CN109724945A - 显示装置、扫描器、显示系统以及计算机可读介质 - Google Patents

显示装置、扫描器、显示系统以及计算机可读介质 Download PDF

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Abstract

本发明的显示装置、扫描器、显示系统以及存储程序的计算机可读介质能通过使用更少的图像数据的简便运算，来显示大面积的物体表面的质感。显示装置(25)具备：漫反射图像获取部(30)，获取物体表面的漫反射图像；镜面反射图像获取部(32)，获取物体表面的镜面反射图像；差值图像获取部(34)，获取漫反射图像与镜面反射图像的差值图像；反射率分布函数计算部(42)，使用漫反射图像与差值图像来算出物体表面的反射率分布函数；以及显示部(50)，使用反射率分布函数来显示基于观察角度或光的入射角度的差异的物体表面的反射色的变化。差值图像是获取从镜面反射图像减去漫反射图像所得的图像、与从漫反射图像减去镜面反射图像所得的图像。

Description

显示装置、扫描器、显示系统以及计算机可读介质
技术领域
本发明涉及一种显示装置、扫描器(scanner)、显示系统(system)以及存储程序(program)的计算机可读介质。
背景技术
为了简便地通过三维CG来再现物体表面的质感(光泽感或凹凸感等)，必须获取双向反射率分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function，以下称作BRDF)，将BRDF模型(model)拟合(fitting)于所获取的值，以决定漫反射系数或镜面反射系数等BRDF模型的系数。
在专利文献1中，作为决定模型系数的方法，记载了下述方法：获取BRDF，利用最小平方法等来推定与所获取的BRDF拟合的模型系数。
而且，在专利文献2中，记载了一种方法：从多个角度照射光，并从多个角度利用摄像机(camera)来进行摄影，准备照射角度或摄影角度与摄影图像的亮度的转换表(table)，通过转换表的插值处理来算出目标位置的亮度。
[现有技术文献]
专利文献
专利文献1：日本专利特开2015-49691号公报
专利文献2：日本专利特开2005-115645号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
但是，在获取BRDF的方法中，要变更入射角或受光角来测定反射率分布，因此数据的获取耗费时间。而且，在与所获取的BRDF拟合而推定模型系数的方法中，有时会因测定误差的影响而无法将系数最佳化，从而难以完全自动化。
而且，在从多个角度入射光，并从多个角度利用摄像机进行摄影，从而使用多个图像数据(data)来推定BRDF的方法中，图像数据的获取要耗费庞大的时间，且需要大量的存储器(memory)容量。而且，在对模型系数进行最佳化时，系数最佳化的难易度进一步提高。进而，在利用摄像机来对大面积的物体表面进行摄影时，摄影所得的图像内，光的入射角度与摄影角度的几何条件不同，因此会产生光泽的不均，为了获取准确的光泽信息，必须获取来自更多角度的图像，并根据所获取的图像数据来推定光泽信息，从而需要大量的计算量。
本发明的目的在于提供一种技术，其与从多个角度利用摄像机进行摄影以获取多个图像数据，并使用这些图像数据来显示物体表面的质感的情况相比，能够通过使用更少的图像数据的简便运算，来显示与物体表面的方位变化相应的物体表面的质感。
[解决问题的技术手段]
技术方案1所述的发明一种显示装置，其包括：漫反射图像获取部，获取物体表面的漫反射图像；镜面反射图像获取部，获取所述物体表面的镜面反射图像；差值图像获取部，获取所述漫反射图像与所述镜面反射图像的差值图像；反射率分布函数计算部，使用所述漫反射图像与所述差值图像来算出物体表面的反射率分布函数；以及显示部，使用所述反射率分布函数，显示与所述物体表面的方位变化相应的所述物体表面的反射色。
技术方案2所述的发明是根据技术方案1所述的显示装置，其中，所述差值图像获取部获取从所述镜面反射图像减去所述漫反射图像所得的图像、与从所述漫反射图像减去所述镜面反射图像所得的图像中的至少任一个，以作为所述差值图像。
技术方案3所述的发明是根据技术方案2所述的显示装置，其中，所述反射率分布函数计算部根据由所述漫反射图像算出的漫反射率分布函数、与由所述差值图像算出的镜面反射率分布函数，来算出所述反射率分布函数。
技术方案4所述的发明是根据技术方案3所述的显示装置，其中，所述差值图像获取部获取从所述镜面反射图像减去所述漫反射图像所得的图像、与从所述漫反射图像减去所述镜面反射图像所得的图像，以作为所述差值图像，所述反射率分布函数计算部根据由所述漫反射图像算出的漫反射率分布函数、由从所述镜面反射图像减去所述漫反射图像所得的图像算出的第1镜面反射率分布函数、由从所述漫反射图像减去所述镜面反射图像所得的图像算出的第2镜面反射率分布函数，来算出所述反射率分布函数。
技术方案5所述的发明是根据技术方案4所述的显示装置，其中，所述反射率分布函数将权重设为w1及w2，根据所述漫反射率分布函数、将第1镜面反射率分布函数乘以所述权重w1所得的函数、及将所述第2镜面反射率分布函数乘以所述权重w2所得的函数，来算出所述反射率分布函数，并使所述权重w1及所述权重w2发生变化以算出所述反射率分布函数。
技术方案6所述的发明是根据技术方案1至5中任一技术方案所述的显示装置，其中，所述漫反射图像与所述镜面反射图像是以具备第1光源及第2光源的扫描器进行扫描而获得的图像，所述第1光源的相对物体表面的照射的入射角度为第1入射角度，所述第2光源的相对物体表面的照射的入射角度为与所述第1入射角度不同的第2入射角度。
技术方案7所述的发明是根据技术方案6所述的显示装置，其中，所述第1入射角度为45°，所述第2入射角度为5°～10°。
技术方案8所述的发明是一种扫描器，其包括：第1光源，相对物体表面的照射的入射角度为第1入射角度；第2光源，相对所述物体表面的照射的入射角度为与所述第1入射角度不同的第2入射角度；运算部，对以所述第1入射角度进行照射而获得的所述物体表面的漫反射图像、与以所述第2入射角度进行照射而获得的所述物体表面的镜面反射图像的差值图像进行运算；以及输出部，输出所述漫反射图像、所述镜面反射图像与所述差值图像。
技术方案9所述的发明是根据技术方案8所述的扫描器，其中，所述第1入射角度为45°，所述第2入射角度为5°～10°。
技术方案10所述的发明是一种显示系统，其包括彼此连接于网络(network)的扫描器、服务器(server)及显示装置，所述扫描器包括：第1光源，相对物体表面的照射的入射角度为第1入射角度；第2光源，相对所述物体表面的照射的入射角度为与所述第1入射角度不同的第2入射角度；以及输出部，输出以所述第1入射角度进行照射而获得的所述物体表面的漫反射图像、与以所述第2入射角度进行照射而获得的所述物体表面的镜面反射图像，所述显示装置包括：漫反射图像获取部，获取由所述扫描器所获得的所述漫反射图像；镜面反射图像获取部，获取由所述扫描器所获得的所述镜面反射图像；差值图像获取部，获取所述漫反射图像与所述镜面反射图像的差值图像；反射率分布函数计算部，使用所述漫反射图像与所述差值图像来算出物体表面的反射率分布函数；显示部，使用所述反射率分布函数来显示与所述物体表面的方位变化相应的所述物体表面的反射色的变化；以及发送部，将显示于所述显示部的所述物体表面的反射色发送至所述服务器。
技术方案11所述的发明是一种显示系统，其包括彼此连接于网络的扫描器、服务器及显示装置，所述扫描器包括：第1光源，相对物体表面的照射的入射角度为第1入射角度；第2光源，相对所述物体表面的照射的入射角度为与所述第1入射角度不同的第2入射角度；以及输出部，输出以所述第1入射角度进行照射而获得的所述物体表面的漫反射图像、与以所述第2入射角度进行照射而获得的所述物体表面的镜面反射图像，所述服务器包括：漫反射图像获取部，获取由所述扫描器所获得的所述漫反射图像；镜面反射图像获取部，获取由所述扫描器所获得的所述镜面反射图像；差值图像获取部，获取所述漫反射图像与所述镜面反射图像的差值图像；反射率分布函数计算部，使用所述漫反射图像与所述差值图像来算出物体表面的反射率分布函数；以及发送部，将所述反射率分布函数发送至所述显示装置，所述显示装置包括显示部，所述显示部使用所述反射率分布函数来显示与所述物体表面的方位变化相应的所述物体表面的反射色的变化。
技术方案12所述的发明是一种存储程序的计算机可读介质，所述程序使计算机(computer)执行信息处理，所述信息处理包括：获取物体表面的漫反射图像并存储到存储器中；获取所述物体表面的镜面反射图像并存储到存储器中；获取所述漫反射图像与所述镜面反射图像的差值图像并存储到存储器中；使用所述漫反射图像与所述差值图像来算出物体表面的反射率分布函数；以及使用所述反射率分布函数，将与所述物体表面的方位变化相应的所述物体表面的反射色显示于显示部。
[发明的效果]
根据技术方案1至技术方案3、技术方案8至技术方案12所述的发明，与从多个角度利用摄像机进行摄影以获取多个图像数据，并使用这些图像数据来推定模型系数的情况相比，能通过使用更少的图像数据的简便运算，来显示物体表面的质感。
根据技术方案4所述的发明，进而根据漫反射率分布函数、第1镜面反射率分布函数与第2镜面反射率分布函数来算出多种反射率分布函数。
根据技术方案5所述的发明，进而使用权重来算出多种反射率分布函数。
根据技术方案6、技术方案7所述的发明，进而，通过利用扫描器进行扫描，能够简便的获得光的入射角度与摄影角度的几何条件在图像内相同的漫反射图像与镜面反射图像。
附图说明
图1是实施方式中的质感扫描器的结构图。
图2A至图2C是由质感扫描器所获取的漫反射图像、镜面反射图像及它们的差值图像的说明图。
图3A至图3C是利用摄像机进行摄影而获取的漫反射图像、镜面反射图像及它们的差值图像的说明图。
图4是实施方式中的显示装置的结构图。
图5是双向反射率分布函数(BRDF)的几何条件说明图。
图6是表示实测BRDF例的图表。
图7是冯氏(Phong)反射模型的说明图。
图8是表示将实测BRDF适用于冯氏(Phong)反射模型的示例的图表。
图9A及图9B是实施方式中的显示部上显示的图像(CG图像)的说明图。
图10A及图10B是实施方式中的显示部上显示的另一图像(CG图像)的说明图。
图11A至图11D是表示实施方式中的漫反射图像、镜面反射图像及两个差值图像的说明图。
图12A至图12C是实施方式中的显示部上显示的图像(CG图像)的说明图。
图13是实施方式中的显示装置的另一结构图。
图14是托兰斯-斯派若(Torrance-Sparrow)反射模型的说明图。
图15是变形例的质感扫描器的结构图。
图16是变形例的系统结构图。
[符号的说明]
5：质感扫描器
10：平面物体
12：压板玻璃
14：托架
16、18、20：光源
22：传感器
23运算部
25：显示装置
30：漫反射图像获取部
32：镜面反射图像获取部
34：差值图像获取部
36：漫反射率分布函数计算部
38：镜面反射率分布函数计算部
40：参数调整部
42：反射率分布函数计算部
44：光源信息获取部
45：追加形状信息获取部
46：摄像机信息获取部
48：渲染部
50：显示部
100：服务器
dE：辐照度
dL0：辐射亮度
L：光源方向向量
V：视线方向向量
x：某地点
α：入射角与反射角的二等分线与法线所成的角
θ0：受光角
θi：入射角
θr：反射角
γ：镜面反射方向与视线方向所成的角
具体实施方式
以下，基于附图来说明本发明的实施方式。
＜实施方式1＞
1.扫描器(质感扫描器)的结构
图1表示本实施方式中的用于获取平面物体10的表面图像的扫描器(质感扫描器)5的结构。
质感扫描器5光学读取平面物体10的表面特性，生成表示此读取结果的图像信号。在质感扫描器5所生成的图像信号中，包含基于漫反射光的图像信号与基于镜面反射光的图像信号。质感扫描器具备压板玻璃(platen glass)12、托架(carriage)14、光源16、光源18、光源20与传感器(sensor)22。
质感扫描器5关于与纸面垂直的方向而以指定的宽度具有图示各部的结构。所述方向是质感扫描器的主扫描方向。而且，图中箭头所示的方向是质感扫描器的副扫描方向。
压板玻璃12是对作为读取对象的平面物体10进行支撑的透明玻璃板。压板玻璃12并不限于玻璃板，例如也可为亚克力板等。虽未图示，但也可具备以阻断外光的方式来覆盖压板玻璃12并夹入平面物体10的压盖(platen cover)。
托架14构成为，在读取平面物体10时，以指定的速度沿副扫描方向移动。托架14在内部具备光源16、光源18、光源20。光源16为前(front)侧光源，通过相对于平面物体10的法线方向而以第1入射角度即45°的入射角度来照射光，从而照射用于读取来自平面物体10的漫反射光的光。光源18为后(rear)侧光源，通过相对于平面物体10的法线方向而以45°的入射角度来照射光，从而照射用于读取来自平面物体10的漫反射光的光。另一方面，光源20为后侧光源，通过相对于平面物体10的法线方向而以第2入射角度即10°的入射角度来照射光，从而照射用于读取来自平面物体10的镜面反射光的光。
光源20是设在不会遮挡所述反射光的主光线的位置。光源20所照射的光的入射角度在实施方式中为10°，但也可为5°～10°左右。由光源20所照射的光的反射光是读取沿平面物体10的法线方向行进者。
而且，理想的是，光源20所照射的光的角度窄。在光源20所照射的光的角度相对较大的情况下，则也可设置对光源20所照射的光的角度进行限制的罩等。进而，光源20是用于读取平面物体10的光泽信息的光源，因此理想的是，与光源16、光源18相比，关于主扫描方向的亮度尽可能一样且连续。
作为满足光源20的要件的光源，例如为荧光灯或稀有气体荧光灯(氙气荧光灯等)。而且，光源20也可为将多个白色的发光二极管(Light Emitting Diode，LED)沿主扫描方向排列，并使用扩散板等来使主扫描方向的亮度分布均匀化的光源。
托架14在内部还具备成像光学系统及传感器22。成像光学系统包含反射镜(mirror)或成像透镜，使来自平面物体10的漫反射光及镜面反射光成分在传感器22上成像。传感器22接受通过成像光学系统而成像的漫反射光及镜面反射光成分，生成与所接受的光相应的图像信号。传感器22包含电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)线性图像传感器(linear image sensor)或互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)图像传感器等受光元件，将所接受的光转换成表示其强弱的信号。而且，传感器22具备彩色滤光片(color filter)，生成表示平面物体10的色彩的图像信号。传感器22将接受漫反射光而获得的漫反射图像信号、及接受镜面反射光而获得的镜面反射图像信号输出至外部装置。
通常的扫描器(或者图像读取装置)为下述结构，即，由光源16(或者光源18)相对于平面物体10的法线方向而以45°的入射角度来照射光，由此，读取来自平面物体10的漫反射光，但本实施方式的质感扫描器的结构是，除此以外，还由光源20相对于平面物体10的法线方向而以10°的入射角度来照射光，由此，读取来自平面物体10的镜面反射光。
图2A至图2C表示利用图1所示的质感扫描器所获得的平面物体10的漫反射图像及镜面反射图像的一例。平面物体10是使用青色(cyan)+银色(silver)墨粉、品红色+银色墨粉、品红色墨粉、青色墨粉，并使打印时的墨粉量即覆盖度(coverage)发生变化而以电子照片方式输出的打印物。图2A是漫反射图像，是利用通常的扫描器也可获得的图像。图2B是镜面反射图像，尤其是平面物体10的金属光泽部分发亮的图像。本实施方式中，使用这两个图像来提取平面物体10的金属光泽区域。即，通过运算漫反射图像与镜面反射图像的差值来获取差值图像。
图2C表示图2A所示的漫反射图像与图2B所示的镜面反射图像的差值图像。图像中的金属光泽区域(实际上是包含银色墨粉的区域)得到清晰表现，进而，金属光泽的反射率的差异也得以表现。
图1所示的质感扫描器5中，在二维平面的各像素中入射角/受光角为固定，因此通过运算在漫反射条件(光源入射角45°)下获取的图像、与在镜面反射条件(光源入射角10°)下获取的图像的差值，从而准确地提取金属光泽信息。即，通过简便的差值运算，便能够一次获取金属光泽的区域与反射率(二维平面的镜面反射率)。另外，漫反射条件(光源入射角45°)与镜面反射条件(光源入射角10°)是利用同一个白色校正板来进行校准(calibration)。因此，能够通过简便的差值运算来提取光泽信息。
图3A至图3C是为了进行比较而利用摄像机对相同的平面物体10进行摄影所得的图像，表示使用白色LED在漫反射条件(光源入射角45°)下获取的图像、与在镜面反射条件(光源入射角10°)下获取的图像。在摄像机的情况下，由于在二维平面的各像素中入射角/受光角条件不同，因此在镜面反射条件下获取的图像中会出现光泽的不均，即使获取了在漫反射条件下获取的图像与在镜面反射条件下获取的图像的差值，也无法准确提取二维平面的金属光泽信息(银色墨粉的区域与反射率)。因此，为了使用摄像机来准确地提取金属光泽信息，必须获取来自更多角度的图像，根据所获取的图像数据来推定金属光泽信息，从而需要大量的计算量。因此，在准确获取大面积(例如A3纸张尺寸的打印物)的物体表面的光泽信息的情况下，需要巨大的计算量。
2.显示装置的结构
图4表示本实施方式的整体结构图。是获取由图1所示的质感扫描器所获得的漫反射图像与镜面反射图像来进行处理，以显示平面物体10的质感的显示装置25的结构。
显示装置25具备漫反射图像获取部30、镜面反射图像获取部32、差值图像获取部34、漫反射率分布函数计算部36、镜面反射率分布函数计算部38、参数调整部40、反射率分布函数计算部42、光源信息获取部44、摄像机信息获取部46、渲染(rendering)部48及显示部50。
漫反射图像获取部30及镜面反射图像获取部32分别获取由质感扫描器5所获得的漫反射图像及镜面反射图像。漫反射图像获取部30及镜面反射图像获取部32既可分别连接于质感扫描器5而从质感扫描器5获取这些图像，或者也可从经由网络连接于质感扫描器5的服务器获取这些图像。
差值图像获取部34运算漫反射图像与镜面反射图像的差值以获取差值图像。差值图像有(镜面反射图像-漫反射图像)与(漫反射图像-镜面反射图像)这两种，差值图像获取部34至少运算它们中的任一种差值图像。
漫反射率分布函数计算部36使用漫反射图像来算出平面物体10的漫反射率分布函数。例如，漫反射率分布函数计算部36依据兰伯特(Lambert)的反射模型，将ρd设为相对于入射光的漫反射率、将θi设为入射角，设漫反射率分布函数为ρd·cosθi，由漫反射图像算出作为参数的漫反射率ρd。
镜面反射率分布函数计算部38使用差值图像来算出平面物体10的镜面反射率分布函数。例如，镜面反射率分布函数计算部38依据冯氏(Phong)的反射模型，将ρs设为镜面反射率、将γ设为镜面反射方向与视线方向所成的角、将n设为镜面反射指数，设镜面反射率分布函数为ρs·cosnγ，由差值图像算出作为参数的镜面反射率ρs、镜面反射指数n。另外，当由差值图像获取部34获取两个差值图像，并使用这两个差值图像来算出镜面反射率分布函数时，镜面反射率分布函数计算部对于差值图像(镜面反射图像-漫反射图像)，设镜面反射率分布函数为ρs1·cosn1γ，而对于差值图像(漫反射图像-镜面反射图像)，设镜面反射率分布函数为ρs2·cosn2γ，由各个差值图像算出作为参数的ρs1、ρs2、n1、n2。
反射率分布函数计算部42使用由漫反射率分布函数计算部36所算出的漫反射率分布函数、与由镜面反射率分布函数计算部38所算出的镜面反射率分布函数，来算出平面物体10的每个像素的反射率分布函数。例如，反射率分布函数计算部42依据兰伯特(Lambert)的反射模型与冯氏(Phong)的反射模型，通过
反射率分布函数＝漫反射率分布函数+镜面反射率分布函数
来算出反射率分布函数。
渲染部48基于由反射率分布函数计算部42所算出的反射率分布函数、由参数调整部40所设定的各种参数、由光源信息获取部44所获取的光源信息(光源方向)、与由摄像机信息获取部46所获取的摄像机信息(视线方向)，在虚拟三维空间内设定的虚拟屏幕(screen)上对三维模型进行渲染处理，以将平面物体10的质感作为CG而再现，并显示在显示部50上。渲染处理是公知的处理，例如也可使用考虑到相互反射的辐射度(radiosity)法或射线追踪(ray-tracing)法来进行渲染处理。
具体而言，图4所示的显示装置25可利用具备一个或多个处理器(processor)、存储器、输入/输出接口(interface)、通信接口及显示部的计算机来实现。处理器通过读出并执行只读存储器(Read Only Memory，ROM)或硬盘驱动器(Hard Disk Drive，HDD)、固态硬盘(Solid State Drive，SSD)等非易失性存储器中存储的处理程序而实现各部的功能。例如，存储器作为漫反射图像获取部30及镜面反射图像获取部32发挥功能而存储漫反射图像及镜面反射图像，处理器通过执行处理程序，从而作为差值图像获取部34、漫反射率分布函数计算部36、镜面反射率分布函数计算部38、反射率分布函数计算部42、渲染部48发挥功能。即，处理器读出存储器中存储的漫反射图像与镜面反射图像来进行差值运算，并将所生成的差值图像存储到存储器中。并且，读出存储器中存储的漫反射图像以算出漫反射率分布函数，并将此参数存储到存储器中，读出存储器中存储的差值图像以算出镜面反射率分布函数，并将此参数存储到存储器中。处理器例如是作为漫反射率分布函数与镜面反射率分布函数之和来运算反射率分布函数。列举处理器中的执行步骤如下。
(a)获取平面物体10的漫反射图像并存储到存储器中。
(b)获取平面物体10的镜面反射图像并存储到存储器中。
(c)获取漫反射图像与镜面反射图像的差值图像并存储到存储器中。另外，若由质感扫描器5生成并输出差值图像，则获取所述差值图像。而且，若未从质感扫描器5输出差值图像，则运算漫反射图像与镜面反射图像的差值以生成并获取差值图像。
(d)使用漫反射图像与差值图像来算出平面物体10的反射率分布函数。
(e)使用反射率分布函数，将基于观察角度或光的入射角度的差异的平面物体10的反射色的变化显示于显示部50的步骤。
另外，(d)步骤还包括：
(d1)使用漫反射图像来算出漫反射率分布函数
(d2)使用差值图像来算出镜面反射率分布函数
这两个步骤。一个或多个处理器可包含中央处理器(Central Processing Unit，CPU)或者图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)。显示部50包含液晶显示器(display)或有机电致发光(Electroluminescence，EL)显示器。参数调整部40、光源信息获取部44及摄像机信息获取部46可包含键盘(keyboard)或鼠标(mouse)、触控面板(touchpanel)等输入装置。
计算机既可直接连接于图1所示的质感扫描器5，也可经由网络而连接于质感扫描器5及服务器。计算机包含个人计算机(Personal Computer，PC)、输入板(tablet)终端、智能电话(smartphone)等，例如包含具备倾斜传感器的输入板终端。
3.反射率分布函数
接下来，对反射率分布函数进行说明。
图5表示双向反射率分布函数(BRDF)的几何条件。BRDF是如下所述的函数，即，针对反射表面上的某地点x，表示朝向视线方向V的微小立体角的反射光的辐射亮度dL0相对于从光源方向L的微小立体角入射的光的辐照度dE的比例。一般而言，是利用测角光度计(goniophotometer)等能够变更入射角或受光角的计测仪器来测定。其测定值被称作实测BRDF。
BRDF是以下述式来表达。
[数1]
图6是表示使用银色墨粉并使覆盖度发生变化而以电子照片方式输出的打印物的实测BRDF的示例。光源方向向量(vector)L与视线方向向量V位于同一平面上(无φ成分)，入射角θi为45°，横轴表示受光角θ0。入射角为45°时的镜面反射角度为45°。
根据此图，银色墨粉的覆盖度(金属光泽)越高，则镜面反射光亮度越高。
接下来，使用实测BRDF来生成反射模型。对于反射模型，可使用
兰伯特(Lambert)反射模型与冯氏(Phong)反射模型。
图7表示兰伯特(Lambert)反射模型与冯氏(Phong)反射模型的几何条件。
若设
Ii：入射光强度
ρd：漫反射率
θi：入射角
ρs：镜面反射率
n：镜面反射指数
γ：镜面反射方向与视线方向所成的角，
则反射光强度I以
[数2]
I＝Ii·(pd·cosθi)+Ii·(ps·cosnγ)
来表达。在此反射模型中，根据实测BRDF，通过非线性回归分析来推定下列各参数。
ρd：漫反射率
ρs：镜面反射率
n：镜面反射指数
图8是利用反射模型的参数推定例，表示图6所示的低覆盖度时的与实测BRDF拟合的预测BRDF。
在获取BRDF的方法中，由于要变更入射角或受光角来测定反射率分布，因此数据的获取耗费时间。而且，必须根据所获取的BRDF，通过非线性回归分析来将反射模型的系数最佳化。进而，在测定器的传感器并非区域传感器(area sensor)的情况下(例如为光电倍增管(photomultiplier)的情况下)，只能获取测定区域内的平均BRDF，因此难以获取在每个区域具备不均匀的BRDF的物体表面的BRDF。而且，与物体表面的面积变大相应地，获取物体表面的BRDF的难度增大。
与此相对，本实施方式中，根据漫反射图像来算出漫反射率分布函数，并且根据差值图像来算出镜面反射率分布函数。由于差值图像准确地提取平面物体10的仅光泽部分，因此能基于此来高精度地算出二维平面的每个像素的镜面反射率分布函数。由此，无须获取BRDF，通过使用少的图像数据的简便运算便能够显示物体表面的质感。
具体而言，反射率分布函数计算部42使用由漫反射率分布函数计算部36所获得的漫反射率分布函数、与由镜面反射率分布函数计算部38所获得的镜面反射率分布函数，依据兰伯特(Lambert)的反射模型与冯氏(Phong)的反射模型，通过
[数3]
I(x,y)＝Ii·{wd·Gd(x,y)·cosθi}+Ii·{ws·{Gs(x,y)-Gd(x,y)}·cosnγ}，
来算出二维平面的反射光强度I(x，y)。此处，
{wd·Gd(x，y)·cosθi}：漫反射率分布函数
wd：漫反射权重系数
Gd(x，y)：漫反射图像
{ws·{Gs(x，y)-Gd(x，y)}·cosnγ}：镜面反射率分布函数
ws：镜面反射权重系数
Gs(x，y)：镜面反射图像
n：镜面反射指数。
差值图像为(镜面反射图像-漫反射图像)，差值为负的像素设为0。反射光强度I(x，y)是针对漫反射图像与镜面反射图像的R、G、B成分而分别独立地计算。其结果，算出平面物体10的反射色。
漫反射率分布函数计算部36根据漫反射图像与漫反射权重系数来算出漫反射率，镜面反射率分布函数计算部38根据差值图像与镜面反射权重系数来算出镜面反射率。在所述反射模型中，漫反射权重系数wd与镜面反射权重系数ws、镜面反射指数n等各参数是根据对象物体的反射特性或显示装置的输出特性，而由参数调整部40预先设定为固定值。若如图6的银色墨粉那样为同一原材料的对象物体，则即使将n设定为固定值，仍能够再现接近实物的光泽变化。
本实施方式中，由于使用图1所示的质感扫描器5来固定入射角/受光角条件，因此并不像利用摄像机进行摄影的情况那样需要多个图像，而且，无须获取BRDF来进行基于非线性回归分析的参数推定，而是根据漫反射图像与差值图像来算出二维平面的每个像素的反射率分布函数。
图9A及图9B表示显示于显示部50的平面物体10的图像例(CG图像)。平面物体10是图2A至图2C所示的使用青色+银色墨粉、品红色+银色墨粉、品红色墨粉、青色墨粉并使覆盖度发生变化而以电子照片方式输出的打印物。是基于由光源信息获取部44所获取的光源信息(光源方向)、与由摄像机信息获取部46所获取的摄像机信息(视线方向)，利用渲染部48进行渲染而获得的图像。光源是配置于平面物体的法线方向(光源入射角0°)。图9A是摄像机配置于相对于平面物体的法线方向而倾斜45°的方向，且从斜向观察平面物体10的漫反射图像，图9B是摄像机配置于平面物体的法线方向，且从正面观察平面物体10的镜面反射图像。变更摄像机的位置，以显示因观察角度的不同引起的反射色的变化，尤其是其光泽的变化。具体而言，包含银色墨粉的金属光泽区域与其反射率的差异得到清晰表现。
图10A及图10B表示显示于显示部50的平面物体10的另一图像例(CG图像)。是采用具备倾斜传感器的输入板终端来作为图4所示的显示装置，并根据输入板终端的倾斜来变更光源的位置而显示平面物体10的光泽变化的示例。摄像机是配置于平面物体的法线方向。图10A是使输入板终端倾斜而使光斜向入射至平面物体10(光源入射角45°)的漫反射图像，图10B是改变输入板终端的角度而使光从正面入射至平面物体10(光源入射角0°)的镜面反射图像。通过变更光源的位置而动态地显示因光的入射角度的不同引起的平面物体10的光泽变化，从而利用三维CG来真实(real)地再现平面物体10的质感。
将本实施方式概括如下。即，为了显示平面物体10的反射色，大致有下述两种方法，即：
·求出兰伯特(Lambert)的反射模型或冯氏(Phong)的反射模型等的参数，使用反射模型来进行显示的方法；以及
·获取多个角度的漫反射图像或镜面反射图像，利用图像的插值来显示的方法。
其中，后者的方法中，需要庞大的角度条件的图像，运算量增大。另一方面，前者的方法中，可能存在如实施方式那样根据由质感扫描器5所获取的漫反射图像与镜面反射图像来求出漫反射率与镜面反射率的情况、与根据由摄像机所获取的漫反射图像与镜面反射图像来求出漫反射率与镜面反射率的情况。若为质感扫描器5，则根据漫反射图像与镜面反射图像的单纯的差值来算出二维平面的每个像素的镜面反射率，但在摄像机中，若是单纯的差值则会出现光泽不均，无法准确地提取二维平面的光泽信息，因此，在摄像机中，必须获取多个图像以根据多个图像来推定求出。作为结果，质感扫描器5的运算量要比摄像机少。
＜实施方式2＞
实施方式2中，作为漫反射图像与镜面反射图像的差值图像，使用(镜面反射图像-漫反射图像)与(漫反射图像-镜面反射图像)这两个差值图像。
具体而言，反射率分布函数计算部42使用由漫反射率分布函数计算部36所获得的漫反射率分布函数、与由镜面反射率分布函数计算部38所获得的镜面反射率分布函数，依据兰伯特(Lambert)的反射模型与冯氏(Phong)的反射模型，通过
[数4]
I(x,y)＝Ii·{wd·Gd(x,y)·cosθi}
+Ii·{ws1·{Gs(x,y)-Gd(x,y)}·cosn1γ}-Ii·{ws2·{Gd(x,y)-Gs(x,y)}·cosn2γ}，
算出二维平面的反射光强度I(x，y)。此处，
{wd·Gd(x，y)·cosθi}：漫反射率分布函数
wd：漫反射权重系数
Gd(x，y)：漫反射图像
{ws1·{Gs(x，y)-Gd(x，y)}·cosn1γ}：第1镜面反射率分布函数
Gs(x，y)：镜面反射图像
{ws2·{Gd(x，y)-Gs(x，y)}·cosn2γ}：第2镜面反射率分布函数
ws1、ws2：镜面反射权重系数
n1、n2：镜面反射指数。差值图像为(镜面反射图像-漫反射图像)与(漫反射图像-镜面反射图像)，差值为负的像素设为0。
漫反射率分布函数计算部36根据漫反射图像与漫反射权重系数来算出漫反射率，镜面反射率分布函数计算部38根据两个差值图像与两个镜面反射权重系数来算出镜面反射率。
在此反射模型中，漫反射权重系数wd与镜面反射权重系数ws1、镜面反射权重系数ws2、镜面反射指数n1、镜面反射指数n2等各参数是根据对象物体的反射特性或显示装置的输出特性，而由参数调整部40预先设定为固定值。
图11A至图11D表示由本实施方式中的图1所示的质感扫描器所获得的平面物体10的漫反射图像、镜面反射图像、差值图像的示例。是平面物体10为包含珍珠色(pearl)颜料的原材料，且来自各像素的反射光不仅朝镜面反射方向而且朝各种角度方向扩展的图像。图11A为漫反射图像，图11B为镜面反射图像，图11C、图11D为差值图像，图11C为(镜面反射图像-漫反射图像)，图11D为(漫反射图像-镜面反射图像)。与实施方式1不同，(镜面反射图像-漫反射图像)的差值为负的像素增加，因此，追加(镜面反射图像-漫反射图像)的差值为负的(漫反射图像-镜面反射图像)的差值图像来算出镜面反射率分布函数。漫反射率分布函数是根据图11A的图像而算出，镜面反射率分布函数是根据图11C、图11D的图像而算出。
图12A至图12C表示图11A至图11D的平面物体10的图像例(CG图像)。光源是配置于平面物体的法线方向(光源入射角0°)。图12A是摄像机配置在相对于平面物体的法线方向倾斜45°的方向，且斜向观察平面物体10的漫反射图像，图12B、图12C是摄像机配置于平面物体的法线方向，且从正面观察平面物体10的镜面反射图像。图12B是为了进行比较而利用实施方式1的(镜面反射图像-漫反射图像)的差值图像来算出镜面反射率分布函数的图像，图12C是利用实施方式2的(镜面反射图像-漫反射图像)与(漫反射图像-镜面反射图像)这两个差值图像来算出镜面反射率分布函数的图像。
实施方式1的图12B的图像中，比实物的镜面反射图像更亮的像素增加，但在实施方式2的图12C的图像中，由于考虑了(镜面反射图像-漫反射图像)的差值为负的像素，因此能够再现接近实物的光泽。
如此，即使对于在微小的区域中镜面反射率分布不同的原材料，也能够通过使用少的图像数据的简便运算来显示物体表面的质感。
＜实施方式3＞
在实施方式1与实施方式2中，由质感扫描器来获取平面物体的漫反射图像与镜面反射图像，并作为平面物体的质感利用CG来再现，但也可由质感扫描器来获取平面物体的漫反射图像与镜面反射图像，并作为立体物的质感利用CG来再现。
具体而言，如图13所示，追加形状信息获取部45，获取再现质感的三维形状模型。并且，基于由光源信息获取部44所获取的光源信息(光源方向)、由摄像机信息获取部46所获取的摄像机信息(视线方向)、及由形状信息获取部所获取的形状信息，在虚拟三维空间内所设定的虚拟屏幕上对三维模型进行渲染处理而将立体物的质感再现为CG，并显示于显示部50。由此，能够显示将平面物体的质感转印至任意的三维形状模型时的反射色的变化。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于这些实施方式，能够进行各种变形。
例如，镜面反射指数n是在二维平面的各像素中使用相同的值，但也可通过
[数5]
I(x,y)＝Ii·{wd·Gd(x,y)·cosθi}+Ii·{ws·{Gs(x,y)-Gd(x,y)}·cosn(x,y)γ}，
根据各像素来使其发生变化。
例如，也可通过
[数6]
n(x,y)＝f(Gs(x,y)-Gd(x,y))，
设为漫反射图像与镜面反射图像的差值图像的函数，且设定为，差值图像的亮度越高，则n越高。
而且，在实施方式中使用了冯氏(Phong)的反射模型，但也可使用托兰斯-斯派若(Torrance-Sparrow)反射模型或者库克-托兰斯(Cook-Torrance)反射模型。
图14表示托兰斯-斯派若(Torrance-Sparrow)的反射模型。
若设
Ii：入射光强度
ws：镜面反射权重系数
Gs(x、y)：镜面反射图像
Gd(x、y)：漫反射图像
α：入射角与反射角的二等分线与法线所成的角
σ：表面粗糙度
θr：反射角，
则二维平面的镜面反射光强度Is(x、y)以
[数7]
来表达。在此反射模型中，镜面反射权重系数ws、表面粗糙度σ等各参数是根据对象物体的反射特性或显示装置的输出特性而由参数调整部40预先设定为固定值。
而且，在库克-托兰斯(Cook-Torrance)的反射模型中，若设
Ii：入射光强度
ws：镜面反射权重系数
Gs(x，y)：镜面反射图像
Gd(x，y)：漫反射图像
α：入射角与反射角的二等分线与法线所成的角
m：表面粗糙度
θr：反射角，
则二维平面的镜面反射光强度Is(x，y)以
[数8]
来表达。在此反射模型中，镜面反射权重系数ws、表面粗糙度m等各参数是根据对象物体的反射特性或显示装置的输出特性而由参数调整部40预先设定为固定值。
而且，漫反射权重系数wd与镜面反射权重系数ws、镜面反射指数n等参数是由参数调整部40预先设定，但也可在显示部50上显示参数调整功能，利用显示部来变更参数而使CG图像的反射色发生变化。
例如，也可构成为，使权重系数发生各种变化，并使用固定的评估函数来评估反射率分布函数，选择评估值相对较高的反射率分布函数，还可采用下述结构，将使权重系数发生了各种变化的CG图像依序显示于显示部50，从而可由使用者来选择认为最佳的权重。
而且，实施方式中，如图4所示，是由显示装置25的差值图像获取部34来运算差值图像，但也可为下述结构，即，图1所示的质感扫描器具备运算部，运算漫反射图像与镜面反射图像的差值并输出至外部。
图15表示质感扫描器5的另一结构。除了图1所示的质感扫描器5的结构以外，还具备运算部23。运算部23运算漫反射图像与镜面反射图像的差值而生成差值图像并输出至外部装置。因而，质感扫描器5将漫反射图像、镜面反射图像与差值图像从输出接口输出至外部装置。差值图像是漫反射图像-镜面反射图像、与镜面反射图像-漫反射图像中的至少任一个。外部装置既可为显示装置25，也可为外部的服务器。或者也可为通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)存储器或安全数字(Secure Digital，SD)存储器等移动式存储器。
而且，也可将由图4所示的显示装置所制作并显示的CG图像适当地经由网络而登记到服务器中，以构成CG图像的数据库(database)。
图16表示变形例中的系统结构。质感扫描器5、服务器100与显示装置25经由网络可收发数据地连接。由质感扫描器5所获得的漫反射图像、镜面反射图像及差值图像是经由网络而发送并存储至服务器100。显示装置25访问(access)服务器100以获取漫反射图像、镜面反射图像及差值图像，算出反射率分布函数而将反射色显示于显示部50。而且，由显示装置25所显示的CG图像经由通信接口及网络而发送并存储至服务器100，并根据来自其他显示装置的请求而发送至所述其他显示装置。服务器100也可将从显示装置25上载(upload)的CG图像以例如缩略图(thumbnail)格式而一览显示于其他显示装置，以供所述其他显示装置中的选择。

Claims (12)

1.一种显示装置，其特征在于，包括：
漫反射图像获取部，获取物体表面的漫反射图像；
镜面反射图像获取部，获取所述物体表面的镜面反射图像；
差值图像获取部，获取所述漫反射图像与所述镜面反射图像的差值图像；
反射率分布函数计算部，使用所述漫反射图像与所述差值图像来算出物体表面的反射率分布函数；以及
显示部，使用所述反射率分布函数，显示与所述物体表面的方位变化相应的所述物体表面的反射色。
2.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，
所述差值图像获取部获取从所述镜面反射图像减去所述漫反射图像所得的图像、与从所述漫反射图像减去所述镜面反射图像所得的图像中的至少任一个，以作为所述差值图像。
3.根据权利要求2所述的显示装置，其特征在于，
所述反射率分布函数计算部根据由所述漫反射图像算出的漫反射率分布函数、与由所述差值图像算出的镜面反射率分布函数，来算出所述反射率分布函数。
4.根据权利要求3所述的显示装置，其特征在于，
所述差值图像获取部获取从所述镜面反射图像减去所述漫反射图像所得的图像、与从所述漫反射图像减去所述镜面反射图像所得的图像，以作为所述差值图像，
所述反射率分布函数计算部根据由所述漫反射图像算出的漫反射率分布函数、由从所述镜面反射图像减去所述漫反射图像所得的图像算出的第1镜面反射率分布函数、由从所述漫反射图像减去所述镜面反射图像所得的图像算出的第2镜面反射率分布函数，来算出所述反射率分布函数。
5.根据权利要求4所述的显示装置，其特征在于，
所述反射率分布函数将权重设为w1及w2，根据所述漫反射率分布函数、将第1镜面反射率分布函数乘以所述权重w1所得的函数、及将所述第2镜面反射率分布函数乘以所述权重w2所得的函数，来算出所述反射率分布函数，并使所述权重w1及所述权重w2发生变化以算出所述反射率分布函数。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的显示装置，其特征在于，
所述漫反射图像与所述镜面反射图像是以具备第1光源及第2光源的扫描器进行扫描而获得的图像，所述第1光源的相对物体表面的照射的入射角度为第1入射角度，所述第2光源的相对物体表面的照射的入射角度为与所述第1入射角度不同的第2入射角度。
7.根据权利要求6所述的显示装置，其特征在于，
所述第1入射角度为45°，所述第2入射角度为5°～10°。
8.一种扫描器，其特征在于，包括：
第1光源，相对物体表面的照射的入射角度为第1入射角度；
第2光源，相对所述物体表面的照射的入射角度为与所述第1入射角度不同的第2入射角度；
运算部，对以所述第1入射角度进行照射而获得的所述物体表面的漫反射图像、与以所述第2入射角度进行照射而获得的所述物体表面的镜面反射图像的差值图像进行运算；以及
输出部，输出所述漫反射图像、所述镜面反射图像与所述差值图像。
9.根据权利要求8所述的扫描器，其特征在于，
所述第1入射角度为45°，所述第2入射角度为5°～10°。
10.一种显示系统，其特征在于，包括彼此连接于网络的扫描器、服务器及显示装置，
所述扫描器包括：
第1光源，相对物体表面的照射的入射角度为第1入射角度；
第2光源，相对所述物体表面的照射的入射角度为与所述第1入射角度不同的第2入射角度；以及
输出部，输出以所述第1入射角度进行照射而获得的所述物体表面的漫反射图像、与以所述第2入射角度进行照射而获得的所述物体表面的镜面反射图像，
所述显示装置包括：
漫反射图像获取部，获取由所述扫描器所获得的所述漫反射图像；
镜面反射图像获取部，获取由所述扫描器所获得的所述镜面反射图像；
差值图像获取部，获取所述漫反射图像与所述镜面反射图像的差值图像；
反射率分布函数计算部，使用所述漫反射图像与所述差值图像来算出物体表面的反射率分布函数；
显示部，使用所述反射率分布函数来显示与所述物体表面的方位变化相应的所述物体表面的反射色；以及
发送部，将显示于所述显示部的所述物体表面的反射色发送至所述服务器。
11.一种显示系统，其特征在于，包括彼此连接于网络的扫描器、服务器及显示装置，
所述扫描器包括：
第1光源，相对物体表面的照射的入射角度为第1入射角度；
第2光源，相对所述物体表面的照射的入射角度为与所述第1入射角度不同的第2入射角度；以及
输出部，输出以所述第1入射角度进行照射而获得的所述物体表面的漫反射图像、与以所述第2入射角度进行照射而获得的所述物体表面的镜面反射图像，
所述服务器包括：
漫反射图像获取部，获取由所述扫描器所获得的所述漫反射图像；
镜面反射图像获取部，获取由所述扫描器所获得的所述镜面反射图像；
差值图像获取部，获取所述漫反射图像与所述镜面反射图像的差值图像；
反射率分布函数计算部，使用所述漫反射图像与所述差值图像来算出物体表面的反射率分布函数；以及
发送部，将所述反射率分布函数发送至所述显示装置，
所述显示装置包括显示部，所述显示部使用所述反射率分布函数来显示与所述物体表面的方位变化相应的所述物体表面的反射色。
12.一种存储程序的计算机可读介质，所述程序使计算机执行信息处理，其特征在于，所述信息处理包括：
获取物体表面的漫反射图像并存储到存储器中；
获取所述物体表面的镜面反射图像并存储到存储器中；
获取所述漫反射图像与所述镜面反射图像的差值图像并存储到存储器中；
使用所述漫反射图像与所述差值图像来算出物体表面的反射率分布函数；以及
使用所述反射率分布函数，将与所述物体表面的方位变化相应的所述物体表面的反射色显示于显示部。
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