CN105847786B - 用于确定色彩变换参数的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于确定色彩变换参数的系统和方法，本披露有利地提供了促进在执行成像过程(如摄影)中的色彩测量、校正和/或变换时估计并且考虑被成像表面的照射条件、观察条件和反射率特性的装置、系统和方法。有利地，这些所披露的装置、系统和方法可以利用一组一个或多个照射目标元件来推测来自被成像场景的照射条件。本披露可以用于改进色彩校正/变换参数的确定和/或促进确定所关注目标表面的反射率模型。

Description

用于确定色彩变换参数的系统和方法
技术领域
本披露涉及在成像过程(如摄影)中的色彩测量和色彩校正/色彩变换。
背景技术
准确估计已经被拍摄的场景中的色彩外观一直是一个挑战。存在两种估计色彩的常规方法。
第一种估计色彩的常规方法是了解捕获色彩的过程足够好，使得可以基于捕获色彩和对照射源的知识来估计场景中的色彩。对于数码相机，这种方法可能需要知道相机的光谱灵敏度以及存在的任何非线性。例如，摄影师可以使用标准化的变换来校正/变换不同类型的照明(如白炽光、荧光、太阳光等)的色彩(例如通过施加白平衡)。遗憾的是，这种变换的准确性是有限的并且通常不考虑照射角度和所测量的表面的“双向反射率分布函数”(BRDF)。
第二种估计色彩的常规方法是将已知色彩放置在拍摄的场景中并且然后创建从捕获色彩到已知色彩的变换。例如，可以通过场景拍摄具有一组已知色彩的目标并使用该目标来基于目标中的色彩的实际外观和拍摄外观之间的偏差来计算变换。然后可以使用此变换来校准同一场景的未来照片(即，在相同的照明特性下)中的色彩。
对于此第二种方法，许多因素可以影响变换的准确性。一个重要因素是目标的照射。目标的照射可能是不均匀的(例如，照射可以来自在相对于目标的不同方向的一个或多个源)。值得注意的是，目标上的色彩和场景中的色彩的感知外观是相对于表面的照明角度和相对于表面的观察角度两者的函数。BRDF可以用来描述光如何从不透明表面被反射。具体地，表面的BRDF可以对表面的外观(例如表面的感知色彩)如何基于照射和观察条件变化建模。因此，如果目标中的色彩特征在于与场景中的色彩不同的BRDF或者如果目标是在不同的观察角度，则常规计算变换的准确性可能不足。
授予王等人的美国公开No.2013/0093883(“王”)披露了一种“BRDF参考图表”，该图表包括具有不同反射性质(色彩、材料、纹理、光洁度等)的一组材料。使参考反射率响应分布函数与计算反射率响应相匹配，并且至少部分地基于匹配的参考反射率响应分布函数来重建目标的图像。然而，王中的参考图表未能使得能够或促进确定被成像场景的照射条件(由以下事实证明：王中的参考图表是在多个观察角度成像)。
因此，存在对于增加在成像过程(如摄影过程)中的色彩估计和变换的准确性的新的和改进的装置、系统和方法的需要。这些和其他需要通过本披露来解决。
发明内容
在此呈现了有利地增加在成像过程(如摄影)中的色彩估计和变换的准确性的系统和方法。在示范性实施例中，这些系统和方法可以利用一种可以包括一组一个或多个照射目标元件的目标装置，这些元件被适配为用于使得能够基于在被成像场景中包含该目标装置来确定该被成像场景的一个或多个照射条件。在一些实施例中，该被成像场景的该一个或多个照射条件对于照射该被成像场景的光源可以包括(i)该光源相对于该目标装置的空间特性、(ii)该光源的强度特性和(iii)该光源的色彩特性。
在示范性实施例中，该组一个或多个照射目标元件特征可以在于包括(i)跨越该组和/或(ii)跨越单个照射目标元件中的至少一者的已知多个不同表面法线。例如，该组一个或多个照射目标元件可以包括特征在于非平面表面的至少一个照射目标元件，该非平面表面(如)特征可以在于包括多个不同表面法线的已知表面法线图。在一些实施例中，具有非平面表面的该至少一个照射目标元件可以是球体或部分球体。
在示范性实施例中，该组一个或多个照射目标元件可以包括多个照射目标元件，每个照射目标元件特征在于不同的表面法线或不同的表面法线图，例如，其中，该多个照射目标元件中的每个照射目标元件包括特征在于不同的表面法线的平面表面。
在一些实施例中，该一个或多个照射目标元件可以是有光泽或半光泽的，以便使得能够对这些光源从其一个或多个表面的可辨别反射成像。在示范性实施例中，将该一个或多个照射目标元件着黑色以便改善信噪比。在进一步的示范性实施例中，该一个或多个照射目标元件的特征可以在于减轻过度曝光的光泽度。
在一些实施例中，该一个或多个照射目标元件的特征可以在于类似于所关注样本表面的反射率特性的预定反射率特性。例如，该一个或多个照射目标元件的特征可以在于类似于所关注样本表面的光泽度的预定光泽度。
在示范性实施例中，该目标装置还可以包括一组多个色彩目标元件。在一些实施例中，该目标装置也可以包含在进一步包括成像设备和处理器的系统中，该处理器被配置为用于基于该组色彩目标元件的预期色彩和捕获色彩之间的差异来确定色彩变换参数，其中，该成像设备被配置为用于检测该组色彩目标元件的这些捕获色彩，并且其中，该处理器被配置为用于基于该组色彩目标元件的已知色彩并且考虑在该成像设备对该目标装置的成像期间该组色彩目标元件的照射条件、观察条件和反射率特性来确定该组色彩目标元件的这些预期色彩。
在示范性实施例中，该目标装置可以进一步包括用于使得能够确定该目标装置在其图像中的空间特性的对准特征。在一些实施例中，该目标装置可以包括用于将样本表面与该目标装置对准的样本窗口。在又进一步的示范性实施例中，该目标装置可以包括失真目标元件。
在一些实施例中，该目标装置可以被包括作为进一步包括成像设备和处理器的系统的一部分，该处理器被配置为用于基于该处理器对包括该目标装置的图像的处理来确定该图像的一个或多个照射条件。
在示范性实施例中，该目标装置可以被包括作为进一步包括成像设备和处理器的系统的一部分，该处理器被配置为用于(i)针对包括该目标装置和样本表面的场景的由该成像设备跨越多个不同照射或观察条件获取的多个图像中的每个图像基于对该图像的处理来确定照射条件和观察条件，并且(ii)基于如跨越该多个不同照射和/或观察条件获取的该场景的图像中所反映的该样本表面的反射率的变化来估计该样本表面的反射率模型。
在示范性实施例中，一种用于确定色彩变换参数的方法可以包括以下步骤：将包括具有已知色彩的一组色彩目标元件的目标装置放置在待成像场景中；对该目标装置成像以确定该组色彩目标元件的捕获色彩；基于该组色彩目标元件的这些已知色彩并且考虑如在对该目标装置的该成像期间所反映的该组色彩目标元件的照射条件、观察条件和反射率特性来确定该组色彩目标元件的预期色彩；以及基于该组色彩目标元件的这些预期色彩和这些捕获色彩之间的差异来计算色彩变换参数。
所披露的装置、系统和方法的额外特征、功能和好处将从随后的描述明显，特别是当结合附图阅读时。
附图说明
为了帮助本领域普通技术人员制造和使用所披露的装置、系统和方法，参考了附图，在附图中：
图1展示了根据本披露的在对被成像表面的反射率特性建模时可以用作参数的示范性照射、观察和表面法线向量。
图2至图4描绘了根据本披露的包括一组一个或多个照射目标元件的目标装置的示范性实施例。
图5A和图5B根据本披露比较由光源从照射目标元件的高光泽表面的反射引起的过度曝光和从光源从照射目标元件的中等光泽表面的反射产生的适当曝光。
图6描绘了根据本披露通过处理包括在被成像场景中的一组一个或多个照射目标元件的图像来提取该被成像场景的局部环境图。
图7描绘了根据本披露的用于确定色彩校正/变换参数的示范性方法。
图8描绘了根据本披露的示范性失真目标元件。
图9A和图9B描绘了根据本披露的可以适合于(例如)实现图7的示范性方法的示范性目标装置的俯视平面视图和透视图。
图10描绘了根据本披露的可以适合于(例如)实现图7的示范性方法的示范性系统。
图11描绘了根据本披露的用于确定所关注目标表面的反射率模型的示范性方法。
图12描绘了根据本披露的包括样本窗口的目标装置。
图13描绘了根据本披露的可以适合于(例如)实现图11的示范性方法的示范性系统。
图14描绘了适合于实施在此披露的示范性实施例的示范性计算环境。
具体实施方式
本披露有利地提供了促进在执行成像过程(如摄影)中的色彩测量/校正/变换时估计并且考虑被成像表面的(i)照射条件、(ii)观察条件和(iii)反射率特性的装置、系统和方法。相关照射条件(例如)对于每个光源可以包括光源的空间特性(如相对于被成像表面的表面法线的照射向量)、光源的强度特性和光源的色彩特性。相关观察条件(例如)对于图像传感器可以包括图像传感器的空间特性(如相对于被成像表面的表面法线的观察向量)。被成像表面的相关反射率特性通常可以定义表面的反射率(包括(例如)表面的感知色彩)如何基于照射条件和观察条件变化。例如，反射率特性可以包括表面的BRDF，它可以定义反射率fr(辐射与辐照的比率)作为照射(辐照)向量(ωi)和观察(反射率)向量(ωr)的函数(单独或与其他参数组合)。可以相对于被成像表面的表面法线n来定义照射向量和观察向量两者(见(例如)图1，其展示了示范性照射向量(ωi)、观察向量(ωr)和表面法线向量n，在对表面反射率特性建模时，它们可以用作参数)。
具体地，每个方向ω可以由相对于表面法线向量n的方位角φ和天顶角θ进一步参数化。应该注意的是，在一些实施例中，例如，由于如闪光和发光等效应，表面反射率特性可以是波长相关的。因此，BRDF可以进一步考虑这种波长相关性作为入射光的波长λi和反射光的波长λr的函数。在一些实施例中，BRDF可以是包括在物体的表面上方的2D位置(X)的额外参数的空间变双向反射率分布函数(SVBRDF)。在其他实施例中，BRDF可以是可以考虑像荫蔽、遮蔽、间反射或次表面散射等非本地散射效应的双向纹理函数(BTF)。在又进一步的实施例中，BRDF可以是可以考虑在表面的第一位置Xi进入的光可以在内部散射并且在另一位置Xr离开的事实的双向表面散射反射率分布函数(BSSRDF)。
如上所述，本披露的装置、系统和方法的一个方面是使得能够/促进估计被成像场景的照射条件。因此，在示范性实施例中，可以提供包括一个或多个照射目标元件的目标装置，这些元件被适配为用于基于在被成像场景中包含该目标装置来使得能够/促进确定该被成像场景的一个或多个照射条件。
在示范性实施例中，目标装置可以包括各自具有不同的反射率性质(例如不同的BRDF性质)的多个照射目标元件。例如，目标装置可以包括各自的特征在于不同的光泽量的多个照射目标元件。跨越目标装置的观察和照射向量的可能变化可以使这种方法难以实现。
在进一步的实施例中，目标装置可以包括特征在于已知多个不同表面法线(例如跨越该组和/或跨越单个照射目标元件)的一组一个或多个照射目标元件。在示范性实施例中，该组一个或多个照射目标元件可以包括具有非平面表面的至少一个照射目标元件，其中，该非平面表面的特征在于包括多个不同表面法线的已知表面法线图。例如，具有非平面表面的该至少一个照射目标元件可以是球体或部分球体(有利地，被成像球体的表面法线图是相同的，而不管其定向如何)。在进一步的实施例中，该组一个或多个照射目标元件可以包括各自的特征在于不同的表面法线或不同的表面法线图的多个照射目标元件。例如，该多个照射目标元件中的每个照射目标元件可以包括特征在于不同的表面法线的平面表面。
参考图2至图4，其描绘了示范性目标装置200、300和400。示范性目标装置200、300、400中的每个示范性目标装置包括特征在于已知多个不同表面法线(例如跨越该组和/或跨越单个照射目标元件)的一组一个或多个照射目标元件210、310、410。例如，在一些实施例(如在图2和图3中示意性描绘的)中，示范性目标装置200或300可以包括具有非平面表面的照射目标元件210或310(在图2中描绘为半球体并且在图3中描绘为完整球体)。在其他实施例(如在图4中示意性描绘的)中，示范性目标装置400可以包括各自的特征在于不同表面法线n的多个照射目标元件410。
通常，该一个或多个照射目标元件可以是有光泽/半光泽的，以便使得能够对光源从其表面的可辨别反射成像。此外，可以将该一个或多个照射目标元件着黑色，以便改善信噪比。值得注意的是，不要求该一个或多个照射目标元件具有镜状表面。事实上，在一些实施例中，镜子似的光洁度可以导致过度曝光(取决于成像设备的动态范围)。因此，镜状表面可能需要多次曝光来准确地捕获光源的强度，而较不光泽的表面将通过减小强度并且通过在空间上以更宽范围的表面法线跨越表面分布反射而减轻过度曝光(比较(例如)由光源i从图5A的照射目标元件510a的高光泽表面的反射引起的过度曝光和从光源i从图5B的照射目标元件510b的中等光泽表面的反射产生的适当曝光)。较不光泽的表面的可能折衷将是对从表面反射的光建模的准确性较低。根据本披露，只要在场景中成像和色彩校正/变换的表面不是高度光泽的，准确性损失不应该很高。应该注意的是较低光泽表面也可以具有计算优势。
有利地，根据本披露，通过将照射目标元件的表面法线映射到光源的被成像反射，可以确定光源的强度、色彩等作为照射向量的函数。这可以反映在场景的全局照射的局部环境图中，该图从对目标表面连同目标装置(包括该组一个或多个照射目标元件)一起的成像得到。环境图是相关光源的图像(例如2D图像或3D图像)的形式的场景的全局照射的表示。有利地，环境图存储使环境图图像中的照射源与正在成像/测量/色彩校正/变换的表面在空间上相关的信息(例如环境图包括图上所描绘的每个点的照射向量信息)。因此，环境图可以提供包括在图中的每个光源的一组完整照射条件(包括强度、色彩和照射向量信息)。虽然应该注意的是从该一个或多个照射目标元件的表面反射的光源并不一定是场景中的所有的光源，但它们将具有是最显著影响场景的被成像感知的光源的高可能性。
参考图6，在本披露的示范性实施例中，可以通过将该组一个或多个照射目标元件610的图像处理为包括在被成像场景中来提取场景的局部环境图640。具体地，如图6中所描绘，可以使用被成像的该组一个或多个照射目标元件610的3D模型620(如表面法线图)来将该组一个或多个照射目标元件610的图像变换605(例如经由处理器)为环境图640。在示范性实施例中，变换605可以进一步考虑(例如)如使用目标装置上的对准标记或通过使用图像识别所确定的该组一个或多个照射目标元件610的定向(视图变换630)。
使用被成像的目标组的一个或多个照射目标元件的已知几何形状，可以通过变换该组一个或多个照射目标元件的图像来根据本披露创建局部环境图。可以通过使用GPU非常快速地计算此变换。此变换的一个可能的实现将使用图像或图像的修剪作为纹理。从目标装置上的标记位置得到的一组变换参数将被作为制服(uniform)传入。将使用3D对象通过映射到期望的形式的环境图的纹理坐标来创建最终环境图。
如上所述，本披露有利地提供了促进在执行成像过程(如摄影)中的色彩测量/校正/变换时估计并且考虑被成像表面的(i)照射条件、(ii)观察条件和(iii)反射率特性的装置、系统和方法。根据本披露的图7提供用于确定色彩校正/变换参数的示范性方法700。具体地，方法700可以包括：(在步骤710)将包括具有已知色彩的一组色彩目标元件的目标装置放置在待成像场景中；(在步骤720)对该目标装置成像以确定该组色彩目标元件的感知(捕获)色彩；(在步骤730)基于该组色彩目标元件的这些已知色彩并且考虑在对该目标装置的成像期间该组色彩目标元件的照射条件、观察条件和反射率特性来确定该组色彩目标元件的预期色彩；以及(在步骤740)基于该组色彩目标元件的这些预期色彩和这些捕获色彩之间的差异来计算色彩校正/变换参数。值得注意的是，所计算的色彩校正/变换参数可随后被用来校正/变换被成像的所关注样本表面(例如在场景中的相同的照射和观察条件下成像的)的色彩。
进一步参考图7的方法700，在本披露的示范性实施例中，可以在对目标装置成像之前已知该组色彩目标元件的反射率特性(在步骤720)。在一些实施例中，该组色彩目标元件中的色彩目标元件中的每个色彩目标元件可以展现相同的反射率特性。在一些实施例中，该组色彩目标元件可以被选择为展现在待成像所关注样本表面中预期的大致相同的反射率特性。如上所述，色彩目标元件的反射率特性的特征可以在于建模的BRDF。
在步骤730中，可以利用色彩目标元件的建模的BRDF基于在对目标装置的成像期间该组色彩目标元件的照射条件和观察条件的输入参数来计算包括该色彩目标元件的预期色彩信息的反射率。有利地，本申请提供了使得能够基于对目标装置的成像来估计照射和观察条件(在步骤720)的装置、系统和方法。更具体地，在一些实施例中，相同或不同的目标装置可以包括(除了该组色彩目标元件)一组一个或多个照射目标元件(如上面所描述的)。如上所述，可以从该组一个或多个照射目标元件的成像得到表示全局照射的局部环境图。
为了利用色彩目标的BRDF数据，需要确定/估计该组色彩目标元件和该组一个或多个照射目标元件的场景中的位置和定向。在示范性实施例中，可以通过创建从图像空间到场景空间的变换来确定这些位置。此变换是用于3D计算机图形的从3D空间到屏幕空间的变换的逆。变换可以考虑由相机的光学引入的光学失真。在示范性实施例中，变换的创建可以利用(一个或多个)目标装置上的位置的屏幕坐标、(一个或多个)目标装置的几何形状、对焦距和视场的知识以及由相机光学引起的图像失真的描述。可以通过使用图像识别检测标记或(一个或多个)目标装置上的某组其他对准特征来找到(一个或多个)目标装置上的屏幕位置。(一个或多个)目标装置的几何形状通常是已知的。可以通过使用被设计为用于测量光学失真的失真目标元件(见(例如)图8的示范性失真目标元件800)来测量光学失真。可以将失真目标元件包含在与该组色彩目标元件和/或与该组一个或多个照射目标元件相同或不同的目标装置中。
参考图9A和图9B，其描绘了可以适合于(例如)实现图7的方法700(用于确定色彩校正/变换参数)的示范性目标装置900的俯视平面视图(图9A)和透视图(图9B)。有利地，示出的目标装置900包括一组一个或多个照射目标元件910(描绘为局部球体)、一组色彩目标元件920和目标装置对准特征930。此外，参考图10，其描绘了可以适合于(例如)实现方法700的示范性系统1000。示出的系统1000包括(一个或多个)目标装置1010、用于对场景中的该(一个或多个)目标装置成像的成像设备1020和用于(例如)根据图7的方法700处理图像信息以确定色彩校正/变换参数的处理器1130。
在示范性实施例中，确定场景的照射和观察条件(例如使用包括一组一个或多个照射目标元件的目标装置)的能力可以被用在对所关注样本表面的反射率模型(如BRDF)的估计/确定。
现在参考图11，其提供了用于确定所关注目标表面的反射率模型的示范性方法1100。具体地，方法1100可以包括：(在步骤1110)将包括一组一个或多个照射目标元件(如在此描述的)的目标装置放置在包括待成像样本表面的场景中；(在步骤1120)跨越多个不同照射和/或观察条件对该场景中的该目标装置和该样本表面成像；(在步骤1130)处理每个图像以确定该图像的照射和观察条件；以及(在步骤1140)基于该样本表面的反射率跨越该多个不同照射和/或观察条件的变化(如获取的图像中所反映)来拟合/估计该样本表面的反射率模型。
可以估计该组一个或多个照射目标元件和该所关注样本表面的该场景中的位置和定向，以便从图像确定照射条件和观察条件。如上面所描述，可以通过创建从图像空间到场景空间的变换来确定这样的位置。此变换是用于3D计算机图形的从3D空间到屏幕空间的变换的逆。变换可以考虑由相机的光学引入的光学失真(例如使用被设计为用于测量光学失真的失真目标元件，如图8的示范性失真目标元件800)。变换的创建可能需要目标装置上的位置的屏幕坐标、目标装置的几何形状、对焦距和视场的知识以及对由相机光学引起的图像失真的知识。可以通过使用图像识别检测标记或目标装置上的某组其他对准特征来找到目标装置上的屏幕位置。目标装置的几何形状通常是已知的。
在一些实施例中，如果表面被定位为邻近目标或在目标内，则待测量表面的位置和定向的确定可以简化。在示范性实施例(如图12中描绘的)中，目标装置1200可以包括(例如)用于将样本表面与目标装置对准的样本窗口1210。以这种方式，可以以与目标装置中的元件大致相同的方式来确定样本表面的位置和定向(例如使用目标装置的对准特征)。
在示范性实施例中，如在此披露，图11的方法1100可以独立地使用或连同色彩校正/变换方法(如图7的方法700中描述的)一起使用。在示范性实施例中，使反射率模型(例如BRDF模型)拟合所关注样本表面可以在色彩校正/变换过程之后。
用于实现图11的方法1100的示范性系统1300描绘于图13中。示出的系统1300包括一组一个或多个照射目标元件的目标装置1310、用于跨越多个不同照射和/或观察条件对场景中的目标装置和所关注样本表面成像的成像设备1320和用于(例如)根据图11的方法1100处理图像信息以基于针对每个图像推测的照射和观察条件来确定所关注样本表面的反射率模型的处理器1330。值得注意的是，系统1300可以被配置为用于(例如)在图11的方法1100的图像捕获过程期间引导用户移动成像设备1320，以便确保捕获足够多样的观察/照射条件。
在一些实施例中，所关注样本表面的反射率模型可以是可用/已知的。例如，如果样本表面是人类皮肤，则可以使用人类皮肤的BRDF模型。测量模型的参数的一个简单的方法可以是计算样本表面的图像中的色彩的标准偏差并且将参数拟合为匹配估计观察色彩和图像统计两者。在示范性实施例中，估计观察色彩可以是使用假设BRDF的正在测量的表面的估计色彩。一旦知道模型参数，则可以针对任何任意照明和观察位置来估计所关注表面的色彩。
将需要不太具体的BRDF模型的替代方法可以利用包括目标装置和所关注样本表面的场景跨越不同照射和/或观察条件的多个图像。见(例如)图11的方法1100。由于目标装置提供计算到世界坐标的映射的手段，所有的计算可以在(场景的)世界坐标中完成。如果所关注样本表面是平坦的并且邻近目标或在目标内，则它的几何形状和在世界坐标中的位置将是已知的。因此，跨越不同照射和/或观察条件的多个图像(每个图像(例如)与从目标装置的图像数据提取的局部环境图相关联)、所关注样本表面的已知的/确定的位置和几何形状以及到世界坐标的映射可以提供用于计算每个图像中的所关注样本表面的照射条件和观察条件的信息。可以使用此数据(例如)基于关于正在测量的表面的类型的先前可用知识(如对人类皮肤建模的广义BRDF信息)来使参数拟合适合于所关注样本表面的BRDF模型。也可以在参数拟合期间处置如相机对光源的荫蔽等问题。
例如，如果可以连同样本表面(和目标装置)的图像一起测量样本表面的几何形状，则使模型参数拟合不平坦的所关注样本表面可以是可能的。3D传感技术(例如类似于谷歌的Tango项目)可以用于捕获所关注样本表面的几何形状。如果足够准确地知道样本表面的几何形状和位置，则可以计算样本表面上的点的照射条件和观察条件。当与环境图并且在一些实施例中与来自图像的校正/变换色彩值组合时，每个图像的推测照射条件和观察条件可以用于估计反射率模型(例如BRDF模型)的参数。
在一些实施例中，3D传感技术可以提供用于将环境捕获为三维场景的手段。可以(例如)通过跨越场景平移成像设备来捕获3D场景。此3D场景可以代替环境图并且使目标装置中的该组一个或多个照射目标元件的使用变得不必要。此3D场景的好处将是(例如)相对于包括一组多个色彩目标(如在确定色彩校正/变换参数的情况下)的目标装置和/或相对于所关注样本表面(如在确定所关注表面的反射率模型的情况下)的更准确的照射和观察条件计算。
在此呈现了用于从表面获得色彩信息的示范性算法。该算法以包括至少一个照射目标元件(例如部分球体)和一组色彩目标元件的目标开始。目标的几何形状是已知的，包括(例如)色彩目标元件的位置、照射目标元件的位置和任何位置标记。如照射目标元件的反射性质，色彩目标元件的色彩也是已知的(例如经由目标的预先测量的BRDF)。通常，目标可以包括可以经由图像识别确定的位置标记信息(例如圆形标记或“+”标记，如在此的示范性实施例中描绘的)。在一些实施例中，位置标记可能需要在平面外(例如以考虑未知的相机光学)。待测量表面的BRDF的模型也可以是事先已知的(例如正在测量的表面的类型的通用模型)。BRDF模型可以包括用于使广义模型拟合特定测量表面的一个或多个参数。该算法还可以依赖于一个或多个假设，如(1)待测量表面不显著比照射目标元件有光泽(注意，如果表面是有光泽的，则拍摄的表面积应优选不太小)和(2)待测量表面是平坦的。
在一些实施例中，算法考虑所用相机的性质(例如相机的光谱灵敏度、相机的伽马响应、相机的光学失真(例如常在图像处理库中找到的2D内插等，如可以通过拍摄光学失真目标并且创建从相机图像到未失真图像的变换来确定)和相机的空间均匀性(包括像素传感器的方向灵敏度))也可以是有用的。此外，该算法也可以考虑待测量表面的性质。例如，可能的光谱反射率的范围或可能的BRDF参数的范围可以是已知的。
该算法通常开始于获得目标与样本的图像并且将该图像变换为未失真图像(例如，如果可用，通过应用图像失真校正和/或空间均匀性校正)。接下来，通常对色彩目标元件进行处理以建立相机色彩空间中的色彩。这可以(例如)通过使用平均、中值等降低噪声来实现。应该注意的是，在高亮和阴影的修剪可以使值移位。
接下来，该算法可以确定目标的位置，(例如)使得可以确定目标在3D空间中的位置。用于实现此的一个方法是使用霍夫(Hough)变换。在一些实施例中，该算法可以定位如在此描绘的目标上的圆圈或目标上的“+”号。该算法然后可以针对目标创建从对象坐标到屏幕坐标的变换。创建此变换的简单的方式将是具有在不同的位置(例如不同的水平和/或垂直位置)的在目标上的七个或更多个位置。简单的线性求解将找到用于求解的参数。如果在目标上使用较少的位置，则可以使用非线性拟合算法来找到变换的参数。例如，如果不足够准确地知道相机的焦距，则具有至少一个平面外的位置可以是有益的。如果准确地知道相机的焦距，只是利用平面内的位置可以是可能的。
该算法然后可以继续创建局部全局照射图。这可以通过假设灯足够远离目标使得照射目标元件处的照射与样本表面处的照射相同来实现。因此，创建局部全局照射图基本上可以是3D图形中使用的照明的逆。下面描述如何使用着色器代码实现前述步骤：
(1)使用照射目标元件的几何形状建立3D对象。
(2)使用全局照射图的几何形状(可能是简单的平面)建立3D对象。
(3)建立3D变换方程。
(4)使用来自相机的校正的图像创建2D纹理。
(5)针对全局照射图上的每个点，计算反射回相机的照射目标元件上的位置并且计算反射的屏幕坐标。给定光的环境图中的位置和相机在3D坐标中的位置，计算其中将从相机观察光的在照射目标元件上的位置(例如针对球形照射目标元件，取从球体的中心开始的指向光和相机的向量并且找到在它们之间的向量，其中，向量与球体的交点是要寻找的点)。在一些实施例中，此步骤可以包括从世界坐标变换到图像坐标。
(6)对屏幕坐标处的图像纹理进行采样并且将值写入到全局照射图中。
(7)只有图的一部分将映射到真实的屏幕坐标。不映射到真实的坐标的这些点为空白。对于图的空白部分，该算法可以利用中间值、平均值、推测值等。
(8)计算从目标到相机的视图向量。见(例如)上面提供的视图变换。
(9)计算从相机色彩空间到某个设备无关的空间(如XYZ)的色彩变换。例如，该算法可以依赖于既定的技术，如存在于色卡护照(ColorChecker Passport)中的相机配置等。在一些实施例中，计算色彩变换可以考虑相机和目标表面两者的光谱信息以优化变换。该算法可以结合色彩目标元件的BRDF以更准确地估计由相机观察的实际色彩(例如通过使用目标的0/45色彩首先计算从相机空间到设备无关的空间的变换，接下来将照射图变换到设备无关的空间，并且最后使用照射信息和色彩目标元件BRDF来计算实际色彩；注意，这些步骤可以重复)。
(10)使用相机变换(例如使用标准色彩变换技术，如基于ICC的CMM)将局部全局照射图变换到设备无关的空间。
(11)使用相机变换(例如使用标准色彩变换技术，如基于ICC的CMM)将表面色彩变换到设备无关的空间。
(12)使表面的BRDF模型的参数拟合设备无关的色彩表面和局部照射图。这可以包括建立将被用于误差最小化的误差方程。例如，误差方程可以被选择为使用局部照射图和一组参数来评估BRDF并且将结果与表面色彩进行比较。然后可以使用非线性误差最小化来找到允许BRDF与输入相匹配的一组参数。
(13)可以使用BRDF模型来计算期望的测量几何形状的表面的色彩。
明确地预期，在此呈现的系统和方法可以包括/利用具有保持在一个或多个计算机可读介质、RAM、ROM、硬盘驱动器和/或硬件上的与之相关联的可执行指令的一个或多个可编程处理单元。在示范性实施例中，可以将硬件、固件和/或可执行代码提供(例如)作为用于与现有的基础设施(例如现有的设备/处理单元)一起使用的升级模块。硬件可以(例如)包括用于将在此教导的实施例执行为计算过程的组件和/或逻辑电路。
也可以包括显示器和/或其他反馈构件以传送经处理的数据。显示器和/或其他反馈构件可以是独立的或者可以被包括作为处理单元的一个或多个组件/模块。在示范性实施例中，显示器和/或其他反馈构件可以用来促进用户经由触觉接口与显示的虚拟材料交互。在一些实施例中，显示器和/或其他反馈构件包括触摸屏，该触摸屏用作显示器和触觉接口两者。触觉接口可以具有多点触摸功能。
可以用于实现本发明实施例中的一些实施例的实际软件代码或控制硬件不旨在限制这些实施例的范围。例如，在此描述的实施例的某些方面可以以使用使用(例如)常规或面向对象的编程技术的任何合适的编程语言类型(如(例如)汇编代码、C、C#或C++)的代码来实现。这样的代码被存储或保持在任何类型的合适的非瞬态计算机可读介质(如(例如)磁或光存储介质)中。
如在此使用，“处理器”、“处理单元”、“计算机”或“计算机系统”可以是(例如)微型计算机、小型计算机、服务器、大型机、膝上型计算机、个人数据助理(PDA)、无线电子邮件设备(例如“黑莓”、“安卓”或“苹果”、以旧换新指定的设备)、蜂窝电话、寻呼机、处理器、传真机、扫描仪或任何其他可编程设备的无线或有线变体。在此披露的计算机系统可以包括用于存储获得、处理和传送数据时使用的某些软件应用程序的存储器。可以理解，这样的存储器可以在披露的实施例内部或外部。存储器还可以包括用于存储软件的非瞬态存储介质，包括硬盘、光盘、软盘、ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)、PROM(可编程ROM)、EEPROM(电可擦除PROM)、快闪存储器存储设备等。
现在参考图14，其描绘了适合用于实施示范性实施例的示范性计算环境。该环境可以包括计算设备102，该设备包括用于存储用于实现示范性实施例的一个或多个计算机可执行指令或代码的一个或多个介质。例如，包括在计算设备102中的存储器106可以存储计算机可执行指令或软件，例如处理应用程序120。
计算设备102还包括处理器104和用于执行存储在存储器106中的软件和用于控制系统硬件的其他程序的一个或多个处理器104’。处理器104和处理器104’各自可以是单核处理器或多核(105和105’)处理器。可以在计算设备102中采用虚拟化，使得可以动态共享计算设备中的基础设施和资源。虚拟化的处理器还可以与应用程序120和存储108中的其他软件一起使用。可以提供虚拟机103以处置在多个处理器上运行的过程，使得该过程似乎使用一个计算资源而不是多个。多个虚拟机也可以与一个处理器一起使用。其他计算资源(如现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、图形处理单元(GPU)和通用处理器(GPP))也可以用于执行代码和/或软件。硬件加速器119(如在ASIC、FPGA等中实现的)另外可以用于加快计算设备102的总体处理速度。
存储器106可以包括计算机系统存储器或随机存取存储器，如DRAM、SRAM、EDO RAM等。存储器106也可以包括其他类型的存储器或其组合。用户可以通过可以显示一个或多个用户接口115的视觉显示设备114(如移动设备的显示器)来与计算设备102交互。视觉显示设备114也可以显示示范性实施例的其他方面或元素，例如粒子特性的调整测量值。计算设备102可以包括其他I/O设备，如用于从用户接收输入的多点触摸接口110和指针设备112。多点触摸接口110和指针设备112可以与视觉显示设备114可操作地相关联或集成。计算设备102可以包括其他合适的I/O外围设备。计算设备102可以进一步包括存储设备108，如硬盘驱动器、CD-ROM或用于存储操作系统116和其他程序(例如包括用于对材料的变形特性建模并且用于产生与该材料的物理相互作用的虚拟表示的计算机可执行指令的程序120)的其他存储介质。
计算设备102可以包括通过各种连接(包括但不限于标准电话线、LAN或WAN链路(例如802.11、T1、T3、56kb、X.25)、宽带连接(例如ISDN、帧中继、ATM)、无线连接、控制器区域网络(CAN)或上述任何的或全部的一些组合)接口连接到局域网(LAN)、广域网(WAN)或互联网的网络接口118。网络接口118可以包括内置网络适配器、网络接口卡、PCMCIA网络卡、卡总线网络适配器、无线网络适配器、USB网络适配器、调制解调器或适用于将计算设备102接口连接到能够通信和执行在此描述的操作的任何类型的网络的任何其他设备。此外，计算设备102可以是任何计算机系统，如工作站、桌上型计算机、服务器、膝上型计算机、手持式计算机或能够通信并且具有足够的处理器能力和存储器容量以执行在此描述的操作的其他形式的计算或电信设备。
计算设备102可以运行任何操作系统，如操作系统的任何版本、Unix和Linux操作系统的不同版本、用于麦金托什(Macintosh)计算机的的任何版本、任何嵌入式操作系统、任何实时操作系统、任何开源操作系统、任何专有操作系统、用于移动计算设备的任何操作系统或能够在计算设备上运行并且执行在此描述的操作的任何其他操作系统。操作系统可以在本机模式或模拟模式下运行。
虽然已经参考在此的教导的示范性实施例和实现对其进行了描述，但所披露的装置、系统和方法不限于这样的示范性实施例/实现。相反，如本领域技术人员将从在此教导的描述显而易见，所披露的装置、系统和方法很容易受到修改、变更和增强而不脱离其精神或范围。因此，在此涵盖在其范围之内的所有这些修改、变更和增强。

Claims (24)

1.一种用于确定色彩变换参数的系统，包括：
目标装置，包括具有多个不同的已知的表面法线的至少一个照射目标元件，以及具有已知色彩的一组色彩目标元件；
成像设备；以及
处理器，所述处理器被配置为从由所述成像设备成像的场景的单个图像至少提取包括所述目标装置的所述场景的全局照射的局部环境图；从所述场景的所述图像捕获所述组色彩目标元件的各个色彩；至少基于所述组色彩目标元件的已知色彩以及所提取的局部环境图确定所述组色彩目标元件的预期色彩；以及基于所述组色彩目标元件的所述预期色彩与所捕获的色彩之间的差异计算色彩变换参数。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述局部环境图存储提供被成像场景的照射条件的信息，对于包括在所述局部环境图中的每个光源，所述信息包括：该光源相对于该目标装置的空间特性、该光源的强度特性和该光源的色彩特性。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个照射目标元件包括特征在于非平面表面的至少一个照射目标元件。
4.如权利要求1所述的系统，其中，该至少一个照射目标元件包括具有非平面表面的并且是球体或部分球体的至少一个照射目标元件。
5.如权利要求1所述的系统，其中，该至少一个照射目标元件包括多个照射目标元件，每个照射目标元件的特征在于分别与其他表面法线或表面法线图不同的表面法线或表面法线图。
6.如权利要求5所述的系统，其中，该多个照射目标元件中的每个照射目标元件包括特征在于与其他表面法线不同的表面法线的平面表面。
7.如权利要求1所述的系统，其中，该至少一个照射目标元件包括有光泽的至少一个照射目标元件。
8.如权利要求1所述的系统，其中，该至少一个照射目标元件包括被着黑色的至少一个照射目标元件。
9.如权利要求1所述的系统，其中，该至少一个照射目标元件包括有半光泽的至少一个照射目标元件。
10.如权利要求1所述的系统，其中，该至少一个照射目标元件包括特征在于与所关注样本表面的反射率特性相同的预定反射率特性的至少一个照射目标元件。
11.如权利要求1所述的系统，其中，该至少一个照射目标元件包括特征在于与所关注样本表面的光泽度相同的预定光泽度的至少一个照射目标元件。
12.如权利要求1所述的系统，其中，所述处理器确定所述预期色彩还基于在该成像设备对该目标装置的成像期间该组色彩目标元件的观察条件和反射率特性。
13.如权利要求1所述的系统，其中，所述目标装置进一步包括用于使得能够确定该目标装置在其图像中的空间特性的对准特征。
14.如权利要求1所述的系统，其中，所述目标装置进一步包括用于将样本表面与该目标装置对准的样本窗口。
15.如权利要求1所述的系统，其中，所述目标装置进一步包括失真目标元件。
16.如权利要求1所述的系统，所述处理器还被配置为用于针对包括该目标装置和样本表面的场景的由该成像设备跨越多个不同照射或观察条件获取的多个图像中的每个图像基于对该图像的处理来确定照射条件和观察条件，并且基于跨越该多个不同照射或观察条件获取的该场景的图像中所反映的该样本表面的反射率的变化来估计该样本表面的反射率模型。
17.如权利要求1所述的系统，还包括：
非易失性存储介质；
其中，所述组色彩目标元件的已知的反射率特性和所述已知色彩被存储在所述非易失性存储介质中；并且
其中，所述组色彩目标元件的已知的所述反射率特性由所述处理器在确定所述组色彩目标元件的所述预期色彩中使用。
18.一种用于确定色彩变换参数的方法，该方法包括：
在待成像的场景中放置目标装置，所述目标装置包括具有已知色彩的一组色彩目标元件和具有多个不同的已知的表面法线的至少一个照射目标元件；
对所述场景成像；
处理所述场景的单个图像以至少提取所述场景的全局照射的局部环境图；
从所述场景的所述图像捕获所述组色彩目标元件的各个色彩；
至少基于该组色彩目标元件的这些已知色彩和至少所提取的局部环境图来确定该组色彩目标元件的预期色彩；以及
基于该组色彩目标元件的这些预期色彩和这些捕获色彩之间的差异来计算色彩变换参数。
19.如权利要求18所述的方法，进一步包括：
在待成像的所述场景中放置样本表面；以及
利用这些所计算的色彩变换参数来变换被成像的样本表面的色彩。
20.如权利要求18所述的方法，
其中，成像步骤包括跨越多个不同照射或观察条件对该场景成像；
其中，处理步骤包括处理所述场景的每个图像以提取针对每个不同的照射或观察条件的局部环境图；并且
其中，所述方法还包括：
在待成像的所述场景中放置样本表面；以及
至少基于来自针对不同照射或观察条件的不同的局部环境图的信息来估计该样本表面的反射率模型。
21.如权利要求18所述的方法，其中，处理步骤包括使用所述已知的表面法线和所成像的至少一个照射目标元件以至少提取所述局部环境图。
22.如权利要求18所述的方法，其中，确定步骤包括至少使用所述局部环境图以说明至少包括在所述局部环境图中的每个光源的相对于所述目标装置的空间特性、强度特性和色彩特性。
23.如权利要求18所述的方法，其中，所述组色彩目标元件的反射率特性是已知的并且在确定步骤中使用。
24.如权利要求18所述的方法，还包括在待成像的所述场景中放置具有已知的反射率模型的样本表面。
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