源的尺寸和位置可以不同。
包括次级光源的设计需要均化近场和远场内的光源。近场的均匀化延伸到场光阑的孔径区域上；远场的均匀化延伸到照明器具中的准直仪光学器件和/或透镜的孔径角区域上，其中可在光谱的和空间的均匀化之间进行区别。光谱的均匀化意味着次级光源的辐射展现了对每个角度和具体位置而言尽可能相同的光谱分布。空间的均匀化意味着辐射展现了对次级光源的每个位置而言尽可能相同的振幅，作为角度的函数。与照明器具中的准直仪的光学器件和/或透镜相结合，优选的是作为角度的函数的辐射的特定曲线，以便在测量场MF中获得辐射的优选的空间分布。
根据本发明的一个方面，这一目的通过适当地组合成像和/或非成像的功能模块即准直仪、均化仪和（可选择的）扩散器来实现。典型的均化仪例如为由玻璃或塑料制成的具有方形截面的光导体。使用光导体的空间均化仪通常可在远场中产生不均匀性，这可通过额外的具有经调整的散射角的扩散器元件来消除。
由于在拾取器具31和32中进行光谱分析，因此照明器具的光源在整个感兴趣的光谱范围内必须为足够强大的。光谱范围在400nm到700nm的可见波长范围内延伸。对于具体的应用来说，用紫外光和近红外光补充光谱范围也是必需的。使用LED技术能够使光源和/或照明器具的光谱特性相对灵活地实现，其中白光LED能用于产生在整个可见光谱上连续的光。向外发射为典型的白色LED的光谱范围的额外LED能补充照明器具的光谱范围。这包括上面的所有在紫光、紫外线和近红外的范围内发光的LED。
实际上，并不是所有的照明器具都必须构造用于完整的光谱范围。至少一个照明器具实施为400nm到700nm的完整光谱范围；其他照明器具可以构造为用于减小的光谱范围。在这种情况下，当使用这些照明器具时所丢失的光谱信息从构造用于完整光谱范围的照明器具的光谱信息中进行插补。
根据本发明，设置在-20°的照明器具24用于使用测量装置来测量光泽度；使用设置在15°的拾取器具32和33来捕捉所反射的测量光。照明光束路径和拾取光束路径的测量场尺寸和发散角选择成使得用于照明光束和拾取光束的镜面反射条件在测量场中的至少一个点处是占主导。通过在此点处的相机来检测直接光泽度。所反射的光束和所拾取的光束之间的角度条件在测量场上变化。通过相机记录的图像数据使得靠近镜面角度的反射特性能够被检测用于测量场内的其它点。图像数据能分成预校准的局部区域，其对应于相对于各自的局部镜面方向具有相似的角度差的预定义区域。
类似地也能提出设置在-45°的照明器具22用于测量光泽度，其中设置在45°的拾取器具31满足镜面反射条件。
图14显示了当通过这种方式测量光泽度时的照明和拾取条件。使用相对于装置法线DN定向为-20°的照明装置，通过相对于装置法线DN均定向为+15°的光谱拾取器具32和局部分辨拾取器具33来测量反射光。通过附图标记24s、32s和33s表示出照明器具24以及两个拾取器具32和33的三个光路。如从图中所见，在（图中）右侧的光路的外围区域相对于装置法线DN是对称的。虽然-20°/+15°的测量几何体不完全符合标准，但是它足以提供对测量物体的镜面特性的可靠指示。
根据在图15中显示的测量装置的实施例，可以捕捉镜面光泽度的光泽度（典型的是20°或45°），以及捕捉镜面光泽度周围的光泽度分布（典型地在±20°的角度范围），即使当光学元件39（在最简单的情况下其为带负折射能力的透镜）设置在像场内时也是如此。实际上（如从测量装置观察的那样），透镜39产生凸像场曲率，其通过附图标记39a标明。可以使用旋转对称的透镜，或优选的其曲率处在装置轴线中的柱面透镜。光学元件和/或透镜39能以与白色拼片35类似的方式经由控制阵列C（图25）引入到由附图标记24s、32s和33s标出的光路中和/或从中移出。当然也可构思使用展现出更多优化的形状的元件。
使用光学元件39，可以在测量装置的有限像场内看到直接光泽度的区域内的非镜面角，且能应用相机进行定量的测量。能捕捉的量为此材料表面的镜面光泽度以及反射周围的散射锥的宽度，前者典型地由材料或面漆（如果测量物体有许多层漆）的菲涅耳反射给出，后者典型地由表面的粗糙度决定。分析图像纹理也允许效果颜料的光泽属性中的变化，效果颜料的密度和表观颜色中的变化，以及因此还有作为待捕捉的观察角度变化的效果的典型使用寿命的变化。这些数据对于捕捉材料的外观、一方面用于可视化而另一方面用于分类材料和用于从材料库或目录中寻找材料来说非常有用。通过所谓的反向光线追踪可以获得用于照片级计算机模拟的参数，以便根据需要在计算机上将经检查的材料即其外观（典型地为车漆的外观）应用到整个车辆上。对于许多不同的材料如塑料、涂料、纸、印刷品、纺织品以及更多的材料来说，这种设计也是受专注的。
国际标准规定了用于测量光泽度而非多角度颜色测量的不同的测量几何体。标准ASTM E430描述了通过光度测量法来测量高光泽表面的光泽度的方法。该标准指定了在20°和30°下测量镜面光泽度。
在本测量装置中，以15°设置的拾取器具32和33也能用于以备选的方式来测量20°镜面角的光泽度。为此目的，拾取器具33和/或相机33a的所捕捉的局部测量范围选择成在垂直于系统平面的方向上足够大。观察和/或捕捉的角度构造为大于±5°。这在位于系统平面外的测量场内的具体点处产生了20°的拾取角。根据本发明的另一概念，提供了额外的光源，其以20°的入射角照明测量场内的这些具体点。该额外的光源设置在系统平面之外。这一光源的光学系统有利地构造为使其在相机的局部捕捉范围上产生更大的发散角。这样使得能够捕捉图像上的光泽度变化的更大的角度范围。光源优选地实施为点光源，例如作为产生发散光束的光导体的出口区域。光源也能展现为一维伸长的形式，以便照明其中满足镜面反射条件的更大区域。例如通过线性地设置光导体来实现伸长的光源。
优选地在系统平面的相反侧对称地提供同一类型的次级光源。通过两个光源方式产生的图像数据使得可以表征不同方向上的光泽度分布的各向异性。
图16显示了这种备选的光泽度测量几何体，其中提供了点照明器具29，其设置为相对于系统平面侧向地倾斜20°，并且因此稍微从侧面照明测量物体。点光源29的光路通过附图标记29s示出。反射光又通过光谱拾取器具32和局部分辨拾取器具33来捕捉，其中通过附图标记32s和33s表明各自的光路。
图17显示了根据本发明的测量装置的补充实施例，其中提供了额外的元件38用于测量透光性。额外的元件38包括安装在透镜架38b上的透镜38a。经由控制阵列C（图25）能以与白色拼片35相似的方式垂直于系统平面SP（图2）地移动透镜架38b，使得透镜38a能引入到由附图标记27s示出的65°照明器具27的光路中和/或从中移出。当透镜38a嵌入到光路27s中时，照明光集中，以致测量物体上的被照明的测量点比未嵌入透镜38a时小很多。为了确定透光性可实施两次测量，一次没有嵌入透镜38a，另一次将透镜38a嵌入到照明器具27的光路27s中。基于从两次测量中获得的测量值，可得出所观察的测量物体的透光性行为（在下文中描述的空间点扩展函数：M.Goesele等人，DISCO—Acquisition ofTranslucent Objects，Proceedings of the31st International Conference on ComputerGraphics and Interactive Techniques(ACM SIGGRAPH2004)）。作为透镜38a的替代也能使用光阑。优选使用相对于两个拾取器具（特别是照明器具27）具有较大的角距离的照明器具来捕捉纹理。
使用有或没有透镜嵌入所确定的光谱测量值来确定光谱透光率修正。来源自两次测量的光谱测量数值差的光谱修正因子应用于所有其它的测量几何体（也就是使用照明器具21到26的测量）。
图18和19显示了根据本发明的测量装置的另一实施例，其中提供了额外的参考照明器具30，其充当波长参考以用于再校正两个拾取器具31和32和/或它们的光谱仪31a和32a的光谱定标。参考照明器具30设置为相对于系统平面倾斜约20°，并且当白色拼片35嵌入到两个拾取器具31和32的光路中时照明白色拼片35。参考照明器具30包括白色光源30a（例如形式为一种LED）、高精度并稳定的绝缘干扰光谱滤光器30b（其包括多个窄带传输区域且优选地带有明显突出的侧面），以及透镜30c。参考照明器具30的光路通过附图标记30s标出。
测量装置的固件包括参考照明器具的组合式光源和滤光器的校准过的光谱透射曲线。参考照明器具用于每个白色拼片校准中，并经由白色拼片将光反射到拾取器具中。
如果可用的空间允许的话，参考照明器具30能像照明器具21到27一样设置在系统平面SP中。
图20和21显示了根据本发明的测量装置的另一个实施例，其中七个照明器具21到27中的每一个均装配有参考通道，参考通道分离一部分光，并引导它到作为一个整体由附图标记34标出的参考拾取器具。为此目的，分束器设置在照明器具21到27中，在图20中仅通过附图标记显示和指明了照明器具25的分束器25m。每个分束器将所分离的光导入到七个光导体41到47中的一个内。参考拾取器具34包括：光谱仪34a，其优选地也实施为二极管阵列光谱仪；光混合器34b；供给透镜34c；和另一个光导体34d。光导体41到47为光混合器34b供给分离的光，光从光混合器34b经由供给透镜34c和另一光导体34d供给到光谱仪34a。通过参考拾取器具34能校准照明器具21到27。
也能通过偏转棱镜（或功能相等的光学部件）来分离来自照明器具21到27的光，该偏转棱镜设置在未使用的部分光展量之前，且经由光导体41到47引导分离的光进入到参考拾取器具34中，而不是通过分束器。在图13b中通过图示的方式仅显示了一个这样的偏转棱镜521g和相应的光导体41。通过这种方式分离光避免了次级光源的辐射的减少。
作为包括光导体和参考拾取器具34的参考通道的代替，备选地可由更简单的和更紧凑的参考器具、例如RGB传感器来表征LED光源。这样的传感器是很紧凑的，且能相应地直接安装在LED混合器中，例如在未使用的准直仪的输出区域上，如上所述。虽然以这种方式简化的参考通道不允许精确的光谱修正，但是相比于荧光粉峰，可以非常好地修正LED级别和某一光谱变化，例如蓝色LED峰的相对强度，因此也能校准LED照明的最大漂移误差。
图22显示了照明器具21到27的一种备选实现方式，其中使用了同图11a、11b、12a、12b、13a或13中显示的光源相似的方式来构造的中心光源50。它的光经由多路器59和光导体51到57供给照明器具21到27的各个照明通道。参考光经由另一个光导体58引导到参考拾取器具34的光谱仪34a。通过这种方式也能实现上面提及的光照明器具29。
照明器具21到27的实现意味着一旦光源50的均化仪的输出光通过多路器59进行分布，在照明器具21到27的照明通道中的光和参考模块34a中的光尽可能地相关联。
在图23和24中显示了白色参考物的另一种实现，其中平面镜61和展现为相对于平面镜61具有固定的空间分配的漫反射镜60设置在弧状体10中，由此它们能一起运动（例如旋转），以致镜61能临时地引入到照明器具21到27和拾取器具31到33的光路中，并且从中再次移出。图23显示了处于光束之外的镜61和反射镜60；图24显示了已经被引入到光路内的镜61和反射镜60。在图23和24中以图示的方式仅显示了拾取器具32（未示出）的光路32s以及照明器具21和27（未示出）的光路21s和27s。实线显示了当反射镜和镜子转入到其中时各自的中心光束，虚线显示了当反射镜和镜取出（此时外部的白色拼片处在测量场MF中的点上）时的光束。
镜61将测量场MF反射到虚拟测量场，其中漫反射镜60位于虚拟测量场的位置。漫反射镜60形成了实际的白色参考物和/或白色拼片，并经由镜通过照明器具21到27被照明。经由镜61通过拾取器具31到33来测量漫反射镜的背散射，确切地好似它来自实际的测量场。虚拟测量场和/或反射镜60的照明与测量场相一致，也就是，在白色参考物的该实施例中的角度/位置关系与在（实际）测量场中使用白色拼片的校正相同。镜61和漫反射镜60（实际的白色拼片）也能相结合，以形成包括玻璃或塑料体的独立部件。
备选地，下面的变化也可以使设计更紧凑，其中漫反射镜60（实际上的白色拼片）不再设计为完全不透明的反射镜，而是设计为半透光薄膜或包括透明的和不透明的局部区域的基板。因此，反射镜和/或虚拟测量场不再必须全部位于照明器具21到27以及拾取器具31到33的光路之外，这使得组合式镜子/反射镜的尺寸显著减小。
测量场的尺寸和光学部件的尺寸与镜面测量几何体线性相关。必须根据测量物体的表面上的尺寸的局部侧面变化来选择测量场的尺寸，以便包括测量物体的局部变化表面性能的统计式表示。根据所测量的材料的性能来选择光学系统的尺寸。通过使用相同的照明系统，可以实现具有更小测量场的测量工具，其中，通过改变透镜系统的聚焦性能和在测量场的平面中使用额外的机械光圈，仅可实现具有更小的视场的拾取器具。
用于表征光谱颜色、可视纹理和光泽度的测量装置的不同测量功能在照明侧上具有相似的要求，但是在检测器侧上具有不同的要求，例如测量场上的（局部）积分测量和局部分辨测量。
根据本发明的基础概念，照明部件在测量装置中共享，即用于不同的功能，而在展示为具有相同可视角的拾取器具中分布不同的测量要求。由于同时的测量数据捕捉，这一设计允许具有较短的整体测量时间的紧凑且成本划算的机械解决方案。这种设计也可在同一可视角度下针对不同的材料特性产生一致的测量数据。该测量数据集用于在不同的观察距离或在不同的测量条件下（例如照明中的变化）计算外观数据。
图25是框图，其显示了根据本发明的测量装置的单独部件之间的电连接。通过基于计算机的控制阵列C来控制照明器具21到27、28、29和30的光源。控制阵列C也控制拾取器具31到33的两个光谱仪和相机以及参考拾取器件34的光谱仪，并处理它们的测量信号。控制阵列C也控制白色拼片35和额外元件38的透镜支架的运动，以用于测量透光度。控制阵列C显示了显示阵列4上的测量结果或用户指示，并从控制机构8中接收操作指令。还提供了通信干扰9，控制阵列C能经由其而与外部计算机相连，并向它传送数据以及如果合适的话也接受控制指令。优选地（但不是必要地），在装置本身内通过控制阵列C来准备原始数据；在外部计算机中也能评估（所准备的）测量数据。
测量外观性能需要用于多角度测量装置的所有测量几何状态的校准的光谱反射系数测量值。理论上这能通过光谱式分辨相机来实施。例如在1999年由J.Hardeberg写的博士论文“Acquisition and Reproduction of Color Images:Colorimetric and Multispectral Approaches”中描述了光谱式和多光谱式相机技术。多光谱式图像扫描（成像）产生用于多于三种颜色的图像数据。使用除了普通的三种颜色（在大多数情况下为RGB）的颜色信息，以便实现将图像数据更精确地转化为绝对色彩空间（例如CIE XYZ或sRGB）。使用与所测量的反射率数据线性连接的色彩空间是有利的。
图像数据必须针对相机的拾取光束中的反射光的辐射而被完全校准。这经由使用集成的白色拼片并通过针对每个测量几何体（组合的照明器具和拾取器具）的绝对光谱反射校准来实现。
效果材料能在图像数据中产生亮度的较大波动，使得单个的测量超过了相机的动态范围。可使用高动态范围(HDR)检测方法来解决这个问题，例如在M.Goesele等人的“Color Calibrated High Dynamic Range Imaging with ICCProfiles”,Proceedings of the9th Society for Imaging Science and Technology(IS&T)Colour Imaging Conference,Scottsdale,Arizona,USA,2001,286-290中所述，其中使用不同的曝光时间（积分时间）来测量多组图像数据。每一个图像数据集相对于各自的积分时间归一化，并且与白色校准物一起转移到相同的物理反射单元。这种方法使图像数据集可加权式融合到具有增长的动态范围的单个图像数据集中。
根据本发明的一个基础概念，为了较小的复杂度和低的生产成本，在局部分辨拾取器具33中未使用光谱式相机，而是具有位于相机的实际传感器场上的拜耳滤波器的（相对简单且成本合算的）RGB相机。根据本发明，通过参见以相同的观测角度设置的光谱式拾取器具32来实现所需的光谱准确度。通过分束器33b分开两个拾取器具32和33的光束。分束器会引起偏振反应，其例如因为效果颜料能部分地反射偏振光而是不希望有的。为了减小偏振依赖性，分束器的表面旋转出系统平面45°，其中用于相机的测量光被引导出系统平面。这一测量使得与系统平面正交的s偏振分量和p偏振分量均衡。
为了需要精确颜色信息的测量应用，在每个测量几何体（组合的照明器具和拾取器具）中使用光谱式测量数据。为了增加颜色图像数据的颜色精确度，也可引证光谱式测量数据。可使用从颜色管理中得知的方法、例如使用ICC相机配置文件来对RGB相机进行颜色校准，然而其中能实现的颜色精确度受到同色异谱效应（检测器同色异谱和照明同色异谱）的限制，且因此受损。根据本发明的一个重要方面，通过基于从光谱式测量数据中获得的颜色信息的修正而提高了颜色图像数据的色度精确性。为此目的，对每一个像素的颜色值进行修正，使得通过对测量场进行平均而从中计算出的颜色值与跟随光谱测量的积分颜色值相匹配。这使得图像中的平均颜色信息能够适应于不同的照明谱。基于图像中的相对颜色变化来分析可视纹理，对于多数纹理分析应用来说，上述相对颜色变化典型地比绝对颜色信息更精确且更充分（例如见Robert M.Haralick等的“Textural Featuresfor Image Classification”，IEEE Transactions on Systems，Man and Cybernetics，第SMC-3卷第6期，1973年11月，610-621页）。
对于每个测量几何体（组合的照明器具和拾取器具）来说，检测器系统产生了一套颜色校准的HDR图像数据和（局部积分的）光谱反射数据。为了在图像数据上产生一致的（局部）平均值颜色信息，使用光谱数据来修正颜色图像数据。图像数据包括作为局部信息的测量物体的颜色或光泽度特性，其在测量场上发生变化。
经颜色校准的HDR图像数据以高于人类眼睛的分辨率限值的分辨率来提供。使用这些图像数据作为输入数据，可以计算可在特定的可见距离下与可见图像印象相匹配的适当的外观图像。为此目的，需要使用颜色外观模型并将其调节为不同的局部分辨率。
局部分辨拾取器具33的视场（能被捕捉的区域）构造为与光谱拾取器具31和32的视场相等或更大。对于颜色校准图像数据而言，仅考虑与视场的重叠区域相一致的局部图像内容。
图26为框图，显示了如上文所述的准备测量值的各个步骤，其中从相机32a的原始图像数据中产生颜色校准的、修正的和标准化的颜色图像数据集。在控制阵列C中准备这些数据，在控制阵列C上为此目的而运行适当的软件SW（图25）。当然也能在外部计算机上准备数据。
从多个经黑色校准过的单独曝光（具有不同积分时间的测量，如上所述）产生的相机的HDR颜色图像数据形成开始点（框601）。颜色图像数据显示了颜色过滤模式。信号与入射光成比例。光分辨率和空间分辨率基于相机。
在第一步骤中（框602）执行分辨率调整，其中调整空间的和光的分辨率，使得它与限定的输出分辨率（目标分辨率）相一致。为了稳定性和精确性的原因，输出分辨率在大多数情况下比输入分辨率更小。这使得图像尺寸更小。
在接下来的步骤中（框603），执行所谓的去马赛克，其中使用颜色通道将局部分离的颜色像素转换为一种颜色像素。在同一步骤中，也采取措施来降低颜色噪声。
输出图像应该是对于白色而言的。如用光谱测量，它应该是相对于绝对反射式的扩散器而言的。为此目的，通过包括将其校正为绝对白色（框605，606，607）的白色测量来分离在去马赛克（框604）之后出现的图像。通过框608来代表相对于白色的图像。
在最后一个步骤中，执行颜色空间调整（框609）。使用相同测量几何体的光谱测量的可用性（框610）使得颜色空间可从装置的颜色空间更精确地转换为标准颜色空间，例如CIE XYZ或sRGB。
所得的图像是所需的标准化的输出图像（框611），其展现为在相对于绝对白色的尺度上在CIE XYZ或sRGB颜色空间中具有限定的空间分辨率和光学分辨率（在大多数情况下其与空间分辨率相同）。然后，这种独立于装置的标准化图像用作基于合适的算法来计算相应的纹理变量的基础。
如上解释的根据本发明的测量装置尤其可构造和优化为用于在包括效果颜料的测量物体上测量。使用其它测量几何体以及其它照明角和观测角，当然也能将根据本发明的设计调整为适应其它功能。
上面描述的手持式测量装置装备有七个照明器具和三个拾取器具，以用于实际的测量目的。可以使用照明器具和拾取器具的其它组合。照明器具的数量可以减少，其中在不同的照明角度下需要最少三个镜面照明器具，例如第一角度接近满足镜面反射条件的角度，第二个角度成45°，第三个角度远离满足镜面反射条件的角度。照明器具也不必设置在一个平面内。拾取器具可根据它们的功能（积分式光谱测量或局部分辨测量）或按照它们的数量而改变（一个或两个系统）。
为了捕捉外观性能的总和（材料的外观），在材料中捕捉宏观的高度变化也是至关重要的。所关注的性能有局部表面法线的角分布标准（法线图）及其积分，以及高度分布（高度图）。依靠照明条件和光分布（环境图），峰和坑可以例如变得可见。由于根据本发明的测量装置包括相机和来自不同方向的照明，可以使用已知为“立体光学法”的方法而从一个或多个照明器具的所发生的亮度分布来确定法线图（以及从中可通过积分得到的高度图）。假设提供了至少三个不位于一条线上的照明，那么通过假定材料具有近似的朗伯散射特性，可以从区域法线的变化中区分出并单独地确定颜色和亮度的变化（反照率图）。这可在设置于装置法线（装置轴线）之外的两侧并能单独地被控制的扩散照明的帮助下实现。用于捕捉各向异性的测量装置可以合适地绕其自身的轴线旋转，典型地转90度，以便捕捉另一个视图。
对于外观特性，典型地不能实现样品的均匀性和各向同性。因此，记录不同点处的测量是有利的，并且在一个样品位置处绕其轴线旋转测量装置也是有利的。
所有上面测量的目的是，在任何测量条件和可视条件下、甚至在以任何方式成形的3D物体上使得材料实际上是可见的，并且可以分离和确定相应的外观特性，比如光泽度、透光性和形貌。
上面描述的手持式测量装置实施为自主式测量装置，并包括用于测量操作所有操作机构和显示机构及其自身的电源。此外，它也装备有用于与外部计算机进行通信的界面，其中，侧量数据和控制数据都能与计算机交换。但是，手持式测量装置也当然能实施为外围测量装置，用于与可评估测量数据的控制计算机相连。在这种情况下，测量装置不需要包括操作机构和它自己的显示机构，并通过像任何其它外围计算机装置一样的上级计算机来控制。如合适的话，也可通过外部计算机来提供能量。

Claims (25)

1.一种用于捕捉测量物体的视觉印象的手持式测量装置，包括壳体(H)，其中所述壳体(H)容纳有测量阵列(MA)和电子控制器(C)，并且包括测量开口(6)，通过所述测量开口(6)能照明测量物体(MO)的表面上的测量场(MF)并拾取由测量场(MF)所反射的测量光，其中所述测量阵列(MA)包括多个照明器具(21-27)和多个拾取器具(31-33)，所述照明器具用于沿着相对于装置法线(DN)的至少三个照明方向将照明光应用于测量场(MF)，所述拾取器具用于沿相对于装置法线(DN)的至少一个观测方向捕捉所述测量光，其中至少一个光谱拾取器具(32)实施为以局部积分的方式光谱式估计由所述测量场反射的测量光，并且至少一个图像拾取器具(33)实施为以局部分辨的方式估计所述测量光，
其特征在于，所述图像拾取器具(33)还实施为就颜色而言估计所述测量光，并且所述光谱拾取器具(32)和所述图像拾取器具(33)设置为在相同的观测条件下尤其从同一观测方向来接受被所述测量场(MF)反射的测量光。
2.根据权利要求1所述的手持式测量装置，其特征在于，所述光谱拾取器具(32)包括作为光线检测器的光谱仪(32a)，所述图像拾取器具(33)包括作为光线检测器的数码彩色相机(33a)，以及所述测量阵列(MA)包括将拾取光路(32s,33s)分开的分光器(33c)，并且一方面将它引导到所述光谱仪(32a)上而另一方面将它引导到所述彩色相机(33a)上，其中所述拾取光路在一些部分中是共有的光路。
3.根据上述权利要求中任一项所述的手持式测量装置，其特征在于，所述至少三个照明方向和所述至少一个观测方向位于延伸穿过所述装置法线(DN)的共同的系统平面(SP)内。
4.根据权利要求2或3所述的手持式测量装置，其特征在于，所述分光器(33c)设置为成使其旋转出所述系统平面(SP)大致45°，使得用于所述彩色相机(33a)的测量光被引出所述系统平面(SP)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的手持式测量装置，其特征在于，所述光谱拾取器具(32)和所述图像拾取器具(33)的观测方向相对于所述装置法线(DN)倾斜15°。
6.根据上述权利要求中任一项所述的手持式测量装置，其特征在于，所述测量阵列(MA)包括另一个光谱拾取器具(31)，所述另一个光谱拾取器具(31)从与所述图像拾取器具(33)的观测方向不同的观测方向接受被所述测量场(MF)所反射的测量光。
7.根据权利要求6所述的手持式测量装置，其特征在于，所述另一个光谱拾取器具(31)的观测方向相对于所述装置法线(DN)倾斜45°。
8.根据上述权利要求中任一项所述的手持式测量装置，其特征在于，所述测量阵列(MA)包括展示出不同照明方向的照明器具(21-24)，所述照明方向在与所述拾取器具(31-33)的观测方向相反的方向上相对于所述装置法线(DN)倾斜。
9.根据上述权利要求中任一项所述的手持式测量装置，其特征在于，所述测量阵列(MA)包括展示出不同照明方向的照明器具(26,27)，所述照明方向在与所述拾取器具(31-33)的观测方向相同的方向上相对于所述装置法线(DN)倾斜。
10.根据上述权利要求中任一项所述的手持式测量装置，其特征在于，所述测量阵列(MA)包括额外的光泽照明器具(29)，其用发散的光束以大致20°的角度照明所述测量场(MF)。
11.根据上述权利要求中任一项所述的手持式测量装置，其特征在于，所述测量阵列(MA)包括光学元件(39)，尤其是具有负折射能力的透镜，所述透镜能移动到像场中和从中移出，并且产生虚拟的凸像场曲率(39a)。
12.根据上述权利要求中任一项所述的手持式测量装置，其特征在于，所述测量阵列(MA)包括漫射式照明所述测量场(MF)的照明器具(28)。
13.根据上述权利要求中任一项所述的手持式测量装置，其特征在于，照明器具(27)装备有光学元件(38)，所述光学元件(38)能被引入到照明器具(27)的照明光路(27s)中，并导致由所述照明器具(29)照明的区域的尺寸减小。
14.根据权利要求13所述的手持式测量装置，其特征在于，装备有所述光学元件(38)的所述照明器具(27)相对于所述装置法线(DN)位于与所述拾取装置(31-33)相同的一侧。
15.根据上述权利要求中任一项所述的手持式测量装置，其特征在于，所述测量阵列(MA)包括能临时地引入到所述照明器具(21-27)和所述拾取器具(31-33)的光路内的集成式白色参照物(35)。
16.根据权利要求15所述的手持式测量装置，其特征在于，所述白色参照物(35)实施为能将入射在其外围区域(35b,35c)中的光偏转到所述白色参照物(35)的中心区域(35a)内。
17.根据权利要求15或16所述的手持式测量装置，其特征在于，所述测量阵列(MA)包括参考照明器具(30)，用于以展现为窄带波长范围的光来照明所述白色参照物(35)。
18.根据上述权利要求中任一项所述的手持式测量装置，其特征在于，为至少一些照明器具(21-27)分配了参考通道，所述参考通道将一部分照明光从所述照明器具(21-27)中分离，并将其经由光导体(41-47)和光混合器(34b)供给光谱仪(34a)。
19.根据上述权利要求中任一项所述的手持式测量装置，其特征在于，所述控制阵列(C)实施为能通过由展现为与所述图像拾取器具(33)相同的观测方向的光谱拾取器具(32)所产生的光谱测量值来就颜色而言修正由所述图像拾取器具(33)产生的彩色图像数据。
20.根据上述权利要求中任一项所述的手持式测量装置，其特征在于，所述控制阵列(C)实施为能将由所述图像拾取器具(33)产生的彩色图像数据转换为标准化的彩色图像数据，所述标准化的彩色图像数据展现为在相对于绝对白色的尺度上和在CIE XYZ或sRGB颜色平面中具有限定的分辨率。
21.根据上述权利要求中任一项所述的手持式测量装置，其特征在于，以本质相同的方式设计至少一些所述照明器具(21-27)，其中的每一个包括至少一个初级光源(21a)和通过孔径和/或视场光阑形成的次级光源(21d)，其中，至少一个初级光源(21a)经由准直仪(21b)和均化仪(21c)来照明所述次级光源(21d)。
22.根据上述权利要求中任一项所述的手持式测量装置，其特征在于，至少一些所述照明器具(21-27)包括共有的中心光源(50)，所述中心光源(50)的输出光经由多路器(59)分布到所述照明器具(21-27)的照明通道上和所述参考拾取器具(34)上。
23.根据权利要求21或22所述的手持式测量装置，其特征在于，所述照明器具(21-27)或所述中心光源(50)包括允许基本上无损耗地接入一个或多个初级光源的整体光展量的非成像式准直仪。
24.根据权利要求23所述的手持式测量装置，其特征在于，经由一个或多个初级光源的未使用的光展量部分来将一个或多个额外的光源加入到所述照明器具(21-27)或所述中心光源(50)内。
25.根据权利要求22到24中的任一项所述的手持式测量装置，其特征在于，在所述照明器具(21-27)或所述中心光源(50)中将参考光从所述初级光源的未使用的光展量部分中分离。
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