CN112053352A - 一种材料表面效果测量装置、模型及评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种材料表面效果测量装置、模型及评价方法，装置包括：光源、积分半球和摄像机模组，积分半球顶部开设采样孔，内部设有光源，底部设有测量口，采样孔外侧配合设置摄像机模组，摄像机模组包括黑白CMOS器件，且为自动曝光；模型包括：测量装置、纹理评价模块和方差计算模块，测量装置用于获取样本图像信息，经纹理评价模块得到评价数值，通过方差计算模块计算并得到样本的颗粒值；方法包括：S1，构建并测量样本；S2，将标准测量装置的测量结果与人眼视觉评价结果进行比较；S3，构建颗粒效果评价模型；S4，将模型得到的颗粒值与标准测量装置与人眼视觉评价得到的结果进行比较，评价模型有效性。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量及图像分析领域，尤其是涉及了一种材料表面效果测量装置、模型 及评价方法。
背景技术
金属漆中掺杂的金属薄片使金属漆比传统颜料展现出更丰富的视觉效果，因而备受人们 欢迎。目前已有文章对金属漆的外貌特征进行研究，C.S.McCamy在研究金属漆外观特性提 出金属漆的外观可分为远处观察到的宏观特性和近处观察到的微观特性，而微观特性由视觉 纹理决定。Kirchner将视觉纹理细分为闪光和颗粒，在漫射光照明下观察到的金属漆视觉效 果为颗粒。Huang介绍了如何做视觉实验得到具有不同颜色、颗粒和闪光的金属漆样本对的 视觉差异参数，研究了色差、颗粒度差异和闪光差异对总体视觉差异的影响。Ferrero根据金 属漆视觉效果的产生原理，综合考虑点扩散函数、入瞳直径、漫射照明等级、观测角度等因 素建立闪光和颗粒的预测模型。吴梦婷等综合闪光和颗粒效果做了视觉纹理的预测模型，但 没有对单一的颗粒效果做评价。丰恒建立了特定实验条件下的表面颗粒评价模型，训练样本 中的预测结果和视觉评价结果的相关系数达到0.91，但难以应用于仪器设计尤其是便携式仪 器设计中。目前商用产品中，仅有德国BYK公司的仪器产品BYKMac可以测量金属漆的颗 粒参数，但并没有公布算法，也没有研究成果评价其测量结果与人眼感知结果相符程度。
发明内容
为解决现有技术的不足，实现有效测量并得到符合人眼感知的金属漆颗粒参数的目的， 本发明采用如下的技术方案：
一种材料表面效果测量装置，包括：光源、积分球和摄像机模组，所述积分球为积分半 球，考虑到仪器的便携性，整体结构需要尽可能的小，但是积分球的测量口径需要保持一定 的大小来采集信息，因此仪器测量装置使用积分球半球作为匀光器件，积分半球顶部开设采 样孔，内部设有光源，底部设有测量口，采样孔外侧配合设置摄像机模组，摄像机模组包括 黑白CMOS器件，且为自动曝光。
所述积分半球底部边缘对称设有一组光源，提升匀光效果和提供足够的光照强度。
所述光源靠测量口的一侧设有挡板，防止光源直射到样本表面和进入摄像机模组中。
所述黑白CMOS器件的型号是MT9V034。
所述测量装置采用金属屏蔽外壳，以屏蔽外界电磁干扰。
一种材料表面效果测量模型，包括测量装置、纹理评价模块和方差计算模块，测量装置 用于获取样本图像信息，经纹理评价模块得到评价数值，通过方差计算模块计算出样本图像 的方差值并除以对应的积分时间得到样本的颗粒值，计算公式如下：
Gj是第j个样本的颗粒值，Xi是每个像素的灰度值，i表示第i个像素数，
表示图像的平均灰度，n是总像素数,tj是第j个样本的积分时间。
一种材料表面效果评价方法，包括如下步骤：
S1，构建并测量样本，采用标准测量装置测量样本；
S2，将标准测量装置的测量结果与人眼视觉评价结果进行比较，验证两者相符程度；
S3，构建颗粒效果评价模型，测量装置获取样本图像信息，经纹理评价方法得到的数 值，采用方差表征样本图像信息的颗粒水平，相机的曝光时间设定为固定值可以减少变量， 保证样本图像是在相同的条件下获得，但是各个图像的亮度分布不符合人眼感知，将相机 的曝光时间设置为自动曝光，自动曝光条件下可以将每个样本的图像灰度值控制在0到 255之间，避免图像像素出现曝光不足和过饱和的问题，获得的灰度图像较为均衡且符合 人眼对亮度的感知；方差用于衡量一组数据离散程度的度量，应用在图像时，方差中的平 均值就是图像的平均灰度，而整个图像的方差可以表征出图像中各个像素对应的灰度值偏 离平均灰度的程度，如果样本有颗粒效果，方差值便可表征方差随颗粒效果的粗糙程度不 同而变化；将计算出样本图像的方差值除以对应的积分时间，因为方差值引入了时间变量， 各个图像的积分时间不同使得计算出的方差值之间没有可比性，为了消除时间变量的影响， 将每个图像的方差值除以对应的积分时间，计算公式如下：
Gj是第j个样本的颗粒值，Xi是每个像素的灰度值，i表示第i个像素数，
表示图像的平均灰度，n是总像素数,tj是第j个样本的积分时间；
S4，将颗粒效果评价模型得到的颗粒值与标准测量装置的测量结果与人眼视觉评价结 果进行比较，评价模型有效性。
所述S2，根据标准测量装置测量的颗粒值将样本划分出一组参考样本，剩余样本作为待 评估样本，抽取带评估样本置于参考样本间，通过人眼视觉测量装置评价待评估样本的颗粒 度值，采用变异系数CV值评定人眼视觉测量装置评价结果的有效性，观察者进行人眼视觉 评价时对于自身的多次评价，和不同观察者之间的评价存在差异，因此采用变异系数CV值 评定人眼视觉评价结果的有效性，将标准测量装置的颗粒值与人眼视觉测量装置评价的颗粒 度值进行二次拟合，得到相关系数，从而验证标准测量装置的测量结果与人眼视觉评价结果 的相关性。
所述人眼视觉测量装置，包括积分球和光源，其特征在于积分球顶部设有观测孔、中部 设有进光孔、底部设有测量孔，观测孔外侧设有套筒，用于消除积分球内的漫射光对人眼的 影响和固定观测距离，避免人眼离观测孔过近，积分球内壁的反射光会进入人眼，影响观测 结果，人眼离观测孔过远，分辨不清样本的细节且受到外界环境光影响，套筒内侧设有吸光 材料，进一步确保消除积分球内的漫射光对人眼的影响，进光孔内上下两侧设有挡板，防止 直射光成分照射在样本表面和直接进入人眼。
所述S3，测量装置获取样本图像信息时，拍摄光源未点亮时的暗场图像和光源点亮时的 样本图像，并将两个图像相减，消除相机的固有噪声。
本发明的优势和有益效果在于：
本申请的针对材料表面效果进行测量，并对测量结果进行评价，通过最终得到的表面颗 粒值与人眼视觉实验和BYKMac测量结果进行比对，表明该测量装置和评价方法能完成有效 测量并得到符合人眼感知的材料表面参数。
附图说明
图1a是本发明中样本在a*b*平面的颜色分布图。
图1b是本发明中样本颗粒等级分布图。
图2a是本发明中光积分球结构示意图。
图2b是本发明中视觉测量装置结构示意图。
图3a是本发明中样本摆放图。
图3b是本发明中样本观察方法示意图。
图4是本发明中视觉测量结果与BYKmac结果对比图。
图5是本发明中测量装置示意图。
图6a是本发明中颗粒值G＝3的颗粒图。
图6b是本发明中颗粒值G＝6的颗粒图。
图6c是本发明中颗粒值G＝9的颗粒图。
图7a是本发明中GLCM:ENT算法值与视觉数据对比图。
图7b是本发明中GLCM:ASM算法值与视觉数据对比图。
图7c是本发明中GLCM:HOM算法值与视觉数据对比图。
图7d是本发明中GLCM:COR算法值与视觉数据对比图。
图7e是本发明中GLDS:ENT算法值与视觉数据对比图。
图7f是本发明中GLDS:MEAN算法值与视觉数据对比图。
图7g是本发明中GLDS:CON算法值与视觉数据对比图。
图7h是本发明中GLDS:ASM算法值与视觉数据对比图。
图7i是本发明中FD算法值与视觉数据对比图。
图8a是本发明中方差计算值与BYKmac结果对比图。
图8b是本发明中方差计算值与视觉测量结果对比图。
图9a是本发明中颗粒效果评价模型与BYKmac结果对比图。
图9b是本发明中颗粒效果评价模型计算值与视觉测量结果对比图。
图中：1、光源，2、积分半球，3、摄像机模组，4、采样孔，5、挡板6、测量口。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具 体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
一种金属漆颗粒效果的评价方法，包括如下步骤：
1、构建金属漆样本
选取56张具有不同颜色和颗粒大小的金属漆色卡作为样本，由BYKmac测量出颜色及 颗粒大小，样本的颜色在中性灰、红、橙、黄、绿、等5个色区的分布，颗粒等级在3到12 之间，色空间分布如图1a所示，颗粒等级的分布如图1b所示。
2、设计人眼视觉测量装置
为验证BYKMac测量的颗粒数据与人眼视觉评价结果的相符程度，设计了照明观测条件 为d/8°的人眼视觉测量装置，根据GB/T 3978-2008的规定制作了积分球，模拟漫反射光的 照明条件，如图2a所示，积分球内径为152mm，测量孔直径为38mm，观测孔直径为24mm，进光孔为正方形，尺寸为24*66mm。为防止直射光成分照射在样本表面和直接进入人眼，积分球内安装了两个挡板。实际观测时，如果人眼离观测孔过近，积分球内壁的反射光会进入人眼，影响观测结果；如果人眼离观测孔过远，将分辨不清样本的细节且受到外界环境光影响。为了消除积分球内的漫射光对人眼的影响和固定观测距离，需要在积分球观测孔上添加 套筒来限制视野，套筒筒长82mm，底部开孔12mm，筒内贴黑色吸光绒布，如图2b所示。
组织6名视觉正常且对金属漆外貌特征有一定了解的观察者，通过人眼视觉测量装置观 察样本，照明光源使用D65光源，测量孔接收的光照度为1650lx，光源点亮15分钟，待发 光稳定后开始实验。
根据BYKMac的测量结果，从56个样本中选取4个颗粒值分别为3、6、9和12的样本作为参考样本，剩余的52个样本作为待评估样本。每次评价时，随机从52个待评估样本抽取一个，放置在4个参考样本中间。四个参考样本交叠，中间留出正方形空隙，待评价样本置于最下方，样本再放置在积分球测量孔下方，如图3a所示。整个视觉实验在暗室中进行，观察者先进行2分钟暗适应，接着是1分钟亮适应。观察者事先未被告知待评估样本的测量值在3和12之间，仅告知他们四个参考样本的值从最上方开始，按顺时针次序分别为3、6、 9和12，他们依据这四个参考样本评定颗粒值，且精确到0.1，如果他们认为中间样本的颗粒值在3和12之外也可以依据感知结果自由给出颗粒值，如图3b所示。视觉实验中，共收集 了6(观察者)×52(金属漆样本)×3(重复实验)＝936个实验的视觉数据。
对于获取的视觉实验数据需要评定数据的有效性，使用变异系数CV值进行评价。观察 者内的CV值为10.84，观察者间的CV值为27.16，表明视觉实验的结果精度较高，视觉数 据准确可靠。
将BYKMac测量数据和视觉数据进行二次拟合，相关系数为0.8895，如图4所示。表明 BYKMac测量的颗粒值与人眼评价结果有较好的相关性。
3、设计仪器测量装置
金属漆表面颗粒效果测量需要在漫射光照明条件下进行，测量装置需要对被测物体表面 提供漫射光照明条件。考虑到仪器的便携性，整体结构需要尽可能的小，但是积分球的测量 口6径需要保持一定的大小来采集信息，因此仪器测量装置使用积分半球2作为匀光器件。 为达到较好的匀光效果和提供足够的光照强度，在积分球半球的底部对称安装两个LED灯作 为光源1，并加挡板5，防止直射光照射到样本表面和进入摄像头中。其中，积分球内径Φi直 径为30mm；底部开孔作为测量口6，开口直径为Φd1为12mm；顶部开孔直径Φd2为9mm， 作为采样孔4，如图5所示，采样孔4外侧设有摄像机模组3，摄像机模组3包括透镜组和传 感器，透镜组包括透镜和滤光片，传感器是配合设有驱动电路的黑白CMOS器件。
黑白CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)器件，型号是MT9V034，感光 面为1/3-inch，像素尺寸为6.0*6.0um，像素数为360*960，帧频为60fps，光谱响应范围为可 见光全光谱，可自动/手动调节曝光时间。
图像采集时需要拍摄LED灯未点亮的暗场图像和LED灯点亮时的样本图像，两个图像 相减消除相机的固有噪声，同时仪器测量装置加金属屏蔽外壳以屏蔽外界电磁干扰。如图6a、b、c所示，仪器测量装置对不同颗粒值的样品进行测量，采集颗粒图像，颗粒值由BYKMac 测出，分别为G＝3，G＝6，G＝9。
4、构建颗粒效果评价模型
纹理是在空间中具有一定规则周期性变化的图形，目前已有一些方法对纹理进行量化处 理。金属漆的颗粒效果被划分到纹理效果里，因此本申请使用纹理的评价方法来描述颗粒效 果，评价方法分别有距离为1的灰度共生矩阵(GLCM)的熵(ENT)、能量(ASM)、同质性(HOM)和相关性(COR)分别在0度、45度、90度、135度方向的标准差；灰度差分统 计(GLDS)的熵(ENT)、平均值(MEAN)、对比度(CON)、方向二阶矩(ASM)；分形 维数(FD)。仪器测量装置获取了56个样本的图像信息，截取图像中心256*256像素区域的 信息进行处理。用上述评价方法得到相关数值并与人眼视觉实验数据比较相关性。本申请所 有的拟合均使用二次拟合，相关性用R2表征，拟合结果如表1所示，拟合曲线如图7所示。
表1评价方法与拟合结果
从拟合结果可以看出，现有的评价模型得到的结果与视觉数据没有较好的相关性，不适 用于该仪器测量装置对金属漆颗粒效果的描述。
本申请采用方差表征图像表面的颗粒水平。方差用来衡量一组数据离散程度的度量，如 果将其应用在图像中，方差中的平均值就是图像的平均灰度，而整个图像的方差可以表征出 图像中各个像素对应的灰度值偏离平均灰度的程度。一个灰度值相同的图像，方差为0，对 应一幅没有任何颗粒的素色漆样本图像；如果样本有颗粒效果，方差随颗粒效果的粗糙程度 不同而变化。方差的计算公式如下：
式中，S2是方差值，
表示图像的平均灰度，Xi是每个像素的灰度值，n是总像素数。
使用方差对仪器测量装置获取样本的原始图像进行处理，将相机的曝光时间固定为 1000ms，获得了56个样本图像信息，经方差处理后与BYKMac数据拟合的相关性为0.0187， 与视觉数据的相关性为0.0149，处理结果不符合预期效果，如图8所示。
相机的曝光时间设定为固定值可以减少变量，保证样本图像是在相同的条件下获得，但 是各个图像的亮度分布不符合人眼感知。对方法进行改进，将相机的曝光时间设置为自动曝 光，自动曝光条件下可以将每个样本的图像灰度值控制在0到255之间，避免图像像素出现 曝光不足和过饱和的问题，获得的灰度图像较为均衡且符合人眼对亮度的感知。同样计算出 56个样本图像的方差值，此时计算出的方差值引入了时间变量，各个图像的积分时间不同使 得计算出的方差值之间没有可比性。为了消除时间变量的影响，将每个图像的方差值除以对 应的积分时间，计算公式如下：
式中，Gj是第j个样本的颗粒值，Xi是每个像素的灰度值，i表示第i个像素数，
表示图像的平均灰度，n是总像素数,tj是第j个样本的积分时间。
将计算所得颗粒值再次与BYKMac数据和视觉数据进行相关性比较，相关性分别为0.9329和0.877，如图9所示。测量装置得到的颗粒值与BYKMac数据和视觉数据均有较好 的相关性，表明该装置和方法能有效测量金属漆的颗粒效果。
通过本申请的测量装置和评价方法得到的颗粒值与BYKMac颗粒值和视觉数据均有较好 的相关性，分别为0.9329和0.877。与BYKMac的数据相关性表明，该测量装置和评价方法 可以充分达到与BYKMac相似的评价效果；与视觉数据相关性表明，该测量装置和评价方法 已经足够应用于实际使用。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发 明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的 技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换， 并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种材料表面效果测量装置，包括：光源(1)、积分球和摄像机模组(3)，其特征在于所述积分球为积分半球(2)，积分半球(2)顶部开设采样孔(4)，内部设有光源，底部设有测量口(6)，采样孔(4)外侧配合设置摄像机模组(3)，摄像机模组(3)包括黑白CMOS器件，且为自动曝光。
2.如权利要求1所述的一种材料表面效果测量装置，其特征在于所述积分半球(2)底部边缘对称设有一组光源(1)。
3.如权利要求2所述的一种材料表面效果测量装置，其特征在于所述光源(1)靠测量口(6)的一侧设有挡板(5)。
4.如权利要求1所述的一种材料表面效果测量装置，其特征在于所述黑白CMOS器件的型号是MT9V034。
5.如权利要求1所述的一种材料表面效果测量装置，其特征在于所述测量装置采用金属屏蔽外壳。
6.一种材料表面效果测量模型，其特征在于包括测量装置、纹理评价模块和方差计算模块，测量装置用于获取样本图像信息，经纹理评价模块得到评价数值，通过方差计算模块计算出样本图像的方差值并除以对应的积分时间得到样本的颗粒值，计算公式如下：
Gj是第j个样本的颗粒值，Xi是每个像素的灰度值，i表示第i个像素数，
表示图像的平均灰度，n是总像素数,tj是第j个样本的积分时间。
7.一种材料表面效果评价方法，其特征在于包括如下步骤：
S1，构建并测量样本，采用标准测量装置测量样本；
S2，将标准测量装置的测量结果与人眼视觉评价结果进行比较，验证两者相符程度；
S3，构建颗粒效果评价模型，测量装置获取样本图像信息，经纹理评价方法得到的数值，采用方差表征样本图像信息的颗粒水平，将计算出样本图像的方差值除以对应的积分时间，计算公式如下：
Gj是第j个样本的颗粒值，Xi是每个像素的灰度值，i表示第i个像素数，
表示图像的平均灰度，n是总像素数,tj是第j个样本的积分时间；
S4，将颗粒效果评价模型得到的颗粒值与标准测量装置的测量结果与人眼视觉评价结果进行比较，评价模型有效性。
8.如权利要求7所述的一种材料表面效果评价方法，其特征在于所述S2，根据标准测量装置测量的颗粒值将样本划分出一组参考样本，剩余样本作为待评估样本，抽取带评估样本置于参考样本间，通过人眼视觉测量装置评价待评估样本的颗粒度值，采用变异系数CV值评定人眼视觉测量装置评价结果的有效性，将标准测量装置的颗粒值与人眼视觉测量装置评价的颗粒度值进行二次拟合，得到相关系数。
9.如权利要求8所述的一种材料表面效果评价方法，其特征在于所述人眼视觉测量装置，包括积分球和光源，其特征在于积分球顶部设有观测孔、中部设有进光孔、底部设有测量孔，观测孔外侧设有套筒，套筒内侧设有吸光材料，进光孔内上下两侧设有挡板。
10.如权利要求7所述的一种材料表面效果评价方法，其特征在于所述S3，测量装置获取样本图像信息时，拍摄光源(1)未点亮时的暗场图像和光源(1)点亮时的样本图像，并将两个图像相减。
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| CN (1) | CN112053352B (zh) |
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| CN101915617A (zh) * | 2010-07-26 | 2010-12-15 | 武汉大学 | 一种光栅基彩虹全息图像色度检测评价方法 |
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| CN103424367A (zh) * | 2013-08-23 | 2013-12-04 | 杭州彩谱科技有限公司 | 基于d/8条件对光阱误差修正的颜色测量仪及实现方法 |
| CN110554054A (zh) * | 2019-09-05 | 2019-12-10 | 西安多维机器视觉检测技术有限公司 | 一种机夹式可转位车刀的三维刃口崩缺检测系统 |
-
2020
- 2020-09-10 CN CN202010946488.2A patent/CN112053352B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112053352B (zh) | 2024-03-15 |
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