CN110060327A - 模拟装置、估计反射特性的方法以及计算机可读介质 - Google Patents

模拟装置、估计反射特性的方法以及计算机可读介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供了可以容易地获得表面浮凸的物体的光反射特性的模拟装置、估计反射特性的方法及计算机可读介质。模拟装置(10)包括：纹理形状数据库(101)，其存储纹理的形状数据；二级纹理形状数据库(100)，其存储二级纹理的形状数据；材料数据库(102)，其存储对于物体的材料而言特定的光学特性的数据；组合形状生成器(103)，其通过将存储在纹理形状数据库(101)中的形状数据与存储在二级纹理形状数据库(100)中的形状数据进行组合来生成二级纹理与纹理交叠的形状的形状数据；以及反射特性估计单元(105)，其通过使用已生成的形状数据和存储在材料数据库(102)中的数据进行的模拟来估计物体的光反射特性。

Description

模拟装置、估计反射特性的方法以及计算机可读介质
背景技术
本公开内容涉及模拟装置、估计反射特性的方法以及存储程序的计算机可读介质。
由于物体的光反射特性影响产品的外观，因此反射特性被用在产品开发中。例如，日本未审查专利申请公开第2015-049691号公开了一种用于车辆的设计开发的模拟装置。该模拟装置包括双向反射分布函数(BRDF)测量单元，双向反射分布函数(BRDF)测量单元被配置成测量BRDF，并且基于BRDF测量单元中的测量结果通过模拟来再现车辆的外观。
发明内容
物体的光反射特性取决于物体的材料和物体的表面形状。因此，不同的材料或者不同的表面形状导致不同的BRDF测量结果。因此，在通过测量获得物体的BRDF的情况下，对于材料和表面形状的每个组合都需要实际物体的样品。此外，需要针对材料和表面形状的每个组合执行测量工作。
鉴于前述情况做出了本公开内容，并且本公开内容的目的在于提供可以容易地获取表面浮凸的物体的光反射特性的模拟装置、估计反射特性的方法以及程序。
实现前述目的的本公开内容的一个方面是一种模拟装置，包括：纹理形状存储单元，其被配置成存储纹理的形状数据，纹理是形成在物体表面上的不规则形状；二级纹理形状存储单元，其被配置成存储二级纹理的形状数据，二级纹理具有比纹理的不规则形状更精细的不规则形状，二级纹理具有与纹理交叠的形状；材料存储单元，其被配置成存储对于物体材料而言特定的光学特性的数据；组合形状生成器，其被配置成通过将存储在纹理形状存储单元中的形状数据与存储在二级纹理形状存储单元中的形状数据进行组合来生成二级纹理与纹理交叠的形状的形状数据；以及反射特性估计单元，其被配置成通过使用由组合形状生成器所生成的形状数据和存储在材料存储单元中的数据进行的模拟来估计物体的光反射特性。
在该模拟装置中，生成了包括期望的纹理和二级纹理的形状数据。然后使用该形状数据估计期望材料的物体的反射特性。因此，不需要测量包括期望的纹理和二级纹理的期望材料的物体。也就是说，不需要测量具有纹理、二级纹理和材料的期望组合的实际物体的样品。也就是说，由于不需要准备任何实际物体的样品并且执行测量工作，因此可以容易地获得表面浮凸的物体的光反射特性。
在前述方面中，纹理形状存储单元可以存储多种纹理中的每种纹理的形状数据。
根据前述结构，可以容易地获得具有从多种纹理中任意选择的纹理的形状的物体的光反射特性。也就是说，可以在纹理的形状已经改变的情况下容易地获得物体的光反射特性。
在前述方面中，二级纹理形状存储单元可以存储多种二级纹理中的每种二级纹理的形状数据。
根据前述结构，可以容易地获得具有从多种二级纹理中任意选择的二级纹理的形状的物体的光反射特性。也就是说，可以在二级纹理的形状已经改变的情况下容易地获得物体的光反射特性。
在前述方面中，材料存储单元可以存储多种材料中的每种材料的光学特性的数据。
根据前述结构，可以容易地获得具有从多种材料中任意选择的材料的物体的光反射特性。也就是说，可以在材料已经改变的情况下容易地获得物体的光反射特性。
在前述方面中，模拟装置还可以包括光学特性估计单元，光学特性估计单元被配置成使用特定材料的物体的光反射特性的测量数据和通过使用物体表面的形状数据进行的模拟获得的光的反射特性的估计数据来估计对于特定材料而言特定的光学特性，并且材料存储单元可以存储由光学特性估计单元估计的光学特性的数据。
根据前述结构，估计了对于材料而言特定的光学特性。因此，即使在预先不知道需要估计光反射特性的材料的光学特性的情况下，也可以估计光的反射特性。
此外，实现前述目的的本公开内容的一个方面是一种估计反射特性的方法，该方法包括：通过将纹理的形状数据与二级纹理的形状数据进行组合来生成二级纹理与纹理交叠的形状的形状数据，纹理是形成在物体表面上的不规则形状，二级纹理具有比纹理的不规则形状更精细的不规则形状，二级纹理具有与纹理交叠的形状；以及通过使用已生成的形状数据和对于物体的材料而言特定的光学特性的数据进行的模拟来估计物体的光反射特性。
在该估计方法中，生成了包括期望的纹理和二级纹理的形状数据。然后使用该形状数据估计期望的材料的物体的反射特性。因此，不需要测量包括期望的纹理和二级纹理的期望的材料的物体。也就是说，不需要测量具有纹理、二级纹理和材料的期望组合的实际物体的样品。也就是说，由于不需要准备任何实际物体的样品并且执行测量工作，因此可以容易地获得表面浮凸的物体的光反射特性。
此外，实现前述目的的本公开内容的一个方面是存储用于使计算机执行以下步骤的程序的计算机可读介质：组合形状生成步骤，其用于通过将纹理的形状数据与二级纹理的形状数据进行组合来生成二级纹理与纹理交叠的形状的形状数据，纹理是形成在物体表面上的不规则形状，二级纹理具有比纹理的不规则形状更精细的不规则形状，所述二级纹理具有与纹理交叠的形状；以及反射特性估计步骤，其用于通过使用已生成的形状数据和对于物体的材料而言特定的光学特性的数据进行的模拟来估计物体的光反射特性。
在通过该程序进行的处理中，生成了包括期望的纹理和二级纹理的形状数据。然后使用该形状数据估计期望的材料的物体的反射特性。因此，不需要测量包括期望的纹理和二级纹理的期望的材料的物体。也就是说，不需要测量具有纹理、二级纹理和材料的期望组合的实际物体的样品。也就是说，由于不需要准备任何实际物体的样品并且执行测量工作，因此可以容易地获得表面浮凸的物体的光反射特性。
根据本公开内容，可以提供能够容易地获得表面浮凸的物体的光反射特性的模拟装置、估计反射特性的方法以及程序。
根据下文中给出的详细描述和仅以说明的方式给出并且因此不应被视为限制本公开内容的附图将更充分地理解本公开内容的上述和其他目的、特征和优点。
附图说明
图1是示出根据实施方式的模拟装置的功能配置的一个示例的框图；
图2是示出根据该实施方式的模拟装置的硬件配置的一个示例的框图；
图3是示出在根据该实施方式的模拟装置中用于获取物体的光反射特性的操作流程的一个示例的流程图；
图4是示出通过组合形状生成器对形状数据进行组合的处理的一个示例的流程图；
图5是示出通过反射特性估计单元进行的估计处理的一个示例的流程图；
图6是示出在光线追踪(ray-tracing)模拟中计算的每个点的示意图；以及
图7是示出通过光学特性估计单元进行的估计处理的一个示例的流程图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图来说明本公开内容的实施方式。图1是示出根据该实施方式的模拟装置10的功能配置的一个示例的框图。为了便于说明，除了模拟装置10以外，图1还示出了用于生成要输入至模拟装置10的数据的装置(激光显微镜51、3D测量单元52和BRDF测量单元53)和样品组50。
模拟装置10是被配置成通过估计来获取物体的光反射特性的装置。要通过模拟装置10获取其反射特性的物体是例如由树脂制成的物体，但是不限于此。模拟装置10可以获取由期望的材料(例如，金属)制成的物体的反射特性。
在该实施方式中，模拟装置10获取表面浮凸的物体的反射特性。更具体地，模拟装置10获取具有以下表面的物体的反射特性。也就是说，模拟装置10获取具有其上形成有纹理和二级纹理的表面的物体的反射特性。纹理是形成在物体表面上的不规则形状。换句话说，纹理是形成在物体表面上的不规则图案。纹理可以被称为初级纹理。具有比纹理的不规则形状更精细的不规则形状的二级纹理是与纹理交叠的形状。换句话说，具有比纹理的不规则图案更精细的不规则图案的二级纹理是形成在纹理上的图案。也就是说，二级纹理的不规则图案比纹理的不规则图案更精细。相反地，纹理的不规则图案比二级纹理的不规则图案更粗糙。以这种方式，出现在物体表面上的图案(即，形状)是通过纹理的图案和二级纹理的图案的组合来定义的。
顺便提及，物体的光反射特性不仅取决于物体表面的形状，而且还取决于物体的材料。因此，在物体由彼此不同的材料制成的情况下，即使在这些物体具有相同的表面形状的情况下，这些物体的反射特性也彼此不同。反射特性的数目对应于由纹理的形状、二级纹理的形状和物体的材料组成的组合的数目。在该实施方式中，针对从纹理的形状数据、二级纹理的形状数据和预先存储在数据库中的材料的数据中选择的期望组合执行光线追踪模拟，从而获取具有这种组合的物体的反射特性。虽然在该实施方式中，反射特性具体地为BRDF，但是模拟装置10可以获取不同于BRDF的反射特性。
如图1所示，模拟装置10包括二级纹理形状数据库100、纹理形状数据库101、材料数据库102、组合形状生成器103、光学特性估计单元104以及反射特性估计单元105。在该实施方式中，使用样品组50、激光显微镜51、3D测量单元52以及BRDF测量单元53以生成要存储在二级纹理形状数据库100、纹理形状数据库101以及材料数据库102中的数据。
样品组50包括至少一个实际物体的样品。然而，为了在各个数据库中存储各种类型的数据，样品组50包括各种样品。
在该实施方式中，为了在纹理形状数据库101中存储多种纹理中的每种纹理的形状数据，将由相同材料制成并且具有相同二级纹理形状但是具有彼此不同的纹理形状的多个物体的样品准备为样品组50。例如，这些样品可以是其图案类型(例如，皮革图案或者几何图案)彼此不同的纹理的样品，或者可以是纹理的不规则性的深度彼此不同的纹理的样品。
此外，在该实施方式中，为了在二级纹理形状数据库100中存储多种二级纹理中的每种二级纹理的形状数据，将由相同材料制成并且具有相同纹理形状但是具有彼此不同的二级纹理形状的多个物体的样品准备为样品组50。例如，这些样品可以是其不规则性的精细度彼此不同的二级纹理的样品。
此外，在该实施方式中，为了在材料数据库102中存储多种材料中的每一种材料的光学特性的数据，将具有相同纹理形状和相同二级纹理形状但是彼此由不同的材料制成的多个物体的样品准备为样品组50。例如，这些样品可以是由AES树脂制成的样品、由POM树脂制成的样品、由PP2树脂制成的样品以及由TPO树脂制成的样品等。
通过激光显微镜51、3D测量单元52以及BRDF测量单元53来测量样品组50中包括的每个样品。激光显微镜51是获取存在于样品表面上的二级纹理的形状数据的测量装置的一个示例。通过激光显微镜51测量的二级纹理的形状数据被输入至模拟装置10并且存储在二级纹理形状数据库100中。具体地，例如，存储在二级纹理形状数据库100中的形状数据是三维坐标数据。以这样的方式，二级纹理形状数据库100是存储二级纹理的形状数据的数据库。在该实施方式中，虽然存储在二级纹理形状数据库100中的形状数据是不仅包括二级纹理的形状还包括归因于纹理的形状的不规则性的形状数据，但是不包括归因于纹理的形状的不规则性的形状数据、仅指定二级纹理的形状的形状数据可以存储在二级纹理形状数据库100中。二级纹理形状数据库100可以被称为二级纹理形状存储单元。
3D测量单元52(三维测量单元)是获取存在于样品表面上的纹理的形状数据的测量装置的一个示例。通过3D测量单元52测量的纹理的形状数据被输入至模拟装置10并且存储在纹理形状数据库101中。具体地，例如，存储在纹理形状数据库101中的形状数据是三维坐标数据。以这样的方式，纹理形状数据库101是存储纹理的形状数据的数据库。纹理形状数据库101可以被称为纹理形状存储单元。在该实施方式中，由于3D测量单元52的分辨率不足以测量二级纹理的形状，因此不包括归因于二级纹理的形状的不规则性的形状数据，即是，仅指定纹理的形状的形状数据被存储在纹理形状数据库101中。
BRDF测量单元53是用于获取样品中的光的反射特性的测量装置的一个示例。通过BRDF测量单元53测量的BRDF被输入至模拟装置10并且被用于光学特性估计单元104中的处理。
组合形状生成器103将存储在纹理形状数据库101中的形状数据与存储在二级纹理形状数据库100中的形状数据进行组合，从而生成二级纹理与纹理交叠的形状的形状数据。也就是说，组合形状生成器103生成物体的表面形状的数据。由组合形状生成器103进行的具体处理稍后将参照流程图进行说明。
光学特性估计单元104使用特定材料的物体的光反射特性的测量数据和通过使用该物体的表面的形状数据进行的模拟获得的光的反射特性的估计数据来估计对于该特定材料而言特定的光学特性。因此，当光学特性估计单元104估计该材料的光学特性时，光学特性估计单元104需要BRDF测量单元53中的与样品组50中的由要获取其光学特性的材料形成的样品(该样品被称为样品I)有关的测量结果以及样品I的表面的形状数据。虽然在该实施方式中，光学特性估计单元104使用通过组合形状生成器103生成的形状数据作为样品I的表面的形状数据，但是在光学特性估计单元104中使用的形状数据可以不必是通过组合形状生成器103生成的数据。也就是说，可以使用通过期望的测量单元测量的物体表面形状的数据。
具体地，光学特性估计单元104如下地获得光的反射特性的估计数据，即是，BRDF的估计数据。光学特性估计单元104将临时值设置为用于特定材料的光学特性的参数值，并且使用由这些值指定的光学特性和物体表面的形状数据来执行光线追踪模拟，从而估计该物体的BRDF。
然后光学特性估计单元104使用估计BRDF的结果和测量实际物体的样品的BRDF的结果来估计用于材料的光学特性的参数值。
稍后将参照流程图说明通过光学特性估计单元104进行的处理的细节。光学特性估计单元104将已估计的光学特性的数据(即，估计的参数值)存储在材料数据库102中。以这样的方式，材料数据库102是针对每种材料存储对于物体的材料而言特定的光学特性的数据的数据库。材料数据库102可以被称为材料存储单元。
虽然在该实施方式中光学特性的数据由作为复折射率的实部的参数N的值、作为复折射率的虚部的参数K的值、作为指示散射方向性的指标值(更具体地，亨利-格林斯坦相函数(Henyey-Greenstein phase function)的参数)的参数G的值以及指示漫反射率的参数D的值组成，但是模拟装置10可以使用不同于上述数据的光学特性。光学特性的数据是用于确定稍后将描述的光线追踪模拟中的光束的行为的数据。
反射特性估计单元105通过使用由组合形状生成器103生成的形状数据和存储在材料数据库102中的光学特性的数据进行的模拟来估计物体的光反射特性。例如，已由组合形状生成器103生成并且由反射特性估计单元105使用的表面的形状数据是指示由用户指定的期望的纹理形状和二级纹理形状的形状数据。此外，例如，存储在材料数据库102中并且由反射特性估计单元105使用的光学特性的数据是与由用户指定的期望的材料相对应的光学特性的数据。因此，反射特性估计单元105估计具有纹理、二级纹理和材料的期望组合的物体的光反射特性。
具体地，反射特性估计单元105通过使用由组合形状生成器103生成的表面的形状数据和已被指定的材料的光学特性的数据执行光线追踪模拟来估计期望物体的BRDF。通过反射特性估计单元105进行的处理的细节稍后将参照流程图进行说明。
接下来，将说明模拟装置10的硬件配置的一个示例。图2是示出根据该实施方式的模拟装置10的硬件配置的一个示例的框图。如图2所示，模拟装置10包括输入/输出接口11、存储器12以及处理器13。
输入/输出接口11是用于执行与另一装置的有线通信或无线通信的接口。例如，输入/输出接口11用于从激光显微镜51、3D测量单元52以及BRDF测量单元53接收数据。此外，例如，输入/输出接口11被用于通过输入装置(例如，键盘)从用户输入接收指示信息。
存储器12由易失性存储器和非易失性存储器的期望组合组成。存储器12可以包括多个存储器。存储器12被用于存储由处理器13执行的软件(例如，包括一个或更多个指令的计算机程序)等。
处理器13从存储器12加载软件(计算机程序)并且执行所加载的软件(计算机程序)，从而实现组合形状生成器103、光学特性估计单元104以及反射特性估计单元105。如上所描述的，模拟装置10具有计算机的功能。例如，处理器13可以是微处理器、微处理单元(MPU)或者中央处理单元(CPU)。处理器13可以包括多个处理器。
可以使用任何类型的非暂态计算机可读介质存储上述程序并且将上述程序提供至计算机。非暂态计算机可读介质包括任何类型的有形存储装置介质。非暂态计算机可读介质的示例包括磁存储介质(例如，软盘、磁带、硬盘驱动器等)、光磁存储介质(例如，磁光盘)、只读存贮型光盘(CD-ROM)、CD-R、CD-R/W以及半导体存储器(例如，掩模型ROM、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、闪存ROM、随机存取存储器(RAM)等)。可以使用任何类型的暂态计算机可读介质将程序提供至计算机。暂态计算机可读介质的示例包括电信号、光信号以及电磁波。暂态计算机可读介质可以经由有线通信线路(例如，电线和光纤)或者无线通信线路将程序提供至计算机。
例如，二级纹理形状数据库100、纹理形状数据库101以及材料数据库102可以通过存储设备(例如，存储器12)来实现。
组合形状生成器103、光学特性估计单元104以及反射特性估计单元105不限于由软件通过程序来实现，并且它们中的每一个可以由硬件电路来实现或者例如由硬件、固件以及软件的任意组合来实现。
接下来，将参照流程图来说明模拟装置10中的具体处理。
图3是示出用于在模拟装置10中获取物体的光反射特性的操作流程的一个示例的流程图。根据模拟装置10，执行如下的估计反射特性的方法。
如图3所示，首先，在步骤10(S10)中，组合形状生成器103将纹理的形状数据与二级纹理的形状数据进行组合，从而生成二级纹理与纹理交叠的形状的形状数据。稍后将参照图4说明组合形状发生器103的具体处理的流程。
接下来，在步骤20(S20)中，反射特性估计单元105通过使用在步骤10中生成的形状数据和存储在材料数据库102中的对于物体材料而言特定的光学特性的数据进行的模拟来估计物体的光反射特性。稍后将参照图5说明反射特性估计单元105的具体处理的流程。
例如，假设这样的情况：在具有形状b的纹理和具有形状c的二级纹理形成在由材料a制成的物体的表面上的情况下，用户想要获取物体表面的BRDF。在这种情况下，在步骤10中，组合形状发生器103从纹理形状数据库101中读取具有由用户指定的形状b的纹理的形状数据，从二级纹理形状数据库100中读取具有形状c的二级纹理的形状数据，并且将所获得的数据进行组合。此外，在步骤20中，反射特性估计单元105从材料数据库102中读取与由用户指定的材料a相对应的光学特性的数据(例如，前述参数N、K、G以及D)，并且使用已读取的数据和在步骤10中生成的数据来估计反射特性。
图4是示出通过组合形状生成器103对形状数据进行组合的处理的一个示例的流程图。在下面的描述中，将参照图4来说明组合形状生成器103的处理。
在步骤100(S100)中，组合形状生成器103读取存储在纹理形状数据库101中的形状数据和存储在二级纹理形状数据库100中的形状数据。例如，组合形状生成器103读取由用户指定的形状数据作为用于组合的目标。
接下来，在步骤101(S101)中，组合形状生成器103提取与从二级纹理形状数据库100读取的形状数据有关的二级纹理分量。如上所描述的，在该实施方式中，除了二级纹理的形状以外，存储在二级纹理形状数据库100中的形状数据还包括包含归因于纹理的形状的不规则性的形状数据。因此，组合形状生成器103从自二级纹理形状数据库100中获得的形状数据中提取不包括归因于纹理的形状的不规则性的形状数据。组合形状生成器103通过计算一个测量范围内的两个形状数据之间的差来计算仅二级纹理的形状数据。具体地，组合形状生成器103通过从自二级纹理形状数据库100中读取的形状数据的高度分量(Z坐标值)减去形成在已经用于测量以获得仅二级纹理的形状数据的样品中的初级纹理的形状数据的高度分量(Z坐标值)来计算仅二级纹理的形状数据。
接下来，在步骤102(S102)中，组合形状生成器103通过平铺在步骤101中提取的二级纹理分量来扩展仅二级纹理分量的形状数据的区域。通过激光显微镜51获得的形状数据的XY坐标的范围是有限的。因此，组合形状生成器103通过复制在步骤101中获得的形状数据并且将这些形状数据布置在平面上来扩展形状数据的XY坐标的范围。
接下来，在步骤103(S103)中，组合形状生成器103将已扩展的二级纹理的形状数据与从纹理形状数据库101中读取的形状数据进行组合。也就是说，组合形状生成器103通过将两个形状数据的高度分量(Z坐标值)相加来生成表示与纹理和二级纹理有关的形状的形状数据。
然后，在步骤104(S104)中，组合形状生成器103输出已生成的形状数据。
图5是示出通过反射特性估计单元105进行的估计处理的一个示例的流程图。此外，图6是示出在光线追踪模拟中计算的每个点的示意图。图6示出了由组合形状生成器103生成的形状数据指示的物体的表面形状S中的点A、B、C以及X。虽然在该实施方式中反射特性估计单元105通过执行蒙特卡罗光线追踪(Monte-Carlo ray tracing)的模拟来获取物体的光的反射特性，但是可以通过执行由另一光线追踪方法进行的模拟来获得物体的光反射特性。在下面的处理中，将参照图5来说明反射特性估计单元105的处理。
在步骤200(S200)中，反射特性估计单元105读取由组合形状生成器103生成的形状数据和存储在材料数据库102中的光学特性的数据。在这种情况下，反射特性估计单元105读取例如与已由用户指定的材料相对应的光学特性的数据。
接下来，在步骤201(S201)中，反射特性估计单元105确定在模拟中发射的光束的入射角。在该实施方式中，作为一个示例，反射特性估计单元105获取以下中的每一个：当光束以0度的角度入射时的BRDF、当光束以15度的角度入射时的BRDF、当光束以30度的角度入射时的BRDF、当光束以45度的角度入射时的BRDF、当光束以60度的角度入射时的BRDF以及当光束以75度的角度入射时的BRDF。因此，每当处理进行至流程图中的步骤201时，反射特性估计单元105按顺序设置这些入射角。
接下来，在步骤202(S202)中，反射特性估计单元105在模拟中以在步骤201中设置的入射角朝向由步骤200中读取的形状数据指示的虚拟物体发射光束。光束入射到虚拟物体的位置是由随机数确定的。
接下来，在步骤203(S203)中，反射特性估计单元105计算发射的光束与Zmin平面的交点A(见图6)。Zmin平面是其中Z坐标为形状数据的高度方向上的最小值的XY坐标平面。
接下来，在步骤204(S204)中，反射特性估计单元105计算发射的光束与Zmax平面的交点B(见图6)。Zmax平面是其中Z坐标为形状数据的高度方向上的最大值的XY坐标平面。
接下来，在步骤205(S205)中，反射特性估计单元105计算从点B到点A的直线与物体的第一交点X(见图6)。当处理从稍后将描述的步骤211移动至步骤205时，反射特性估计单元105计算从点X到点C的直线与物体的第一交点作为新的交点X(见图6)。
当在步骤205中计算的交点X存在时(图5中的S206为是)，处理移动至步骤207。当在步骤205中计算的交点X不存在时(图5的S206中为否)，处理进行至步骤212。
在步骤207(S207)中，反射特性估计单元105确定是否使光束在作为虚拟物体与光束的交点的点X处透射过物体或者使光束在物体表面上被菲涅尔反射(Fresnelreflected)。反射特性估计单元105使用随机数和从材料数据库102中读取的复折射率(参数N和参数K)来确定光束的行进方向。
当光束要被透射时(图5的S207中为“透射”)，处理移动至步骤208。当光束要被菲涅尔反射时(图5的S207中为“菲涅尔反射”)，处理移动至步骤209。
在步骤208(S208)中，反射特性估计单元105计算来自虚拟物体内部的光束的漫反射率。具体地，反射特性估计单元105使用从材料数据库102读取的漫反射率(参数D)来执行漫反射的模拟。在步骤208之后，处理移动至步骤210。
另一方面，在步骤209(S209)中，反射特性估计单元105使光束在点X处散射。反射特性估计单元105使用随机数和从材料数据库102读取的散射方向性的指示值(参数G)来执行光束散射的模拟。在步骤209之后，处理移动至步骤210。
在步骤210(S210)中，反射特性估计单元105基于在步骤208或步骤209中的计算结果从点X发射光束。
接下来，在步骤211(S211)中，反射特性估计单元105计算作为在步骤210中发射的光束与Zmin平面或Zmax平面的交点的交点C(见图6)。在步骤211之后，处理返回至步骤205，在其中，执行与上面描述的光线追踪类似的光线追踪处理。
当在步骤206中确定不存在交点X时，在步骤212(S212)中观察光束。也就是说，反射特性估计单元105获取在观察点处观察到的光的强度作为从步骤202至步骤211的光线追踪模拟的结果。也就是说，反射特性估计单元105获取已通过单个光线发射模拟估计的BRDF数据。
接下来，在步骤213(S213)中，反射特性估计单元105确定已发射光束的次数是否等于或者大于指定值。当发射次数等于或大于指定值(图5的S213中为是)时，处理移动至步骤214。另一方面，当发射次数小于指定值(图5的S213中为否)时，处理返回至步骤202，再次发射光束。以这种方式，重复光线追踪模拟，以使得在步骤212中获取的数据的数目达到指定值。
在步骤214(S214)中，反射特性估计单元105计算在步骤212中获取的全向BRDF的平均值，并且使用计算结果作为关于在步骤201中确定的入射角的全向BRDF的估计值。
接下来，在步骤215(S215)中，反射特性估计单元105确定当前设置的入射角是否等于或者大于指定值。在该实施方式中，反射特性估计单元105确定当前设置的入射角是否等于或者大于75度。在当前设置的入射角等于或者大于指定值的情况下(图5的S213中为是)，这意味着已经针对所有计划的入射角获取了全向BRDF的估计值，并且因此处理序列结束。另一方面，在当前设置的入射角小于指定值的情况下(图5的S213中为否)，处理返回至步骤201。也就是说，在这种情况下，在步骤201中设置下一入射角。例如，在当前设置的入射角为0度的情况下，反射特性估计单元105在步骤201中将入射角更新至15度。然后重复步骤202处的模拟和随后的步骤。
上面已经描述了用于获取物体的光反射特性的模拟装置10的操作。在该实施方式中，在执行图3中示出的流程图的处理之前，将每种材料的光学特性的数据预先存储在材料数据库102中。此外，在该实施方式中，如上所描述的，由光学特性估计单元104估计的光学特性被存储在材料数据库102中。在下面的描述中，将说明光学特性的估计处理。
图7是示出通过光学特性估计单元104进行的估计处理的一个示例的流程图。光学特性估计单元104执行与在反射特性估计单元105中执行的光线追踪模拟类似的光线追踪模拟，从而在已将临时值设置为光学特性的参数值的情况下估计物体的全向BRDF。然后，反射特性估计单元105基于已估计的全向BRDF与从实际测量中获得的全向BRDF之间的比较结果来更新参数值。在获得了其中全向BRDF的估计结果接近全向BRDF的测量结果的情况下的反射特性的参数值时，反射特性估计单元105将这些参数值存储在材料数据库102中。虽然在该实施方式中反射特性估计单元105使用遗传算法来具体地确定参数(N、K、G以及D)的值，但是可以使用搜索其中估计结果接近测量结果的参数(N、K、G以及D)的值的另一期望搜索算法。
在图7所示的流程图中，图5中所示的步骤200由步骤300和步骤301替换，并且步骤302、步骤303和步骤304被添加作为图5中所示的步骤215之后的处理。在下面的描述中，将参照图7中所示的流程图来说明光学特性估计单元104的处理。然而，将省略关于与在图5中的流程图中所示的处理内容重叠的步骤的描述。此外，将评估关于材料p的光学特性的情况作为示例进行说明。此外，假定形状q形成在由材料p制成的样品I的表面上。还假定该形状q是通过将具有形状q1的初级纹理与具有形状q2的二级纹理进行组合获得的形状。
首先，在步骤300(S300)中，光学特性估计单元104读取由组合形状生成器103生成的形状数据和由BRDF测量单元53测量的样品I的BRDF数据。由组合形状生成器103生成的形状数据是通过将初级纹理的形状q1的形状数据与二级纹理的形状q2的形状数据进行组合获得的形状。虽然在该示例中光学特性估计单元104使用由组合形状生成器103生成的形状数据作为样品I的表面的形状数据，但是在存在由期望的测量单元测量的样品I的表面形状的数据的情况下，也可以使用该数据。此外，在这种情况下，表面形状可以不一定是其数据存储在纹理形状数据库101和二级纹理形状数据库100中的形状。也就是说，可以使用具有期望的表面形状的样品I。
接下来，在步骤301(S301)中，光学特性估计单元104设置光学特性的参数(N、K、G以及D)的初始值。也就是说，光学特性估计单元104使用随机数在遗传算法中生成第一代中的个体。
在步骤301之后，处理移动至步骤201。以这种方式，光学特性估计单元104执行从步骤201至步骤304的处理序列。步骤201至步骤215的处理与图5中所示的处理类似。也就是说，在由光学特性估计单元104进行的估计处理中，使用步骤301或者稍后将描述的步骤303中设置的具有临时值的参数(即，被设置为临时值的光学特性的数据)来执行光线追踪模拟。
在步骤215中确定当前设置的入射角等于或者大于指定值的情况下(图7的S215中为是)，处理移动至步骤302。
在步骤302(S302)中，光学特性估计单元104将测量的BRDF数据(即，在步骤300中读取的全向BRDF的测量结果)与通过模拟获得的BRDF数据(即，通过来自步骤201至步骤215的处理获得的全向BRDF的估计结果)进行比较。具体地，光学特性估计单元104计算当前代中的每个个体的适应度。
接下来，在步骤303(S303)中，光学特性估计单元104基于步骤302中的比较结果来校正光学特性的参数的值。也就是说，光学特性估计单元104基于在步骤302中计算的每个个体的适应度来生成下一代中的个体。
接下来，在步骤304(S304)中，光学特性估计单元104确定所执行的循环处理的次数(即，从步骤201至步骤303的处理序列已经执行的次数)是否等于或者大于指定值。在执行次数小于指定值的情况下，使用新一代中的个体继续重复前述处理。另一方面，在执行次数等于或者大于指定值的情况下，认为已经获得了全向BRDF的估计结果接近全向BRDF的测量结果的反射特性的参数值，并且因此处理结束。
上面已经描述了实施方式。在模拟装置10中，通过将存储在纹理形状数据库101中的形状数据与存储在二级纹理形状数据库100中的形状数据进行组合来生成二级纹理与纹理交叠的形状的形状数据。然后通过使用已生成的形状数据和存储在材料数据库102中的数据进行的模拟来估计物体的光反射特性。因此，不需要测量具有纹理、二级纹理和材料的期望组合的实际物体的样品。因此，可以容易地获得表面浮凸的物体的光反射特性。
此外，纹理形状数据库101存储多种纹理中的每种纹理的形状数据。因此，可以容易地获得具有从多种纹理中任意选择的纹理的形状的物体的光反射特性。也就是说，可以在纹理的形状已经改变的情况下容易地获得物体的光反射特性。存储在纹理形状数据库101中的形状数据的类型的数目可以不是两个或者更多个，并且可以是仅一个。
此外，二级纹理形状数据库100存储多种二级纹理中的每种二级纹理的形状数据。因此，可以容易地获得具有从多种二级纹理中任意选择的二级纹理的形状的物体的光反射特性。也就是说，可以在二级纹理的形状已经改变的情况下容易地获得物体的光反射特性。存储在二级纹理形状数据库100中的形状数据的类型的数目可以不是两个或者更多个，并且可以是仅一个。
此外，材料数据库102存储多种材料中的每种材料的光学特性的数据。因此，可以容易地获得从多种材料中任意选择的材料的物体的光反射特性。也就是说，可以在材料已经改变的情况下容易地获得物体的光反射特性。在材料数据库102中存储有其光学特性的材料的类型的数目可以不是两个或者更多个，并且可以是仅一个。
此外，模拟装置10包括被配置成估计对于材料而言特定的光学特性的光学特性估计单元104。因此，即使在预先不知道需要估计光的反射特性的材料的光学特性的情况下，也可以估计光的反射特性。
本公开内容不限于前述实施方式，并且可以在不背离本公开内容的主旨的情况下适当地改变。
根据如此描述的公开内容，将明显的是，本公开内容的实施方式可以以多种方式变化。这样的变型不应被视为背离本公开内容的主旨和范围，并且将对本领域的技术人员而言明显的是所有这样的修改旨在包括在所附权利要求书的范围内。

Claims (7)

1.一种模拟装置，包括：
纹理形状存储单元，其被配置成存储纹理的形状数据，所述纹理是形成在物体的表面上的不规则形状；
二级纹理形状存储单元，其被配置成存储具有比所述纹理的不规则形状更精细的不规则形状的二级纹理的形状数据，所述二级纹理具有与所述纹理交叠的形状；
材料存储单元，其被配置成存储对于物体的材料而言特定的光学特性的数据；
组合形状生成器，其被配置成通过将存储在所述纹理形状存储单元中的形状数据与存储在所述二级纹理形状存储单元中的形状数据进行组合来生成所述二级纹理与所述纹理交叠的形状的形状数据；以及
反射特性估计单元，其被配置成通过使用由所述组合形状生成器生成的形状数据和存储在所述材料存储单元中的数据进行的模拟来估计物体的光反射特性。
2.根据权利要求1所述的模拟装置，其中，所述纹理形状存储单元存储多种纹理中的每种纹理的形状数据。
3.根据权利要求1或2所述的模拟装置，其中，所述二级纹理形状存储单元存储多种二级纹理中的每种二级纹理的形状数据。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的模拟装置，其中，所述材料存储单元存储多种材料中的每种材料的光学特性的数据。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的模拟装置，还包括：
光学特性估计单元，其被配置成通过使用特定材料的物体的光反射特性的测量数据和通过使用物体的表面的形状数据进行的模拟获得的光反射特性的估计数据来估计对于所述特定材料而言特定的光学特性，
其中，所述材料存储单元存储通过所述光学特性估计单元估计的光学特性的数据。
6.一种估计反射特性的方法，所述方法包括：
通过将纹理的形状数据与二级纹理的形状数据进行组合来生成所述二级纹理与所述纹理交叠的形状的形状数据，所述纹理是形成在物体的表面上的不规则形状，所述二级纹理具有比所述纹理的不规则形状更精细的不规则形状，所述二级纹理具有与所述纹理交叠的形状；以及
通过使用已生成的形状数据和对于物体的材料而言特定的光学特性的数据进行的模拟来估计物体的光反射特性。
7.一种存储程序的计算机可读介质，所述程序用于使计算机执行以下步骤：
组合形状生成步骤，其用于通过将纹理的形状数据与二级纹理的形状数据进行组合来生成所述二级纹理与所述纹理交叠的形状的形状数据，所述纹理是形成在物体的表面上的不规则形状，所述二级纹理具有比所述纹理的不规则形状更精细的不规则形状，所述二级纹理具有与所述纹理交叠的形状；以及
反射特性估计步骤，其用于通过使用已生成的形状数据和对于物体的材料而言特定的光学特性的数据进行的模拟来估计物体的光反射特性。
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