JP2002340797A - 反射特性計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自然環境下で被写体の反射特性を計測するこ
とが可能な技術を提供することである。 【解決手段】 測定対象を撮影する撮影手段と、前記撮
影手段と前記測定対象との距離を計測する計測手段とを
有し、前記計測手段により計測された距離と前記測定対
象の撮影画像とから前記測定対象の反射特性を計測する
反射特性計測装置において、前記撮影画像から前記測定
対象表面の陰の部分を検出する日陰検出手段と、異なる
時刻に撮影した少なくとも２枚の撮影画像から計測時の
太陽の方向および相対光強度を推定する方向強度演算手
段と、前記方向強度演算手段により推定された太陽の方
向および相対光強度から前記測定対象表面の近似反射率
を推定する反射特性推定手段とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、反射特性計測装置
に関し、特に、自然環境下での被写体の反射特性の計測
に適用して有効な技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】３次元コンピュータグラフィックスで映
像を作成する場合、被写体の形状および表面の反射特性
（テクスチャ）を作成し、これらを仮想空間に配置して
描画する必要があった。被写体形状および表面の反射特
性を作成することは非常に煩雑の作業が必要となり、現
実味のあるリアルな３次元コンピュータグラフィックス
の映像を作成するためには作成者の高い能力や膨大な作
業時間が必要となっていた。この問題を解決する方法と
して、自然界での被写体の反射特性を計測する技術があ
った。

【０００３】従来の反射特性を計測方法は、例えば暗室
に被写体を設置し、光源情報のわかるものを一点に設置
した環境下で、その設置位置が既知である計測装置によ
って計測するものであった。すなわち、従来の被写体表
面の反射特性の推定方法は、限定された照明条件で計測
した計測値に基づいて推定するものであった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、前記従来
技術を検討した結果、以下の問題点を見いだした。

【０００５】従来の反射特性の計測方法では、暗室内に
被写体を配置する必要があったので、暗室よりも大きい
被写体の反射特性は計測することができないという問題
があった。

【０００６】このために、自然環境下すなわち太陽光下
で反射特性を計測する方法が考えられるが、太陽光に照
射される被写体の反射特性を計測するためには、被写体
に照射される太陽光の方向すなわち太陽方向が必要であ
った。太陽方向の推定方法では、太陽そのものが何にも
遮蔽されず直接観測できる場所では、その方位を水平お
よび方角などの方向の基準を設け、この基準に対する相
対角度として目視あるいは撮像装置などを用いて計測を
行うことが可能であった。しかしながら、自然景観で
は、山岳や建造物などにより太陽が遮蔽されてしまい、
太陽の正確な方向の計測ができない場合があった。

【０００７】また、観測地点に対する太陽の軌跡は、日
付・時刻、正確な位置、正確な方位が既知であれば計算
により推定が可能であった。しかしながら、方位につい
てはＧＰＳや方位磁石を用いても正確に計測すること
は、不可能であった。特に、方位磁石は、山岳や建造物
によって地磁気が影響を受けるために誤差が大きくなっ
てしまうという問題があった。また、方位磁石は緯度に
よって地磁気の振る舞いが異なるために、緯度毎に方位
磁石の補償をしなくてはならないが緯度を正確に把握す
るには別途計測する必要があり作業が煩雑になってしま
うという問題があった。

【０００８】本発明の目的は、自然環境下で被写体の反
射特性を計測することが可能な技術を提供することにあ
る。

【０００９】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
になるであろう。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
下記のとおりである。

【００１１】測定対象を撮影する撮影手段と、前記撮影
手段と前記測定対象との距離を計測する計測手段とを有
し、前記計測手段により計測された距離と前記測定対象
の撮影画像とから前記測定対象の反射特性を計測する反
射特性計測装置において、前記撮影画像から前記測定対
象表面の陰の部分を検出する日陰検出手段と、異なる時
刻に撮影した少なくとも２枚の撮影画像から計測時の太
陽の方向および相対光強度を推定する方向強度演算手段
と、前記方向強度演算手段により推定された太陽の方向
および相対光強度から前記測定対象表面の近似反射率を
推定する反射特性推定手段とを備えた。

【００１２】前述した手段によれば、日陰検出手段が撮
影画像から測定対象表面の陰の部分を検出し、方向強度
演算手段が日陰検出手段が検出した領域情報と異なる時
刻に撮影した少なくとも２枚の撮影画像とから計測時の
太陽の方向および相対光強度を推定し、反射特性推定手
段が方向強度演算手段により推定された太陽の方向およ
び相対光強度から測定対象表面の近似反射率を推定する
ので、その装置を撮影する場所に設置するだけで、撮影
と同時に太陽の方向を推定することが出来るので、作業
が簡便となる。さらに、計測時固有の光源の影響を含ま
ない被写体表面反射係数として出力されるので、ＣＧ等
にそのまま利用することができるという格別の効果を得
ることもできる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明について、発明の実
施の形態（実施例）とともに図面を参照して詳細に説明
する。

【００１４】なお、発明の実施の形態を説明するための
全図において、同一機能を有するものは同一符号を付
け、その繰り返しの説明は省略する。

【００１５】（全体構成）図１は本発明の一実施の形態
である反射特性計測装置の概略構成を説明するための図
である。ただし、以下の説明では、ＲＧＢ画像・奥行き
情報計測部１０２を除く他の構成は、例えばパーソナル
コンピュータ等の周知の情報処理装置上で動作するプロ
グラム及びこの情報処理装置に接続される外部記憶装置
等により構成される場合について説明するが、それぞれ
を専用の回路を用いて構成してもよいことはいうまでも
ない。

【００１６】図１から明らかなように、本実施の形態の
反射特性計測装置は、自然環境下すなわち太陽光により
照射される被写体を撮影するＲＧＢ画像・奥行き情報計
測部１０２と、ＲＧＢ画像・奥行き情報計測部１０２で
撮影された被写体像を格納する記憶部１０３と、この記
憶部１０３に格納された被写体像を読み出して被写体の
各部が日向か日陰かの判定を行う日陰検出部１０４と、
異なる時刻で撮影された被写体像から撮影時の太陽方向
及び被写体表面での反射光強度を演算する太陽方向・相
対光強度検出部１０５と、被写体像から太陽からの直接
光以外の光源である天空光や環境光を演算する天空光・
環境光検出部１０６と、天空光・環境光検出部１０６の
演算した天空光や環境光に基づいて被写体像の反射率等
の反射特性を演算する近似反射特性検出部１０７と、全
体の動作を制御する制御部１０１とから構成される。

【００１７】このように、本実施の形態の反射特性計測
装置は、太陽の方向および光強度を求める部分と、被写
体の反射係数を求める部分との２つの部分から構成され
る。

【００１８】太陽の方向・光強度を求める部分（本実施
の形態の反射特性計測装置では、日陰検出部１０４と太
陽方向・相対光強度検出部１０５とに相当する）では、
太陽の光線が直接当たっている部位と、当たっていない
部位では被写体へ入射する光の色温度が異なる点を利用
するものである。すなわち、色温度の傾向は被写体表面
の方向によって異なり、太陽に正対するほど太陽自身の
色温度が支配的となるが、太陽に正対しない方向ほど太
陽光自身の色温度からかけ離れるという現象を利用する
ものである。

【００１９】また、太陽の方向・光強度を求める部分で
は、色温度の太陽光の色温度からのかけ離れ方が、被写
体表面に対する太陽の方向と被写体表面の法線との成す
角度が同じ場合であっても、入射光は太陽からの直接光
のみではなく多重反射した間接光が含まれており、この
間接光が支配的となるためにその色温度は部位毎に異な
るという現象を利用するものである。

【００２０】さらには、太陽の方向・光強度を求める部
分では、動かない景観などを定点から異なる時刻で観測
した画像（被写体の同じ部位でも太陽光の入射角度が異
なる画像）を比較すると、被写体表面の法線方向が太陽
の方向に近い場合とそれ以外とで傾向が特徴的に異なる
という現象を利用するものである。具体的には、被写体
表面の同じ部位で比較し法線毎に傾向を調べた結果、２
つの異なる時間の太陽方向近傍の法線方向で一定の傾向
を示すという現象を利用するものである。

【００２１】以上の傾向をもとに、日陰検出部１０４と
太陽方向・相対光強度検出部１０５とは、計測時に発生
する外乱を統計的手法により低減させつつ、日陰である
被写体表面部分の判断を行い、安定に太陽の方向及び光
強度を推定する。

【００２２】日陰検出部１０４と太陽方向・相対光強度
検出部１０５とによって、太陽の方向・光強度が既知と
なると、太陽からの直接光以外の光源である天空光や環
境光を導出できれば被写体の反射率が導出できることと
なる。

【００２３】従って、本実施の形態の反射特性計測装置
では、被写体の反射係数を求める部分を構成する天空光
・環境光検出部１０６が天空光や環境光を求めた後に、
近似反射特性検出部１０７が得られた天空光や環境光に
基づいて、被写体の反射係数を求めるものである。

【００２４】まず、被写体の反射係数を求める部分を構
成する天空光・環境光検出部１０６が、天空光や環境光
を太陽の状態に依存した一定値とみなし、太陽の方向の
異なる２種類の観測画像から得られる連立方程式を被写
体の狭い範囲毎に解法し、その平均値を導出する。この
値を天空光・環境光による入射光量とし被写体の反射率
を導出するものである。このとき、天空光・環境光検出
部１０６は、天空光や環境光による被写体への入射光量
は被写体表面の近傍同士では変化が少ないという現象を
利用するものである。なお、２種類の観測画像から得ら
れる連立方程式の詳細については、後述する。

【００２５】従って、被写体の反射係数を求める部分を
構成する天空光・環境光検出部１０６が、太陽の方向の
異なる２種類の観測画像から得られる連立方程式を被写
体の狭い範囲ずつで解法し、全体としてその分布が滑ら
かになるようなフィルタ処理を行い、被写体の反射係数
を求める部分を構成する近似反射特性検出部１０７が得
られた天空光・環境光による入射光量として、被写体の
反射率を導出するものである。以上の原理に基づき被写
体表面の近似反射特性とする。

【００２６】このように、本実施の形態の反射特性計測
装置では、屋外の広範な領域を撮影できるような定点に
本装置を設置し、昼間の異なる時刻に２回以上計測する
ことで景観に含まれている建造物などの被写体表面の反
射係数を出力する。

【００２７】なお、本実施の形態の反射特性計測装置で
は、２枚の画像により反射率を求める構成とするが、２
枚以上の画像を用いることで計測精度の向上を図れる。
例えば３枚の画像Ａ，Ｂ，Ｃを用いた場合では、まず、
画像ＡＢを処理する。次に、画像ＢＣを処理する。この
後に、求まったそれぞれの結果である反射率の平均値を
求める。以上で、計測精度を向上することが可能であ
る。

【００２８】次に、本実施の形態の反射特性計測装置の
各部の詳細構成を説明する。

【００２９】（ＲＧＢ画像・奥行き情報計測部）本実施
の形態では、全周囲（あるいは一部）の画像および奥行
き情報を異なる時刻に２組以上計測する必要があるが画
像の撮影手法、奥行き情報の計測手法には依らない。し
たがって画像の撮影についてはＣＣＤカメラや撮像管カ
メラなどの手法が利用できる。もちろん、二次元画像と
して撮影を行うが二次元の撮像素子に限らず、１点計測
の受光素子を二次元的に走査することや１次元のアレイ
状の受光素子を走査することでも可能である。但し色温
度の比較を行うため２色以上に分光して撮影する必要が
ある。本実施例ではＲＧＢの３色に分光して撮影を行
う。

【００３０】また奥行き情報についてもステレオカメラ
に依る手法や、レーザ光線などの光源を照射し反射して
きた光線の飛行時間により計測する手法や、レーザ光線
を照射し一方でカメラなどでその模様を観測し三角測量
的に計測する手法などでも可能である。本実施例では奥
行き情報については赤外域レーザのスポット光を照射し
被写体で反射してきた反射光を赤外域に感度を持つ受光
素子Ａで観測しその飛行時間で奥行きを求める。レーザ
光線および受光素子は同一光軸で水平垂直に二次元で走
査し周囲の広域を計測する。

【００３１】ＲＧＢ画像についても、同一光軸にプリズ
ムで赤、青、緑に分光し同時に受光素子Ｂ，Ｃ，Ｄによ
り観測する。したがってサンプリングされたＲＧＢ画
像、奥行き情報は１対１に対応する。

【００３２】以上のＲＧＢ画像・奥行き情報計測部１０
２によりＲＧＢ画像と奥行き情報を計測し、次段の記憶
部１０３に蓄積される。この際、記憶部１０３には２つ
の異なる時刻のＲＧＢ画像、奥行き情報の対が蓄積され
るが合わせて計測時の時刻も記憶される。これらのきっ
かけは制御部１０１から受け取った制御信号のタイミン
グである。

【００３３】なお、奥行き情報すなわち被写体とカメラ
との距離の計測については、例えば図８に示すように、
レーザ光源８０１から出射されたレーザ光を第１のコリ
メータレンズ８０２及びハーフミラー８０３を介して被
写体８０４に照射する。被写体８０４に照射されたレー
ザ光（出射光）は、被写体８０４の表面で反射されるこ
ととなる。従って、この反射されたレーザ光（反射光）
を光軸に対して傾斜配置されたハーフミラー８０３で反
射して、第２のコリメータレンズ８０５を介して、受光
素子Ａ８０６で検出することによって、レーザ光の飛行
時間により被写体８０４とレーザ光源８０１が配置され
るカメラとの距離が計測される。

【００３４】（記憶部）記憶部１０３は、計測されたＲ
ＧＢ画像、奥行き情報、計測時刻を蓄積する手段であ
る。また、記憶部１０３は、各部で処理された情報（日
陰検出結果、太陽方向・相対光強度検出結果、天空光・
環境光検出結果）も蓄積する。特に、本実施の形態で
は、本実施の形態の反射特性計測装置を構成する情報処
理装置が有する外部記憶装置を用いることによって、記
憶部１０３を構成する。

【００３５】（日陰検出部）日陰検出部１０４は、日向
か日陰かの判定を行う手段である。日向部分への入射光
線は太陽光線の色温度が支配的となる。一方、日陰への
入射光線の色温度は太陽光線が周囲の被写体に多重反射
して入射する成分が多くなることから、周囲の被写体の
表面色に依存する。よって、日陰への入射光線の色温度
は場所毎に異なる傾向にある。日陰検出部１０４は以上
の傾向を利用している。

【００３６】被写体表面の一部について考えた場合、時
刻Ｔ１に観測されるＲＧＢ値をＩＴ１、時刻Ｔ２に観測
されるＲＧＢ値をＩＴ２とする。それぞれの入射光をＩ
ｉｎＴ１、ＩｉｎＴ２、反射係数をＫ、それぞれの入射
角度をθＴ１，θＴ２とする。観測されるＲＧＢ値は、
それぞれ下記の数１となる。

【００３７】

【数１】ＩＴ１＝ＩｉｎＴ１×Ｋ×ｃｏｓθＴ１ ＩＴ２＝ＩｉｎＴ２×Ｋ×ｃｏｓθＴ２ ここで、ＩＴ１，ＩＴ２，ＩｉｎＴ１，ＩｉｎＴ２は
Ｒ，Ｇ，Ｂの各輝度値を表している。また、ＫはＲ，
Ｇ，Ｂ各帯域毎の反射係数である。それぞれの帯域成分
毎に小文字の添え字として付け表した場合、下記の数２
で表されるが、簡潔に説明するため上式の様に表すこと
とする。

【００３８】

【数２】ＩＴ１ｒ＝ＩｉｎＴ１ｒ×Ｋｒ×ｃｏｓθＴ１ ＩＴ１ｇ＝ＩｉｎＴ１ｇ×Ｋｇ×ｃｏｓθＴ１ ＩＴ１ｂ＝ＩｉｎＴ１ｂ×Ｋｂ×ｃｏｓθＴ１ ＩＴ２ｒ＝ＩｉｎＴ２ｒ×Ｋｒ×ｃｏｓθＴ２ ＩＴ２ｇ＝ＩｉｎＴ２ｇ×Ｋｇ×ｃｏｓθＴ２ ＩＴ２ｂ＝ＩｉｎＴ２ｂ×Ｋｂ×ｃｏｓθＴ２ この数２は経験的に反射をモデル化した式でＬａｍｂｅ
ｒｔの余弦則と呼ばれるものである。実際の反射では被
写体表面では拡散反射と鏡面反射が起こっているが、Ｌ
ａｍｂｅｒｔの余弦則は拡散反射を表したものである。
本実施の形態の日陰検出部１０４では、自然景観を広範
囲に撮影している画像が鏡面反射成分に対して拡散反射
成分の方が極めて支配的になるので、鏡面反射成分を省
略し上式でモデル化している。

【００３９】また、ＩＴ１、ＩＴ２の比は、下記の数３
で表される。

【００４０】

【数３】ＩＴ１／ＩＴ２＝ＩｉｎＴ１×Ｋ×ｃｏｓθＴ
１／ＩｉｎＴ２×Ｋ×ｃｏｓθＴ２ 以上の数３は被写体からの反射光が拡散反射のみの場合
であるが、本実施の形態の日陰検出部１０４では、拡散
反射のみで近似している。Ｔ１≒Ｔ２とするとｃｏｓθ
Ｔ１／ｃｏｓθＴ２は１に近い値となる。よって、下記
の数４と表せる。

【００４１】

【数４】ＩＴ１／ＩＴ２≒ＩｉｎＴ１／ＩｉｎＴ２ これはＲＧＢ画像で考えた場合にそれぞれの成分をそれ
ぞれの帯域成分毎に小文字の添え字として付け表した場
合、下記の数５となる。

【００４２】

【数５】 ＩＴ１ｒ／ＩＴ２ｒ≒ＩｉｎＴ１ｒ／ｌｉｎＴ２ｒ ＩＴ１ｇ／ＩＴ２ｇ≒ＩｉｎＴ１ｇ／ｌｉｎＴ２ｇ ＩＴ１ｂ／ＩＴ２ｂ≒ＩｉｎＴ１ｂ／ＩｉｎＴ２ｂ つまり観測されたＲＧＢ画像の比がその部位への入射光
のＲ，Ｇ，Ｂ各帯域毎の比となる。このＲＧＢ各帯域毎
の比を入射光の色温度の比較に用いることが出来る。本
実施の形態での比較および日向・日陰の判定方法は、以
下の通りである。

【００４３】観測されたＲＧＢ画像から求めたＲＧＢ各
値の比をそれぞれの強度を各軸とする３次元空間に正規
化してプロットする。ここでそれぞれの強度は正の値と
する。この点から座標（１，１，１）までの距離を求め
る。これを画像全域にわたって行う。さらに被写体の法
線毎に分類し、それぞれの法線方向ごとに分散の度合い
を評価値として求める。

【００４４】ここで用いる法線は、記憶部１０３に蓄積
されている奥行き情報から算出する。この時、日陰ほど
色温度の比は分散するので、分散の大きい法線方向から
１８０度半球状に日陰となる。

【００４５】評価値の算出には統計学的に分散の度合い
を求められるが、その手法については本発明では限定し
ない。本実施の形態では例えば標準偏差を用いた。ま
た、日陰の１８０度分の決定方法については、本手法で
は、評価値の分散の度合いが大きいものから順番に並べ
て、先頭から半数分を取り出し、その平均値を求め、そ
の法線方向から１８０度半球状に日陰と決定している。

【００４６】以上の処理を行い日陰部分と判定された法
線方向を記憶部１０３に記録する。

【００４７】（太陽方向・相対光強度検出部）太陽方向
・相対光強度検出部１０５は、まず太陽の方向から検出
を行う。

【００４８】異なる時刻で計測された画像の輝度比はシ
ミュレーションで計測した結果、図２のようになる。こ
の図２は、被写体表面の法線方向を極座標で表してい
る。これらの輝度比をヒストグラムで表すと、図３のよ
うになる。ヒストグラム上のピーク付近は図４上で異な
る時刻での太陽を結んだ直線を考えると、図４のように
その中点の垂線（以下、「直線Ａ」と記す）にそってラ
グビーボール状に分布している。長さはラグビーボール
の長手方向に１８０度の長さである。直線Ａの１８０度
分を線分Ｂとする。よって輝度比をヒストグラム上で評
価を行う。

【００４９】計測を行ったＲＧＢ画像・奥行き情報全域
にわたって輝度比を算出し法線毎に集めて平均値を算出
する。この平均値をヒストグラムで表しピーク付近のみ
を選択する。この結果の一例を示したのが図５である。
ピーク付近のみの結果を結果Ａとする。さらに、結果Ａ
に対し日陰検出部１０４で検出された日陰方向の情報を
記憶部１０３より取り出しマスクを行う。マスクを行っ
た結果例を図６に示す。この結果を結果Ｂとする。

【００５０】このようにして求まった結果Ｂより、図４
で示したラグビーボール状の部分に相当する部分を抽出
する。本実施の形態では、地球を基準に考えると太陽が
地球の緯度方向に沿って回転している。つまり、図４の
線分Ｂは水平線に必ず交わる。よって、結果Ｂで水平線
方向に着目すると、水平線と線分Ｂとの交点付近でヒス
トグラムのピークが存在する。そこで、水平線上での重
心を求め交点とする。

【００５１】交点を含み１８０度分の分布を検出する処
理は、本実施の形態では結果Ｂを３次元の球体に対応す
る法線方向毎にプロットし、交点を基準に平面に平行投
影したグラフをプロットする。但し、球体の表面にプロ
ットしたとした場合に、交点がある表面のみを投影し、
交点のある表面の反対側は投影しない。この結果の一例
を示したのが、図７である。

【００５２】ただし、直線Ａ及び線分Ｂにそれぞれ対応
する部分は、図７の中心を通る直線と常に重なることと
なる。しかしながら、測定誤差等の外乱を含んでいるの
で、図７に示すような濃度分布となる。そこで周知の統
計的手法である回帰直線により直線Ａに対応する直線を
求める。

【００５３】従って、図７に示す結果から直線Ａを検出
するには統計手法である回帰直線により求めることがで
きる。求まった直線を直線Ｃとする。

【００５４】直線Ｃに対し線分Ｂを求めるには、直線Ｃ
上の各位置に対して、各位置を含む同心円上で各位置か
ら一定の角度分の頻度を求め、１８０度分の頻度の総和
が最大となる線分を求める。本実施の形態では単純なア
ルゴリズムである総当りによって、頻度の総和が最大と
なる１８０度分の線分Ｂを決定している。

【００５５】決定された線分Ｂの中間点をまず求める。
次に、２回計測した時間間隔をもとに直線Ｃに垂直に移
動して求まる位置（位置Ａ，位置Ｂ）が太陽の方向とし
て決定される。決定された位置Ａ，位置Ｂは記憶部１０
３に記録される。

【００５６】ＲＧＢ画像は入射角度に応じた被写体から
の反射光強度である。よって、位置Ａおよび位置Ｂ並び
に奥行き情報から被写体表面への入射角度が推定でき
る。

【００５７】先に示した数３すなわち下記に示す数６よ
り、数７が導ける。

【００５８】

【数６】ＩＴ１／ＩＴ２＝ＩｉｎＴ１×Ｋ×ｃｏｓθＴ
１／ＩｉｎＴ２×Ｋ×ｃｏｓθＴ２

【００５９】

【数７】ＩＴ１／ＩＴ２＝ＩｉｎＴ１×ｃｏｓθＴ１／
ＩｉｎＴ２×ｃｏｓθＴ２ 変数であるＩＴ１，ＩＴ２，θＴ１，θＴ２を埋めると
ＩｉｎＴ１およびＩｉｎＴ２の比となる。この比を相対
値ＲＡとする。この値ＲＡが太陽の相対光強度となる。
この相対光強度は記憶部１０３に記録される。

【００６０】（天空光・環境光検出部）天空光・環境光
による影響を照明条件毎に一律とすると、異なる時刻に
計測されたＲＧＢ画像上でそれぞれＥ１，Ｅ２と表す。
観測されたＲＧＢ画像は、それぞれ下記の数８となる。

【００６１】

【数８】 Ｉｔ１＝ＩｉｎＴ１×Ｋ×（ｃｏｓθＴ１＋Ｅ１） Ｉｔ２＝ＩｉｎＴ２×Ｋ×（ｃｏｓθＴ２＋Ｅ２） よって、その比は下記の数９となる。

【００６２】

【数９】Ｉｔ１／Ｉｔ２＝ＩｉｎＴ１×Ｋ×（ｃｏｓθ
Ｔ１＋Ｅ１）／ＩｉｎＴ２×Ｋ×（ｃｏｓθＴ２＋Ｅ
２） ここで、Ｉｔ１／Ｉｔ２を便宜上ＲＢとすると、下記の
数１０となる。

【００６３】

【数１０】ＲＢ／ＲＡ＝（ｃｏｓθＴ１＋Ｅ１）／（ｃ
ｏｓθＴ２＋Ｅ２） 数１０において、ＲＢ／ＲＡをＲＣとすると、下記の数
１１となる。

【００６４】

【数１１】 ＲＣ×（ｃｏｓθＴ２＋Ｅ２）＝ｃｏｓθＴ１＋Ｅ１ ＲＣ×ｃｏｓθＴ２＋ＲＣ×Ｅ２＝ｃｏｓθＴ１＋Ｅ１ ＲＣ×ｃｏｓθＴ２−ｃｏｓθＴ１＝Ｅ１−ＲＣ×Ｅ２ ここで未知数はＥ１とＥ２の２つのみである。したがっ
て方程式が２つ以上あれば解法可能である。

【００６５】左辺およびＲＣは被写体の表面毎に異なる
ため容易に２つ以上の連立方程式が成り立つ。

【００６６】連立方程式は記憶部１０３の日陰情報を用
い日向のみの被写体部分を用いて立てる。本実施の形態
では、計測したＲＧＢ画像を横に順次走査し先に出てき
た日向の被写体部分を順に２つ選び、一組の連立方程式
としているが、本発明はこの選択方法を限定せず、例え
ば乱数発生器によりＲＧＢ画像の座標を繰り返し決定
し、該当した座標が日向であるか否かを判定し日向の座
標を２組選択する。次の選択時にはすでに選択されたも
のを除外して繰り返し選択を行い連立方程式を立ててい
くことによっても実現可能である。

【００６７】記憶部１０３の日陰情報を用い日向のみの
被写体部分を用いて、以上の連立方程式を複数立ててＥ
１，Ｅ２が導出できるが、これらはノイズや太陽方向・
相対光強度の精度の影響を受けてノイズを含む。よっ
て、本実施の形態では複数求まったＥ１，Ｅ２の平均値
を真のＥ１，Ｅ２とし記憶部１０３に記録する。平均値
による導出方法を導出方法Ａとする。

【００６８】本実施例では平均値を用いているが、前述
するように、狭い範囲ずつでＥ１，Ｅ２を解法し、全体
としてその分布が滑らかになるような平滑化処理を行い
被写体各部位への天空光・環境光による入射光量とす
る。この場合導出方法Ａより正確な値となるが処理時間
を必要とする。この導出方法を導出方法Ｂとする。

【００６９】（近似反射特性検出部）記憶部１０３に記
録されたＥ１，Ｅ２を用い近似反射特性Ｋを算出する。
日向部分では、下記の数１２を用いて、被写体各部位に
おいて計算する。

【００７０】

【数１２】 ＩＴ１＝ＩｉｎＴ１×Ｋ×（ｃｏｓθＴ１＋Ｅ１） ＩＴ２＝ＩｉｎＴ２×Ｋ×（ｃｏｓθＴ２＋Ｅ２） さらにそれぞれで求まったＫの平均値を真のＫとする。

【００７１】天空光・環境光検出部１０６で導出方法Ａ
により導出した場合、Ｅ１，Ｅ２は平均値を用いる。

【００７２】導出方法Ｂの場合は注目する被写体部位に
対応するＥ１，Ｅ２を用いる。

【００７３】日陰部分では、下記の数１３を用いて、そ
れぞれで求まったＫの平均値を真のＫとする。

【００７４】

【数１３】ＩＴ１＝ＩｉｎＴ１×Ｋ ＩＴ２＝ＩｉｎＴ２×Ｋ この処理を被写体全域に及び行い被写体全域の反射特性
とし記憶部１０３に記録する。

【００７５】これらの結果は必要な際に、記憶部１０３
より読み出し利用する。

【００７６】以上説明したように、本実施の形態の反射
特性計測装置は、日陰検出手段となる日陰検出部１０４
がＲＧＢ画像・奥行き情報計測部１０２の撮影した撮影
画像から測定対象表面の陰の部分を検出し、方向強度演
算手段となる太陽方向・相対光強度検出部１０５が日陰
検出部１０４が検出した領域情報と異なる時刻に撮影し
た少なくとも２枚の撮影画像とから計測時の太陽の方向
および相対光強度を推定し、天空光・環境光検出部１０
６が演算した天空光と環境光とに基づいて、反射特性推
定手段となる近似反射特性検出部１０７が太陽方向・相
対光強度検出部１０５により推定された太陽の方向およ
び相対光強度から測定対象表面の近似反射率を推定する
ので、実施の形態１の反射特性計測装置を撮影する場所
に設置するだけで、撮影と同時に太陽の方向を推定する
ことが出来るので、作業が簡便となる。さらに、計測時
固有の光源の影響を含まない被写体表面反射係数として
出力されるので、ＣＧ等にそのまま利用することができ
るという格別の効果を得ることもできる。すなわち、得
られた表面の反射特性は撮影時の光源の影響を含まない
ため、３次元コンピュータグラフィックスにより描画す
る際に、作成者が任意に新規の照明条件で描画すること
が出来る。

【００７７】なお、本実施の形態の反射特性計測装置で
は、光源として太陽光を用いる場合について説明した
が、光源は太陽に限定されることはなく、例えば、太陽
のように所定に軌跡を描いて移動する照明装置を光源と
した場合であっても、前述した効果を得られることはい
うまでもない。

【００７８】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本
発明は、前記発明の実施の形態に限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能で
あることは勿論である。

【００７９】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記の通りである。

【００８０】（１）動かない景観などを定点から異なる
時刻で観測した画像を比較し、被写体表面の法線方向が
太陽の方向に近い場合とそれ以外で傾向が特徴的に異な
るという現象を使用して太陽の方向を演算するので、太
陽の方向を容易に推定することができる。

【００８１】（２）太陽光を照明光とした画像から反射
特性を計測するので、自然環境下で被写体の反射特性を
計測することができる。

【００８２】（３）事前環境下で撮影した少なくとも２
枚の画像から被写体の反射特性を計測するので、被写体
の反射特性の計測が簡便になる。

【００８３】（４）計測時固有の光源の影響を含まない
被写体表面反射係数として出力されるので、得られた反
射特性をそのまま用いて、３次元コンピュータグラフィ
ックス等で映像を作成することができる。

【００８４】（５）得られた表面の反射特性は撮影時の
光源の影響を含まないため、３次元コンピュータグラフ
ィックスにより描画する際に、作成者が任意に新規の照
明条件で描画することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態である反射特性計測装置
の概略構成を説明するための図である。

【図２】輝度比のシミュレーション結果を示す図であ
る。

【図３】輝度比のシミュレーション結果のヒストグラム
を示す図である。

【図４】シミュレーション結果から得られた傾向を説明
する図である。

【図５】シミュレーションより得られた傾向に基づきヒ
ストグラム上でのピーク付近のみ描画した図である。

【図６】図５に対し日陰検出部で検出された日陰の法線
方向をマスクした図である。

【図７】図６の結果を３次元の球体に対応する法線方向
毎にプロットして線分Ｂと水平線との交点を基準に平面
に平行投影したグラフである。

【図８】本実施の形態における距離計測の一例を説明す
るための図である。

【符号の説明】

１０１…制御部 １０２…ＲＧＢ
画像・奥行き情報計測部 １０３…記憶部 １０４…日陰検
出部 １０５…太陽方向・相対光強度検出部 １０６…天空光
・環境光検出部 １０７…近似反射特性検出部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山内 結子 東京都世田谷区砧一丁目10番11号 日本放 送協会 放送技術研究所内 (72)発明者 深谷 崇史 東京都世田谷区砧一丁目10番11号 日本放 送協会 放送技術研究所内 Ｆターム(参考） 2G020 AA04 AA08 DA02 DA04 DA13 DA23 DA31 DA34 DA51 DA65 2G059 AA05 EE02 EE13 FF01 FF08 GG01 HH01 JJ02 JJ06 JJ11 JJ22 KK04 MM01 MM02 MM03 MM10 5L096 AA03 AA06 BA08 CA04 DA02 FA35

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象を撮影する撮影手段と、前記撮
   影手段と前記測定対象との距離を計測する計測手段とを
   有し、前記計測手段により計測された距離と前記測定対
   象の撮影画像とから前記測定対象の反射特性を計測する
   反射特性計測装置において、前記撮影画像から前記測定
   対象表面の陰の部分を検出する日陰検出手段と、異なる
   時刻に撮影した少なくとも２枚の撮影画像から計測時の
   太陽の方向および相対光強度を推定する方向強度演算手
   段と、前記方向強度演算手段により推定された太陽の方
   向および相対光強度から前記測定対象表面の近似反射率
   を推定する反射特性推定手段とを備えたことを特徴とす
   る反射特性計測装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の反射特性計測装置にお
   いて、日陰検出手段は前記撮影画像の色温度に基づい
   て、前記測定対象に太陽光が直接当たっている部位と、
   前記太陽光が直接当たっていない部位とに分割する手段
   を備えたことを特徴とする反射特性計測装置。
3. 【請求項３】 請求項１もしくは２に記載の反射特性計
   測手段において、前記方向強度演算手段は、前記測定対
   象の各部位毎の法線方向と色温度とに基づいて、所定部
   位を基準とした場合の他の各部位毎の相対光強度を演算
   する手段を備えたことを特徴とする反射特性計測装置。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３の内の何れか１項に記載
   の反射特性計測装置において、前記撮影手段は、前記太
   陽の方向が異なる少なくとも２枚以上の前記測定対象の
   画像を撮影することを特徴とする反射特性計測装置。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の反射特性計測装置にお
   いて、反射特性推定手段は、太陽の方向の異なる２種類
   の観測画像から得られる連立方程式を前記測定対象の狭
   い範囲毎に解法し、その平均値を導出する手段を備えた
   ことを特徴とする反射特性計測装置。
6. 【請求項６】 請求項１乃至５の内の何れか１項に記載
   の反射特性計測装置において、前記撮影手段は、前記測
   定対象の撮影画像を少なくとも２色以上に分光して撮影
   することを特徴とする反射特性計測装置。