CN113614497A - 双向纹理函数的生成 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于生成对象的双向纹理函数(BTF)的方法，所述方法至少包括以下步骤：使用基于相机的测量设备测量针对所述对象的初始BTF(103)，‑使用分光光度计针对预先给定数量的不同测量几何形状获取针对所述对象的光谱反射数据(105)，‑使初始BTF(103)适配于所获取的光谱反射数据(105)，从而获得优化的BTF(107)。本发明还涉及用于生成对象的双向纹理函数的相应系统。
Description
技术领域
本公开涉及一种用于生成对象，特别地物理汽车油漆样本的双向纹理函数(BTF)的方法。本公开还涉及相应系统和相应计算机系统。
背景技术
当前汽车油漆颜色设计过程基于施加于最常见的小平板的汽车油漆的物理样品。仅利用物理样品工作具有若干缺点。涂漆样品昂贵并且花费时间。另外，由于成本，仅涂漆小平板，并且很难从小样品推断涂层在不同形状(例如，车身)或不同灯光设置中看起来如何。汽车油漆常常被选择为具有随角异色效应的效应颜色，特别是由干涉和/或金属颜料(诸如金属片状颜料)或特殊效应片状颜料(诸如珠光片状颜料)引起的效应。
使用汽车油漆的外观的数字模型，在任意光照条件下，计算机生成施加于任意形状的汽车油漆的图像是可能的。双向纹理函数(BTF)表示这样的数字模型，其也可以获取汽车油漆的空间变化外观，诸如闪光。基于施加于对象的汽车油漆的计算机生成的图像，虚拟地评估汽车油漆的颜色的特征是可能的。
BTF是作为观看和照射方向(即，观看角度和照射角度)的函数的纹理外观的表示。其是基于图像的表示，因为要考虑的对象的表面的几何形状是未知且未测量的。BTF通常通过在可能的观看和照射方向的半球的采样处对表面进行成像来获取。BTF测量结果是图像的集合。BTF是6维函数。(Dana、Kristin J.、Bram van Ginneken、Shree K.Nayar、和JanJ.Koenderink.“Reflectance and Texture of Real-World Surfaces(现实世界表面的反射和纹理)”.ACM Transactions on Graphics 18，第1号(1999年1月1日)：1–34.https:// doi.org/10.1145/300776.300778.)
发明内容
直到现在，使用基于相机的测量设备测量用于颜色(油漆)的BTF。使用的基于相机的测量设备被配置为快速获取针对许多测量几何形状的反射数据。使用的设备还能够获取汽车油漆的空间变化方面，例如，效应颜料的闪光或结构化透明涂层的纹理。然而，已经发现，颜色信息对于颜色设计评论用例不是足够准确和可靠的。
因此，本公开的目标是更准确地提供颜色信息，特别是提供进一步优化测量的BTF的可能性。
分别通过独立权利要求的特征提供了用于生成对象的双向纹理函数的方法、系统和计算机系统。在从属权利要求中和在说明书中描述了要求保护的方法和系统的进一步的特征和实施例。
根据权利要求1，提供了一种生成对象的双向纹理函数(BTF)的方法，所述方法包括至少以下步骤：
-使用基于相机的测量设备测量针对所述对象的初始BTF，
-使用分光光度计针对预先给定数量(即，有限数量)的不同测量几何形状获取针对所述对象的光谱反射数据，
-使所述初始BTF适配于所获取的光谱反射数据，从而获得优化的BTF。
为了解决考虑到上文所提到的颜色准确度不足的问题，根据要求保护的方法，提出在第一步中使用基于相机的测量设备获取对象的初始BTF，特别是物理汽车油漆样品的初始BTF。然后，在第二步中，使用分光光度计，特别是手持式分光光度计对相同样品进行第二光谱测量。因此，获得针对少量(例如<25)测量几何形状的附加的更准确的光谱反射数据。初始BTF然后利用更准确但是稀疏的光谱反射数据增强。结果是获取颜色和空间变化外观的BTF，诸如汽车油漆样品的闪光，并且仍然是足够准确的。
根据要求保护的方法的一个实施例，基于相机的测量设备以不同观看角度、不同照射角度、不同照射颜色和/或针对不同曝光时间创建对象/样品的多个图像(照片)，从而提供考虑照射角度、观看角度、照射颜色和/或曝光时间的多种组合的多个测量数据。基于相机的测量设备可以是可商购的测量设备，诸如，例如，X-Rite
将涂有汽车油漆样品和透明涂层的小平板插入测量设备中，并且开始测量过程。从测量结果和后续后处理，获得初始BTF。
在所述后处理的过程中，具有不同照射颜色和不同曝光时间但具有相等照射角度和观看角度的图像/照片分别组合成具有高动态范围的图像。进一步地，校正到样品上的照片的视角。基于由照片和后处理获得的数据，确定初始BTF的参数。
根据要求保护的方法的进一步的实施例，使初始BTF适配于所获取的光谱反射数据，从而获得优化的BTF，包括将初始BTF分割为不同项，每个项包括一组参数，以及使用所获取的光谱反射数据单独优化每个项的参数。
由此，初始BTF被分割(划分)为两个主要项，第一项是均匀双向反射分布函数(BRDF)，该均匀双向反射分布函数(BRDF)仅取决于测量几何形状来描述对象(例如，汽车油漆样品)的反射特性；以及第二项是纹理函数，该纹理函数解释对象的空间变化外观，即，其添加观看和照射相关纹理图像。存储在模型中的纹理图像具有特性：平均而言，跨所有像素，RGB通道中的每一个中的强度之和是零。从远处观看时，汽车油漆的总体颜色印象不是由单个点处的颜色确定的，而是由更大区域的平均颜色确定的。由于上文所提到的特性，假定跨纹理图像的较大区域的平均颜色是零或接近于零。这允许在不改变总体颜色的情况下覆盖纹理图像。这也意味着在优化BTF时可以忽略纹理图像。
对于BTF的表示，使用首先由Rump等人引入的颜色模型(Rump,Martin,RalfSarlette,und Reinhard Klein.，，Efficient Resampling,Compression and Renderingof Metallic and Pearlescent Paint(金属和珠光油漆的高效重采样、压缩和渲染).“InVision,Modeling,and Visualization,11–18,2009年。)：
x:样品/对象的表面坐标
a:反照率或漫反射率
Sk:针对第k个Cook-Torrance瓣的权重
αk:针对第k个Cook-Torrance瓣的贝克曼(Beckmann)分布的参数
F0,k:针对第k个Cook-Torrance瓣的菲涅耳反射率
通常，双向反射分布函数(BRDF)是定义光如何在不透明表面上反射的四个实变量的函数。函数采用入射光方向
和出射方向
并且返回沿着
出射的反射辐射与从方向
入射在表面上的辐照度的比率。BRDF指任何材料(在本文中意味着对象，即，油漆样品)的光度数据的集合，该光度数据将描述作为照射角度和反射散射角度的函数的材料(对象)的光度反射光散射特性。BRDF描述了对象(特别是由对象包括的随角异色材料)的光谱和空间反射散射特性，并且提供了该材料的外观的描述，并且可以容易地从BRDF导出许多其他外观属性，诸如光泽、雾度和颜色。
通常，BRDF包括作为散射几何形状的函数的三个颜色坐标。在处理BRDF时，特定的光源和颜色系统(例如CIELAB)必须被指定并且包括有任何数据。
由本公开所提出的方法生成的BTF中包含的数据可以用于各种目的。绝对颜色或反射数据可以结合颜料混合物模型使用，以帮助配制包含效应片状颜料的油漆，以评估和确保在各种照射和观看条件下的颜色匹配，例如，在汽车车身与保险杠之间。
效应片状颜料包括金属片状颜料，诸如铝片、涂层铝片、铜片等。效应片状颜料还包括引起色调偏移的特殊效应片状颜料，诸如珠光颜料，诸如云母片、玻璃片等。
如从等式(1)可以认识到的，第一项，即，BRDF被划分为对应于颜色表
的第一子项和对应于强度函数
的第二子项。通过在第一优化步骤中优化颜色表的参数同时强度函数的参数保持恒定并且通过在第二优化步骤中优化强度函数的参数同时颜色表的参数保持恒定，来优化初始BTF的参数以使光谱反射数据与初始BTF之间的色差最小化。
光谱反射数据，即，光谱反射曲线仅针对有限数量的测量几何形状获取。每个这样的测量几何形状由特定照射角度/方向和特定观看角度/方向限定。光谱反射测量例如通过手持式分光光度计执行，诸如，例如，具有六个测量几何形状(-15°、15°、25°、45°、75°、110°的固定照射角度和观看/测量角度)的
具有十二个测量几何形状(两个照射角度和六个测量角度)的X-Rite
或X-Rite
(两个照射角度和高达十一个测量角度)。从这些测量设备获得的光谱反射数据比从基于相机的测量设备获得的颜色信息更准确。
根据要求保护的方法的实施例，为了针对每个光谱测量几何形状的第一优化步骤中的颜色表的优化，第一CIEL*a*b*值根据光谱反射数据(曲线)计算，以及第二CIEL*a*b*值根据初始BTF计算，以及a*和b*坐标中的校正向量通过从第一CIEa*b*值减去第二CIEa*b*值来计算，以及校正向量针对存储在颜色表中的完整观看和照射角度范围逐分量被内插和外推，内插的校正向量应用于针对存储在所述颜色表中的每个光谱测量几何形状的初始BTF CIEL*a*b*值，以及校正的BTF CIEL*a*b*值被变换为归一化(使得其和例如等于3)并且最终存储在颜色表中的线性sRGB坐标。
多级B样条内插算法(参见Lee,Seungyong,George Wolberg,und Sung YongShin.，，Scattered data interpolation with multilevel B-splines(具有多级B样条的分散数据内插)“.IEEE transactions on visualization and computer graphics 3,第3期(1997年):228–244.)可以用于校正向量的逐分量内插和外推。
根据要求保护的方法的又一实施例，为了在第二优化步骤中优化强度函数的参数，基于跨所有光谱反射测量几何形状的色差的和来定义成本函数。成本函数C(α,S,F0,a)根据以下等式跨所有反射测量几何形状定义：
G:光谱反射数据可用的一组测量几何形状
g:一组测量几何形状中的一个
ΔE(fTest,fRef):测量颜色fTest与fRef之间的差异的加权色差公式
α＝(α1,α2,α3):针对三个Cook-Torrance瓣的贝克曼分布的参数向量
S＝(S1,S2,S3):针对三个Cook-Torrance瓣的权重向量
F0＝(F0,1,F0,2,F0,3):针对三个Cook-Torrance瓣的菲涅耳反射向量
P(α,S,F0,a):罚函数
如等式(2)所指示的，成本函数可以由被设计为考虑特定约束的罚函数来补充，这样的约束优选地包括将参数值保持在有效范围内。
为了计算色差，在不同的光谱反射测量几何形状处评估初始BTF，以及使用加权色差公式(诸如，例如，DIN6157/2中定义的公式)将所产生的CIEL*a*b*与来自光谱反射测量的CIEL*a*b*值相比较，以及强度函数的参数使用非线性优化方法优化，例如Nelder-Mead-Downhill-Simplex方法，使得所述成本函数最小化。
根据又一实施例，重复/迭代运行第一和所述第二优化步骤以进一步提高优化的BTF的准确度。可以指定和预定义迭代次数。已经发现，三次迭代已经可以生成可靠的良好结果。
已经发现，优化的BTF比直接从基于相机的设备获得的初始BTF更准确。不仅对于提供附加光谱反射数据的少数(有限数量)光谱反射几何形状，而且对于完整照射和观看方向范围，情况是这样。
要求保护的方法和系统不仅适用于汽车油漆颜色设计过程，而且适用于可比较的过程，例如，在化妆品和电子产品中。
本公开还涉及一种用于生成对象的双向纹理函数(BTF)的系统，该系统包括：
-基于相机的测量设备，其被配置为测量针对所述对象的初始BTF，
-分光光度计，其被配置为针对预先给定数量的不同测量几何形状获取针对所述对象的光谱反射数据，
-计算设备，其分别与所述基于相机的测量设备和所述分光光度计通信连接，并且其被配置为经由相应通信连接接收针对所述对象的所述初始BTF和所获取的光谱反射数据，以及使所述初始BTF适配于所获取的反射数据，从而获得优化的BTF。
基于相机的测量设备可以是可商购的设备，诸如，例如，X-Rite
(总外观捕获)。基于相机的测量设备被配置为以不同的照射角度和不同的观看角度以及不同的照射颜色和不同的曝光时间获取对象/样品的图像/照片。具有不同照射颜色和曝光时间的图像可以组合成具有高动态范围的图像(HDR图像)。可以校正图像相对于对象/样品的视角。
分光光度计可以被选择为手持式分光光度计。分光光度计是多角度分光光度计。
对象可以是涂在面板上的汽车油漆样品或任何其他油漆，特别是包括诸如效应片状颜料的随角异色材料的油漆。
系统还可包括数据库，该数据库被配置为存储初始BTF、针对预定数量的不同测量几何形状的针对对象的光谱反射数据以及优化的BTF。计算设备可以与数据库通信连接以便检索初始BTF和针对预先给定数量的不同测量几何形状的针对该对象的光谱反射数据并且存储优化的BTF。那意味着在计算设备检索初始BTF和光谱反射数据以便使初始BTF适配于所获取的反射数据，因而获得优化的BTF之前，从基于相机的测量设备获得的初始BTF和由分光光度计获取的光谱反射数据可以首先存储在数据库中。在这样的场景中，基于相机的测量设备和分光光度计也可与数据库通信连接。因此，计算设备与基于相机的测量设备之间的通信连接以及计算设备与分光光度计之间的通信连接可以分别是直接连接或经由数据库的间接连接。每个通信连接可以是有线或无线连接。可以使用每个适合的通信技术。计算设备、基于相机的测量设备和分光光度计各自可以包括用于彼此通信的一个或多个通信接口。这样的通信可以使用有线数据传输协议来执行，诸如光纤分布式数据接口(FDDI)、数字用户线(DSL)、以太网、异步传输模式(ATM)或任何其他有线传输协议。可替代地，通信可以无线地经由无线通信网络使用各种协议中的任一种，诸如通用分组无线电服务(GPRS)、通用移动电信系统(UMTS)、码分多址(CDMA)、长期演进(LTE)、无线通用串行总线(USB)，和/或任何其他无线协议。相应通信可以是无线和有线通信的组合。
计算设备可以包括一个或多个输入单元或可以与一个或多个输入单元通信，诸如触摸屏、音频输入、运动输入、鼠标、键盘输入和/或类似物。进一步地，计算设备可以包括一个或多个输出单元或者可以与一个或多个输出单元通信，诸如音频输出、视频输出、屏幕/显示输出、和/或类似物。
本发明的实施例可以与计算机系统一起使用或并入计算机系统中，该计算机系统可以是独立单元或包括经由网络(诸如，例如，因特网或内联网)与例如位于云中的中央计算机通信的一个或多个远程终端或设备。如此，本文所描述的计算设备和相关组件可以是本地计算机系统或远程计算机或在线系统或其组合的一部分。本文所描述的数据库和软件可以存储在计算机内部存储器中或在非暂态计算机可读介质中。
当优化颜色表时，对于分光光度计的每个光谱反射测量几何形状，确定校正向量。校正向量结果分别作为来自初始BTF的BRDF部分的RGB通道中的反射辐射率和对于相同几何形状的光谱反射数据的差异。校正向量的计算在CIEL*a*b*颜色空间中执行。所产生的校正向量在颜色表的整个参数范围上逐分量进行内插。
要求保护的系统特别地被配置为执行要求保护的方法。
为了正确反映汽车油漆的纹理，BTF包括取决于照射和观看角度/方向的空间纹理图像表。
本公开还涉及计算机系统，包括：
-计算机单元；
-具有存储在非暂态计算机可读存储介质中的程序代码的计算机可读程序，当所述程序在所述计算机单元上执行时，所述程序代码使得所述计算机单元执行以下各项：
-获取和接收针对对象的初始BTF和针对所述对象的光谱反射数据，其中，所述初始BTF由基于相机的测量设备测量，以及所述光谱反射数据由分光光度计针对预先给定数量的不同测量几何形状而获取；
-通过相应地适配所述初始BTF的参数来使所述光谱反射数据与所述初始BTF相配，从而获得优化的BTF。
针对所述对象的初始BTF和针对所述对象的光谱反射数据可以分别通过(a)所述对象的测量结果或(b)来自包含所述对象的测量结果的数据库的对象的先前测量数据来获得。
本发明的进一步的方面将通过随附的权利要求中特别描述的元素和组合来实现和获得。将理解到，前述总体描述和以下详细描述仅是示例性和解释性的，而不是对如所描述的本发明的限制。
附图说明
图1示出了可以根据要求保护的方法的示例性实施例完成的过程的流程图。
具体实施方式
本公开提供了一种用于确定对象的BTF的方法和相关联的系统。图1提供了示出可以根据要求保护的方法和系统的各种实施例执行的过程的流程图。从步骤102开始，将对象放置在基于相机的测量设备中以用于测量对象的初始BTF 103。初始BTF 103被作为测量的结果而获得。在步骤104处，将对象放置在分光光度计中，该分光光度计被配置为针对预先给定数量的不同测量几何形状获取针对对象的相应光谱反射数据。因此，针对分光光度计的有限数量的不同测量几何形状，获得针对对象的光谱反射数据105(针对不同光谱测量几何形状的反射光谱)。当反射光谱(反射数据)已经在每个期望(预先给定)的测量几何形状处被获取时，在步骤106处，初始BTF 103通过相应地适配初始BTF的参数来适配于所获取的光谱反射数据105。因此，获得优化的BTF 107。
Claims (15)
1.一种用于生成对象的双纹理函数(BTF)的方法，所述方法至少包括以下步骤：
-使用基于相机的测量设备测量针对所述对象的初始BTF(103)，
-使用分光光度计针对预先给定数量的不同测量几何形状获取针对所述对象的光谱反射数据(105)，
-使所述初始BTF(103)适配于所获取的光谱反射数据(105)，从而获得优化的BTF(107)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基于相机的测量设备以不同观看角度、不同照射角度、针对不同照射颜色和/或针对不同曝光时间创建所述对象的多个图像，从而提供考虑照射角度、观看角度、照射颜色和/或曝光时间的多种组合的多个测量数据。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，具有不同照射颜色和不同曝光时间但具有相等照射角度和观看角度的图像分别组合成具有高动态范围的图像。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，使所述初始BTF(103)适配于所获取的光谱反射数据(105)，从而获得优化的BTF(107)，包括将所述初始BTF(103)分割为不同项，每个项包括一组参数，；以及使用所获取的光谱反射数据(105)单独优化每个项的参数。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述初始BTF(103)被分割为两个主要项，第一项是均匀双向反射分布函数(BRDF)，所述均匀双向反射分布函数(BRDF)仅取决于所述测量几何形状来描述所述对象的反射特性；以及第二项是纹理函数，所述纹理函数解释所述对象的空间变化外观。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一项被划分为对应于颜色表的第一子项和对应于强度函数的第二子项，以及通过在第一优化步骤中优化所述颜色表的参数同时所述强度函数的参数保持恒定并且通过在第二优化步骤中优化所述强度函数的参数同时所述颜色表的参数保持恒定，来优化所述初始BTF(103)的参数以使所述光谱反射数据(105)与所述初始BTF(103)之间的色差最小化。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，为了针对每个光谱测量几何形状的颜色表的优化，第一CIEL*a*b*值根据所述光谱反射数据(105)计算，以及第二CIEL*a*b*值根据所述初始BTF(103)计算，以及a*和b*坐标中的校正向量通过从所述第一CIEa*b*值减去所述第二CIEa*b*值来计算，且所述校正向量针对存储在所述颜色表中的完整观看和照射角度范围逐分量被内插和外推，内插的校正向量应用于存储在所述颜色表中的每个光谱测量几何形状的初始BTF(103)CIEL*a*b*值，以及校正的BTF CIEL*a*b*值被变换为归一化并且最终存储在所述颜色表中的线性sRGB坐标。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，多级B样条内插算法用于所述校正向量的逐分量内插和外推。
9.根据权利要求6至8中的任一项所述的方法，其中，为了优化所述强度函数的参数，成本函数基于跨所有光谱反射测量几何形状的色差的和来定义。
10.根据权利要求所述的方法9，其中，所述成本函数由被设计为考虑特定约束的罚函数来补充，这样的约束优选地包括将所述参数值保持在有效范围内。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述初始BTF(103)在所述不同的光谱反射测量几何形状处评估，以及使用加权色差公式将所产生的CIEL*a*b*值与来自所述光谱反射测量的CIEL*a*b*值相比较，以及所述强度函数的参数使用非线性优化方法优化，使得所述成本函数最小化。
12.根据权利要求6至11中的任一项所述的方法，其中，所述第一和所述第二优化步骤重复/迭代地运行以进一步提高所优化的BTF(107)的准确度，优选地，所述迭代次数是预定义的。
13.一种用于生成对象的双向纹理函数(BTF)的系统，所述系统包括：
-基于相机的测量设备，其被配置为测量针对所述对象的初始BTF(103)，
-分光光度计，其被配置为针对预先给定数量的不同测量几何形状获取针对所述对象的光谱反射数据(105)，
-计算设备，其分别与所述基于相机的测量设备和所述分光光度计通信连接，并且其被配置为经由所述相应通信连接接收针对所述对象的所述初始BTF和所获取的光谱反射(105)数据，以及使所述初始BTF(103)适配于所获取的反射数据(105)，从而获得优化的BTF(107)。
14.根据权利要求13所述的系统，其被配置为执行根据权利要求1至12中的任一项所述的方法。
15.一种计算机系统，包括：
-计算机单元；
-具有程序代码的计算机可读程序，当所述程序在所述计算机单元上执行时，所述程序代码使得执行以下各项：
-获取和接收针对对象的初始BTF(103)和针对所述对象的光谱反射数据(105)，其中，所述初始BTF(103)由基于相机的测量设备测量，以及所述光谱反射数据(105)由分光光度计针对预先给定数量的不同测量几何形状而获取；
-通过相应地适配所述初始BTF(103)的参数来使所述光谱反射数据(105)与所述初始BTF(103)相配，从而获得优化的BTF(107)。
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