CN113390831A - 一种全外貌双向反射分布特性测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全外貌双向反射分布特性测量方法，具体量测步骤如下：S1、根据测量需求调整方向性光源和样品的相对位置；S2、调整完成并储存数据后，方向性光源发出入射光投射至样品表面，经样品表面反射后形成反射光；S3、启动光谱仪测量不同角度待测反射光的反射光谱并储存数据；S4、判断是否需要继续测量不同角度入射光的反射光谱，若是，则进入步骤S1，若否，则进入步骤S5；S5、将标定有BRDF量值的标准白板放到与样品相同的条件下，测量标准白板的反射光谱；S6、根据标准白板反射光谱与BRDF量值的关系，从而换算出样品的BRDF量值。本发明提供了一种无需计算机模拟重建，测量直观高效，且测量结果精确稳定的全外貌双向反射分布特性测量方法。

Description

一种全外貌双向反射分布特性测量方法

技术领域

本发明涉及一种全外貌双向反射分布特性测量方法，特别是涉及一种全外貌双向反射分布特性测量方法。

背景技术

BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function，双向反射分布函数)是图形图像学中最核心的概念之一，它描述的是物体表面将光能量从任何一个入射方向反射到任何一个视点方向的反射特性，即入射光线经过某个表面反射后如何在各个出射方向上分布。由于光从不同角度投射至平坦物体表面时，物体表面凹凸不平之微结构，将一部分的光反射到不同的方向(包括镜向方向和光泽方向)，一部分的光被吸收，一部分光产生散射。为了可以模拟光经过物体表面后之交互作用现象，则需要量测双向反射分布函数BRDF。目前双向反射分布函数的测量方法，其中一种为应用CCD数码相机的成像式BRDF测量；该方法的优点在于：测试视野范围广，可以在一幅图像中得到多个测量数据，大大缩短了测量时间。缺点在于：测量结果不直观，反射系数算法通常都很复杂，对入射光源及被测物体的颜色或材质有所限制。另一种为利用光谱仪的光谱式BRDF测量。该方法因为具有测试结果直观，且实用性较强等优点，在BRDF 测量领域得到了广泛的应用。但是该测量方法尚有不足之处：由于入射光源多采用多波段的激光器、溴钨灯、卤钨灯或利用积分球生成的太阳光，溴钨灯或卤钨灯在发光强度和光源均匀性、稳定性方面仍有不足之处，影响快速综合测量精度；而且多采用样品固定，探测设备可动的方式，操作过程复杂繁琐，测量精度有待提高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种测量方式高效快捷，测量结果可稳定直观再现的全外貌双向反射分布特性测量方法。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种全外貌双向反射分布特性测量方法，具体量测步骤如下：

S1、根据测量需求调整方向性光源和样品的相对位置；

S2、调整完成并储存数据后，方向性光源发出入射光投射至样品表面，经样品表面反射后形成反射光；

S3、启动光谱仪测量不同角度待测反射光的反射光谱并储存数据；

S4、判断是否需要继续测量不同角度入射光的反射光谱，若是，则进入步骤S1，若否，则进入步骤S5；

S5、将标定有标准BRDF量值的标准白板放到与样品相同的条件下，测量相同条件下标准白板的反射光谱；

S6、根据测得的标准白板的反射光谱与BRDF量值之间的关系，从而将样品的反射光谱换算为标准BRDF量值。

进一步地，步骤S1中方向性光源的一端连接有标准灯箱，所述方向性光源的一端与标准灯箱的一侧可转动连接，定义样品的旋转中心到标准灯箱的距离为A，样品的旋转中心在标准灯箱上的投影与方向性光源的旋转中心之间的距离为B，方向性光源发出的入射光垂直于方向性光源的表面，定义入射光与样品旋转中心处竖直设置的中心线之间的夹角为β，β的范围为arctan(B/A)<β< 2*arctan(B/A)。

进一步地，定义步骤S1中样品旋转中心上的法线与中心线之间的夹角为α，定义当样品旋转中心上的法线和入射光位于中心线的顺时针方向时α和β为正，当样品旋转中心上的法线和入射光位于中心线的逆时针方向时α和β为负，α的范围为-(90°-β)＜α＜90°。

进一步地，定义待测反射光与中心线之间的夹角为γ，所述样品逆时针转动时，α为负，入射光天顶角为β-α,待测反射光天顶角为γ-α，所述样品顺时针转动时，α为正，若α＜β，入射光天顶角为β-α,待测反射光天顶角为γ-α；若α>β，则入射光的天顶角为α-β,待测反射光的天顶角为γ-α。

进一步地，所述光谱仪为可转动设置，所述光谱仪的旋转中心与样品旋转中心对应设置，所述光谱仪围绕其旋转中心可沿水平方向分别左右转动30度。

进一步地，所述方向性光源发出的入射光经样品表面反射后形成的反射光部分进入标准灯箱内，在标准光源环境下通过光谱仪测量不同角度待测反射光的反射光谱。

进一步地，所述方向性光源和样品均通过马达组件可转动地安装。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：本发明中采用的量测方法无需经过复杂详细的计算机模拟重建，让使用者可以具像化BRDF在现实中的观测情况，同时可以将被测样品与纹理、材质等其它特性相结合，实现对样品的全外貌BRDF 特性测量，突破传统单点式测量无法得到全外貌特性的限制，提供更加直观准确的测量结果；另外，由于光谱仪是在标准灯箱提供的标准光源环境下进行的反射光谱测量，避免了不同空间和环境对反射光谱的影响，测量精确稳定。

附图说明

图1为本发明的一种全外貌双向反射分布特性测量方法的原理示意图；

图2为本发明的一种全外貌双向反射分布特性测量方法的结构示意图；

图3为本发明的一种全外貌双向反射分布特性测量方法的位置结构示意图；

其中，1、样品；2、标准灯箱；3、方向性光源；4、光谱仪；5、中心线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

需要说明的是，在本发明的技术方案的描述中，为了清楚地描述本发明的技术特征所使用的一些方位词，例如“前”、“后”、“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”等均是按照本发明的附图方位而言的。

实施例

如图1和图2所示，本实施例的一种全外貌双向反射分布特性测量方法，具体量测步骤如下：

S1、根据测量需求调整方向性光源3和样品1的相对位置；样品1的表观颜色、纹理、材质等特性可根据具体需要进行选择；

S2、调整完成并储存数据后，方向性光源3发出入射光投射至样品1表面，经样品1表面反射后形成反射光；储存数据使用现有技术中的计算机系统储存。

S3、启动光谱仪4测量不同角度待测反射光的反射光谱并储存数据；

S4、根据测量需求判断是否需要继续测量不同角度入射光的反射光谱，若是，则进入步骤S1，若否，则进入步骤S5；一般测量过程中需测量两到三种不同的入射角度；

S5、将标定有标准BRDF量值的标准白板放到与样品1相同的条件下，测量相同条件下标准白板的反射光谱；

S6、根据测得的标准白板的反射光谱与BRDF量值之间的关系，从而将样品 1的反射光谱换算为标准BRDF量值。

具体地，本实施例的一种全外貌双向反射分布特性测量方法应用到一种全外观配色装置，该装置的具体结构参照专利公开号为CN112097912A，专利申请号为CN202011022913.5，发明专利名称为一种全外观配色方法及配色装置。如图2和图3所示，方向性光源3用于发射单一方向的平行光。方向性光源3的一端连接有具有观察孔的标准灯箱2，方向性光源3的一端与标准灯箱2的一侧可转动连接，且方向性光源3和样品1均通过马达组件可转动地安装，方向性光源3和样品1均可在水平方向上转动。样品1与标准灯箱2上具有观察孔的面相平行即为样品1的初始位置。定义样品1的旋转中心到标准灯箱2的距离为A，具体地，样品1的旋转中心位于标准灯箱2观察孔的中线上。方向性光源 3与样品1的旋转中心在标准灯箱2上的投影之间的距离为B，且方向性光源3 的宽度为B，方向性光源3发出的入射光垂直于方向性光源3的表面，定义入射光与样品1旋转中心处竖直设置的中心线5之间的夹角为β，根据三角形勾股定理可得，方向性光源3与标准灯箱2延长线之间的夹角为β，β的范围为 arctan(B/A)<β<2*arctan(B/A)。β的范围即为方向性光源3的旋转范围，当方向性光源3在这个范围内转动时，发出的平行光可以照射到样品1中心，从而使得反射光可以部分穿过标准灯箱2的观察孔进入标准灯箱2内。

定义步骤S1中样品1旋转中心上的法线与中心线5之间的夹角为α，定义当样品1旋转中心上的法线和入射光位于中心线5的顺时针方向时α和β为正，当样品1旋转中心上的法线和入射光位于中心线5的逆时针方向时α和β为负，如图3a所示，α和β均为正；如图3b所示，α为负，β为正；如图3c所示，α为正，β为负；α的范围为-(90°-β)＜α＜90°。当α位于上述范围内时，方向性光源3发出的平行光可以照射到样品1中心，从而使得反射光可以部分穿过标准灯箱2的观察孔进入标准灯箱2内。若α或β脱离上述规定范围，则方向性光源3发出的平行光无法照射到样品1中心，进而使得光谱仪4无法测量到待测反射光的反射光谱。

定义待测反射光与中心线5之间的夹角为γ，当样品1逆时针转动时，α为负，入射光天顶角为β-α,待测反射光天顶角为γ-α，样品1顺时针转动时，α为正，若α＜β，入射光天顶角为β-α,待测反射光天顶角为γ-α；若α>β，则入射光的天顶角为α-β,待测反射光的天顶角为γ-α。

光谱仪4为可转动设置，光谱仪4的旋转中心与样品1旋转中心对应设置，光谱仪4围绕其旋转中心可沿水平方向分别左右转动30度。

具体测量时，方向性光源3发出的入射光经样品1表面反射后形成的反射光部分通过观察孔进入标准灯箱2内，在标准光源环境下通过光谱仪4测量若干个不同角度待测反射光的反射光谱，具体测量待测反射光的数量根据测量具体需求而定。当方向性光源3固定入射角，且样品1旋转角度固定时，储存此时的方向性光源3入射角及样品1旋转角度的数据，然后启动光谱仪4测量不同反射角度的反射光谱并储存数据；然后改变方向性光源3的入射角或样品1 旋转角度，即改变照射到样品1表面的入射光的方向并储存数据，然后继续使用光谱仪4分别测量不同反射角度的反射光谱并储存数据；测量过程中，储存方向性光源3和样品1的角度数据，以及每个入射角度对应测量的不同反射角度数据，以及标准灯箱2的光源环境数据，便于在对照测量标准白板时实现同等条件测量。样品1测量完成后，通过将标准白板放到与样品1同等条件下测量反射光谱，即在相同入射角和相同反射角的条件下测量标准白板对应的反射光谱，并根据标准白板的反射光谱与其标定BRDF量值之间的对应关系，换算出样品1的BRDF量值。具体换算过程参照现有技术中的换算过程。

本发明的一种全外貌双向反射分布特性测量方法，无需经过复杂详细的计算机模拟重建，让使用者可以具像化BRDF在现实中的观测情况，同时可以将被测样品1与纹理、材质等其它特性相结合，实现对样品1的全外貌BRDF特性测量，突破传统单点式测量无法得到全外貌特性的限制，提供更加直观准确的测量结果。另外，由于光谱仪4是在标准灯箱2提供的标准光源环境下进行的反射光谱测量，避免了不同空间和环境对反射光谱的影响，测量精确稳定。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种全外貌双向反射分布特性测量方法，其特征在于，具体量测步骤如下：

S1、根据测量需求调整方向性光源(3)和样品(1)的相对位置；

S2、调整完成并储存数据后，方向性光源(3)发出入射光投射至样品(1)表面，经样品(1)表面反射后形成反射光；

S3、启动光谱仪(4)测量不同角度待测反射光的反射光谱并储存数据；

S4、判断是否需要继续测量不同角度入射光的反射光谱，若是，则进入步骤S1，若否，则进入步骤S5；

S5、将标定有标准BRDF量值的标准白板放到与样品(1)相同的条件下，测量相同条件下标准白板的反射光谱；

S6、根据测得的标准白板的反射光谱与BRDF量值之间的关系，从而将样品(1)的反射光谱换算为标准BRDF量值。

2.根据权利要求1所述的一种全外貌双向反射分布特性测量方法，其特征在于：步骤S1中方向性光源(3)的一端连接有标准灯箱(2)，所述方向性光源(3)的一端与标准灯箱(2)的一侧可转动连接，定义样品(1)的旋转中心到标准灯箱(2)的距离为A，样品(1)的旋转中心在标准灯箱(2)上的投影与方向性光源(3)的旋转中心之间的距离为B，方向性光源(3)发出的入射光垂直于方向性光源(3)的表面，定义入射光与样品(1)旋转中心处竖直设置的中心线(5)之间的夹角为β，β的范围为arctan(B/A)<β<2*arctan(B/A)。

3.根据权利要求2所述的一种全外貌双向反射分布特性测量方法，其特征在于：定义步骤S1中样品(1)旋转中心上的法线与中心线(5)之间的夹角为α，定义当样品(1)旋转中心上的法线和入射光位于中心线(5)的顺时针方向时α和β为正，当样品(1)旋转中心上的法线和入射光位于中心线(5)的逆时针方向时α和β为负，α的范围为-(90°-β)＜α＜90°。

4.根据权利要求3所述的一种全外貌双向反射分布特性测量方法，其特征在于：定义待测反射光与中心线(5)之间的夹角为γ，所述样品(1)逆时针转动时，α为负，入射光天顶角为β-α,待测反射光天顶角为γ-α，所述样品(1)顺时针转动时，α为正，若α＜β，入射光天顶角为β-α,待测反射光天顶角为γ-α；若α>β，则入射光的天顶角为α-β,待测反射光的天顶角为γ-α。

5.根据权利要求4所述的一种全外貌双向反射分布特性测量方法，其特征在于：所述光谱仪(4)为可转动设置，所述光谱仪(4)的旋转中心与样品(1)旋转中心对应设置，所述光谱仪(4)围绕其旋转中心可沿水平方向分别左右转动30度。

6.根据权利要求5所述的一种全外貌双向反射分布特性测量方法，其特征在于：所述方向性光源(3)发出的入射光经样品(1)表面反射后形成的反射光部分进入标准灯箱(2)内，在标准光源环境下通过光谱仪(4)测量不同角度待测反射光的反射光谱。

7.根据权利要求1所述的一种全外貌双向反射分布特性测量方法，其特征在于：所述方向性光源(3)和样品(1)均通过马达组件可转动地安装。

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