JP2008117290A - 質感情報取得装置及び質感情報取得方法 - Google Patents

Abstract

【課題】計測条件を組み合わせることで、詳細な物理的特性を得ることができ、リアルな質感を再現することができる質感情報取得装置等を提供すること。
【解決手段】物体ＯＢ上の計測点Ｐへ照明光を照射する少なくとも一つの光源１０３と、光源１０３が物体ＯＢの計測点Ｐを照明する照明条件を変化させる光源制御部１０２と、計測点Ｐからの任意の方向への光学応答特性を検出する少なくとも一つの光検出器１０４と、光検出器１０４が光学応答特性を検出する光検出条件を変化させる光検出器制御部１０５と、物体ＯＢの少なくとも計測点Ｐを含む計測条件を設定する計測条件制御部１０１と、照明条件と、光検出条件と、計測条件と、検出された光学応答特性とに基づいて物体ＯＢの表面Ｓの質感情報を算出する演算制御部５０５と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体表面の質感を引き起こす原因となる物理的特性を計測する質感情報取得装置と、その物理的特性から得られる質感情報を取得する方法に関する。

従来、カメラやビデオ、フラットベッドスキャナなどにより、物体表面の色味やパターンなどをデジタイズして、質感の表現に利用している。光沢等は、視点や光源が動くことで見え方が変化する。その変化の度合いを質感として認識する物体表面に関しては、経験的に得られた手法で、人為的に情報量を付加して擬似的に質感を再現している。この質感に関する情報量を、不自然にならないように付加するには、レンダリングの理論の熟知と経験による巧みな技術が必要である。

レンダリングする際に使用されるシェーディング情報を取得する装置が、例えば、特許文献１に提案されている。

特開２００４−１５２０１５号公報

近年、コンピュータの処理能力の向上に伴って、コンピュータグラフィクスの技術も飛躍的に向上している。そして、さらにリアリスティックな画面を構成するには、質感表現の向上が必須である。

しかしながら、従来の物体表面の質感表現では、物体表面で本来生じている物理的現象を再現するために必要な情報量が圧倒的に不足している。これは、非平面の物体表面での質感情報に関係する物理的特性の計測が困難であること、及び膨大な量の質感情報を効率良く扱うための圧縮技術やレンダリング技術が確立されていないことが原因である。

質感情報は、複雑な物理現象の総合的な結果として引き起こされるものである。このため、質感情報を計測するための技術が必要であるという認識が高まっている。さらに、その膨大な質感情報を効率良く取り扱うための圧縮技術、転送技術、検索技術も望まれている。

さらに、具体的に質感情報について説明する。現在、コンピュータグラフィクスなどにおける物体表面の質感表現は、テクスチャマッピングなどの擬似的な計算手法によって実現されている。これらのテクスチャ情報は、デジタルカメラ、デジタルビデオやフラットベッドスキャナなどで取得した物体表面情報を手作業で加工して利用している。

本来、物体表面での質感とは、入射光や物体表面を見る方向などが変化したとき、色味や光沢が変化し、その“変化の度合い”として認識されるものである。これは表面の物理的微細構造、即ち、微細な凹凸、反射・屈折・透過・干渉などの光学応答特性などによって引き起こされる。

しかしながら、従来のカメラやスキャナなどの物体表面計測では、光源方向や検出方向が固定であるため、質感に関する情報量が圧倒的に不足している。また、コンピュータグラフィクスなどの製作では、この情報量不足を人為的・経験的な情報量付加によって補い、質感を擬似的に表現している。

カメラ、ビデオでは３次元物体の表面計測が可能であるが、入射光や見る方向を任意に変化させることが困難である。また、フラットベッドスキャナでは高い解像度が得られるが、シート状の物体しか適用できず、大きさも限定される。また入射光や検出方向も固定である。

このように、従来技術では、物体の質感情報を的確に取得することが困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、計測条件を組み合わせることで、詳細な物理的特性を得ることができ、リアルな質感を再現することができる質感情報取得装置及び質感情報取得方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、物体上の計測位置へ照明光を照射する少なくとも一つの光源と、光源が物体の計測位置を照明する照明条件を変化させる光源制御部と、計測位置からの任意の方向への光学応答特性を検出する少なくとも一つの光検出器と、光検出器が光学応答特性を検出する光検出条件を変化させる光検出器制御部と、物体の少なくとも計測位置を含む計測条件を設定する計測条件制御部と、照明条件と、光検出条件と、計測条件と、検出された光学応答特性とに基づいて物体の表面の質感情報を算出する演算制御部と、を有することを特徴とする質感情報取得装置を提供できる。

また、本発明の好ましい態様によれば、光源は、アレイ状に配置された複数の発光素子を有し、光源制御部は、複数の発光素子の各々の照明条件を変化させることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、検出器は、アレイ状に配置された複数の検出素子を有し、光検出器制御部は、複数の光検出素子の各々の光検出条件を変化させることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、光源からの光を所定位置へ集光させる第１の集光レンズと、物体の表面と所定位置とを一致させるステージ制御部と、物体からの光を集光させる第２の集光レンズと、第１の集光レンズの所定位置と略共役な位置に設けられているピンホールとを有し、光検出器はピンホールからの光を検出することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、光源からの光を所定位置へ集光させる集光レンズをさらに有し、光源制御部は、第１の集光レンズへ入射する光の位置を変化させる偏向部であり、光検出器は２次元撮像素子であり、偏向部は、集光レンズを透過した照明光が物体の計測位置を照明する照明条件を変化させ、２次元撮像素子は、物体の計測位置からの光を２次元的に検出することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、演算制御部は、照明条件と光検出条件と計測条件とに基づいて、物体の計測位置における凹凸情報を算出することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、演算制御部は、凹凸情報に基づいて計測条件を補正することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、少なくとも、光源と、光源制御部と、光検出器と、光検出器制御部と、は一体的なユニットに形成され、ユニットは、可搬性を備えることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、物体上の計測位置へ照明光を照射する光照射ステップと、照明光を照明する照明条件を変化させる照明条件制御ステップと、計測位置からの任意の方向への光学応答特性を検出する光検出ステップと、光学応答特性を検出する光検出条件を変化させる光検出条件制御ステップと、物体の少なくとも計測位置を含む計測条件を設定する計測条件制御ステップと、照明条件と、光検出条件と、計測条件と、検出された光学応答特性と、に基づいて物体の表面の質感情報を算出する演算制御ステップとを有することを特徴とする質感情報取得方法を提供できる。

また、本発明の好ましい態様によれば、照明条件は、照明光の照射方向と、波長領域と、偏向との少なくとも一つであり、検出条件は、光学応答特性の検出方向と、時間変化と、波長シフトとの少なくとも一つであり、照明条件と検出条件との少なくとも一方に基づいて、算出された質感情報を圧縮する圧縮ステップをさらに有することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、光検出ステップにおいて、計測領域の少なくとも一部が重複するように複数の計測位置において計測し、演算制御ステップにおいて、重複して測定した領域における複数の計測位置の相対関係を算出して合成し、より広い面積の物体の表面の質感情報を算出することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、圧縮ステップにおいて、物体の表面における質感情報が、特定の計測条件の変化に対して依存性が所定値よりも小さいこと、連続的に変化すること、特定の物理法則に従って変化することのうちの少なくともいずれか一つのとき、質感情報の変化の特徴に基づいて情報圧縮率を設定することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、圧縮ステップにおいて、物体の表面における質感情報の方向依存性が所定値よりも小さいとき、照明光の照射方向の経度方向と、光学応答特性の検出方向の経度方向とに関して、所定の情報圧縮率を設定することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、圧縮ステップにおいて、物体の表面における質感情報が連続的に変化するとき、照明光の照射方向の緯度方向と、光学応答特性の検出方向の緯度方向とに関して、所定の情報圧縮率を設定することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、圧縮ステップにおいて、物体の表面における質感情報の時間依存性が所定値よりも小さいとき、質感情報の時問変化に関して所定の情報圧縮率を設定することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、予め典型的な物体の表面の質感情報に関する複数のテンプレートを格納するテンプレート格納ステップと、算出された質感情報と、テンプレート内の質感情報とを比較する比較ステップと、比較ステップの結果、計測中の物体の表面の質感情報を予測し、各々のテンプレートに応じて最適な情報圧縮手法を適用することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、予め典型的な物体の表面の質感情報に関する複数のテンプレートを格納するテンプレート格納ステップと、算出された質感情報と、テンプレート内の質感情報とを比較する比較ステップと、比較ステップの結果、計測中の物体の表面の質感情報を予測し、計測領域において全ての計測位置の計測を実施することなく、必要最低限の計測位置の計測で、物体表面の質感情報を取得することが望ましい。

本発明によれば、計測条件を組み合わせることで、詳細な物理的特性を得ることができ、リアルな質感を再現することができる質感情報取得装置及び質感情報取得方法を提供することができるという効果を奏する。

以下に、本発明に係る質感情報取得装置及び質感情報取得方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の質感情報取得装置の原理を示している。計測対象である物体ＯＢの物体表面Ｓの一点である計測点Ｐに対して、非常に細く絞った細い平行光を入射光Ｌｉｎとして照射する。

光源入射角αは光源制御部１０２によって任意の方向に設定できる。計測点Ｐからは、その微細な凹凸や反射・屈折・透過・干渉・回折・吸収などの様々な物理的原因により、質感を特徴づける光学応答特性（以下、適宜、「光応答」という。）Ｌｏｕｔが得られる。光検出器１０４は、光応答Ｌｏｕｔを検出する。

光検出器制御部１０５により、光応答検出角βを任意に設定することで、詳細な光応答Ｌｏｕｔの時空間的構造を得ることができる。このとき、光源入射角αと光応答検出角βは、必ずしも同一平面上になくても良い。

計測条件制御部１０１は、光源制御部１０２と光検出器制御部１０５と同期制御する。これにより、計測点Ｐの位置、計測時問などを制御する。

光源入射角αと光応答検出角βを特定の条件にすることで、計測点Ｐの凹凸情報を得ることができる。得られた凹凸条件から、計測条件や光応答を補正することも可能である。計測条件制御部１０１は、用途に応じて必要な解像度や計測精度、計測時間を調整し、計測領域における計測点Ｐのプランニング（設定）を行う。

また、光源１０３としてレーザなどの励起光を用いることもできる。このとき、蛍光色素を負荷した生体組織を計測対象とすれば、計測領域における牛体活性の活動分布などを計測することも可能である。

ここで、計測条件制御部１０１が制御するパラメータとして以下のものがある。
（１−１）計測点Ｐの位置（測定領域における効率の良い計測点走査の設定）
（１−２）計測時間（ＳＮ比とのトレードオフの解決）
（１−３）凹凸計測と表面の光学応答特性計測との切換え

また、光源制御部１０２は、光源１０３が物体ＯＢの計測点Ｐを照明する照明条件を変化させる。照明条件の例を以下に掲げる。
（２−１）照射方向、照射時間（ＯＮ−ＯＦＦ時間）
（２−２）照射強度、波長、偏光状態
（２−３）ＮＡ（照射角度）、照射パターン（空間的なパターン、時間的なパターン等）
（２−４）レーザ光（励起光）、拡散光の切換え

また、光検出器制御部１０５は、光検出器１０４が光学応答特性を検出する光検出条件を変化させる。光検出条件の例を以下に掲げる。
（３−１）検出方法、検出時間（ＯＮ−ＯＦＦ時間）
（３−２）波長フィルタによる波長選択、偏光フィルタによる偏光選択
（３−３）ＮＡ（検出角）、絞りの径（検出強度）
（３−４）検出パターン（空間的なパターン、時間的なパターン等）
（３−５）蛍光、蓄光（波長、時間等のエネルギーのシフト）

さらに、計測要求の例を以下に掲げる。
（４−１）計測解像度（計測点の大きさ）
（４−２）計測精度（計測点の時空間的なズレ、色味や光強度などの許容誤差等）
（４−３）計測時間（計測する物体の特定の状態を維持する等の制限等）

図２は、本発明の実施例２に係る質感情報取得装置２００の概略構成を示している。光源１０３から射出された光は、レンズＬ１により平行光に変換される。平行光は、ハーフミラーＨＭを透過し、集光レンズＬ２により集光される。レンズＬ２は、第１のレンズに対応する。

物体ＯＢは、ステージ２０１上に載置されている。ステージ２０１は、直交する３軸方向に微小移動可能な精密３軸ステージである。ステージ２０１は、ステージ制御部２０２により駆動制御される。

ステージ２０１の位置を微調整することにより、集光レンズＬ２の焦点と、物体ＯＢの表面Ｓ上の計測点Ｐとを一致させる。本実施例は、計測点Ｐへの任意の方向への入射光の照射を可能にする光源制御部を実現する例である。なお、ステージ制御部２０２が光源制御部の機能を有している。

計測点Ｐからの光は、ハーフミラーＨＭで反射される。反射された光は、レンズＬ３により集光される。レンズＬ３は、第２の集光レンズに対応する。レンズＬ３は、集光レンズＬ２と同一の焦点距離を有する。

レンズＬ３の焦点位置にピンホールＰＨを設置する。ピンホールＰＨは、集光レンズＬ２の所定位置、即ち焦点位置と略共役な位置に設けられていることになる。これにより、物体ＯＢからのピンホールＰＨのある平面での光のスポット径が最も小さくなったときに光検出器１０４は最大応答を得ることができる。

計測対象である物体ＯＢを載置したステージ２０１の紙面上下方向の調整により、スポット径が最も小さくなったときが集光レンズＬ２の焦点と、測定対象の表面Ｓとが一致したときである。このとき、ステージ２０１の上下方向の移動量から凹凸情報を得ることができる。

次に、図３に基づいて、本発明の実施例２に係る質感情報取得装置３００について説明する。実施例１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

光源１０３からの光は、レンズＬ１により平行光に変換される。平行光は、スリットディスクＤＳＫ１とニポウディスクＤＳＫ２とを通過する。

図４の（ａ）は、スリットディスクＤＳＫ１の構成を示している。円板状のスリットディスクＤＳＫ１には、一つのスリットＳＬＴが形成されている。

また、図４の（ｂ）は、ニポウディスクＤＳＫ２の構成を示している。円板状のニポウディスクＤＳＫ２には、複数の開口部ＨＬがらせん状に配列されて形成されている。

図３に戻って説明を続ける。スリットディスクＤＳＫ１とニポウディスクＤＳＫ２とは、集光レンズＬ２の光軸と同軸となるように配置されている。スリットディスクＤＳＫ１とニポウディスクＤＳＫ２とは、それぞれ光軸を中心として回転可能に構成されている。スリットディスクＤＳＫ１とニポウディスクＤＳＫ２との２つのディスクの組合せにより、平行光が通過する位置を任意に決定できる。

スリットディスクＤＳＫ１とニポウディスクＤＳＫ２とは、光源制御部、特に、集光レンズＬ２へ入射する光の位置を変化させる偏向部に対応する。偏光部は、集光レンズＬ２を透過した照明光が物体ＯＢの計測点Ｐを照明する上述の照明条件を変化させる。

平行光は、スリットディスクＤＳＫ１とニポウディスクＤＳＫ２とのいずれの位置を通過しても、集光レンズＬ２によって、集光レンズＬ２の焦点位置に集光する。集光レンズＬ２の焦点位置と、計測対象である物体ＯＢの表面Ｓの計測点Ｐとを実施例１と同様のステージ駆動により、一致させる。

これにより、スリットディスクＤＳＫ１とニポウディスクＤＳＫ２との２つのディスクの組合せで決まる平行光が通過する位置によって光源入射角α（図１参照）を制御できる。入射光が照射されると、計測点Ｐからは、その物理的特性によって光応答Ｌｏｕｔ（反射・屈折・透過・干渉・回折など）が発生する。

光応答Ｌｏｕｔは、再度、集光レンズＬ２を透過することで平行光へ変換される。平行光へ変換された光は、ハーフミラーＨＭによって反射される。

反射された光は、ＣＣＤ３０１へ入射する。ＣＣＤ３０１は、２次元的に光応答分布を検出できる。ＣＣＤ３０１によって得られる光分布は、計測点Ｐにおける光応答の方向特性を示すことになる。

ステージ２０１（精密３軸ステージ）の水平方向の直交する２軸（ｘ軸、ｙ軸）方向に移動によって、計測点Ｐを計測領域全域において任意に設定することができる。そして、計測領域全域で、同様の計測を繰り返して行う。これにより、物体ＯＢの表面Ｓ全体の光応答特性宙、即ち質感情報を得ることができる。

次に、本発明の実施例３に係る質感情報取得装置５００について説明する。実施例１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本実施例では、微小回転光源アレイと微小回転フォトダイオードアレイとを用いている。図５は、質感情報取得装置５００の概略構成を示している。

本実施例の質感取得情報装置５００は、本体部５０３とヘッドユニット５１５とから構成されている。本体部５０３は、計測条件制御部１０１と、演算制御部５０５とを有している。ヘッドユニット５１５は、少なくとも、後述する微小回転光源アレイと、光源制御部１０２と、後述する微小回転フォトダイオードアレイと、光検出器制御部１０５とを有し、一体的に構成されている。

ヘッドユニット５１５は、可搬可能に構成されている。測定者（不図示）は、ヘッドユニット５１５を物体ＯＢに近接、接触させることで、後述する手順により表面Ｓの質感情報を取得できる。また、ヘッドユニット５１５と本体部５０３とは、有線または無線（ワイヤレス）で通信可能に構成されている。

演算制御部５０５は、上述したような照明条件と、光検出条件と、計測条件と、検出された光学応答特性とに基づいて物体ＯＢの表面Ｓの質感情報を算出する。

図６は、ヘッドユニット５１５の断面構成を示している。ヘッドユニット５１５は、複数の発光素子５０１ａ、５０１ｂ・・・５０１ｅと、複数のフォトダイオード素子５０２ａ、５０２ｂ・・・５０２ｅとを有している。

各発光素子は、両持ちの細い梁（ヒンジ）で支えられ、所定方向に回転（傾斜）が可能な微小な構造体に、発光体や鏡などの光源を組み込んで構成されている。また、各フォトダイオード素子は、両持ちの細い梁（ヒンジ）で支えられ、所定方向に回転（傾斜）が可能な微小な構造体に、フォトダイオードなどの光検出器を組み込んで構成されている。

また、発光素子５０１ａ等とフォトダイオード素子５０２ａ等とは、それぞれＭＥＭＳ技術により容易に製造することができる。

以下、説明の便宜のため、適宜、発光素子５０１ａ等を「微小回転光源アレイ」と、フォトダイオード素子５０２ａ等を「微小回転フォトダイオードアレイ」と言う。

図７の（ａ）は、発光素子５０１ａの断面構成を示している。発光素子５０１ａは、発光部５１０と、レンズ５２０とを有している。また、図７の（ｂ）に示すように、フォトダイオード素子５０２ａは、３つのフォトダイオード５３０と、各フォトダイオード５３０に対応して配置されているカラーフィルタＦＢ、ＦＧ、ＦＲとを有している。カラーフィルタＦＢは、青色光を透過する。カラーフィルタＦＲは、赤色光を透過する。カラーフィルタＦＧは、緑色光を透過する。このように、フォトダイオードを複数に分割し、波長フィルタや偏光フィルタなどで検出する光応答から必要な情報（波長、偏光）だけを取り出すことも可能である。

ここで、微小回転光源アレイは、光源と光源制御部との機能を有している。即ち、微小回転光源アレイは、アレイ状に配置された複数の発光素子５０１ａ等の各々の照明条件、例えば方向、照射時間を変化させることができる。

また、微小回転フォトダイオードアレイは、光検出器と光検出器制御部との機能を有している。即ち、光検出器制御部は、アレイ状に配置された複数のフォトダイオード素子５０２ａ等の各々の光検出条件、例えば、方向、検出時間を変化させることができる。

図８に示すように、発光素子５０１ａ等とフォトダイオード素子５０２ａ等とは、交互に２次元状に配置されている。そして、隣接する素子同士は、相互に垂直方向に回転するように構成されている。

発光素子５０１ａ等とフォトダイオード素子５０２ａ等共に、上述したようにヒンジにより支持されている。また、各素子には、駆動コイル８０１が形成されている。そして、例えば、静電引力により、各素子を回転（傾斜）駆動させることができる。

この構成により、隣接する構造体と垂直方向に回転することによって、物体ＯＢの表面Ｓを２方向へ走査できる。

本実施例において、質感を取得する手順を説明する。まず、図９に示すように、１箇所の発光素子５０１ｃから計測点Ｐに方向を固定して光を照射する。この状態において、微小回転フォトダイオードアレイを回転方向に１回走査する。このとき、各々のフォトダイオード素子５０２ａ、５０２ｂ・・・５０２ｅで、最大の検出強度を得た方向を最大検出方向とする。そして、演算制御部５０５は、微小回転フォトダイオードアレイ中の配置位置と最大検出方向とに基づいて計測点Ｐの凹凸情報を算出する。

次に、図１０に示すように、算出された凹凸情報を考慮して、計測点Ｐに対して発光素子５０１ａ、５０１ｂ・・・５０１ｅを切り換えながら、光を照射する。これにより、計測点Ｐへさまざまな角度で入射光を照射することができる。

それぞれの発光素子５０１ａ、５０１ｂ・・・５０１ｅからの光の照射に対して、フォトダイオードアレイを１回走査して、その光応答の方向特性を得る。この手順による計測を計測領域全域について繰り返し行う。これにより、物体ＯＢの表面Ｓ全体の凹凸情報と、光応答特性（質感情報）を得ることができる。

次に、演算制御部５０５が、質感情報を算出するに際して、得られた光学応答特性を効率よく圧縮する手順について説明する。物体ＯＢの表面Ｓの計測点Ｐに対して、入射光をあらゆる方向から照射し、その光応答をあらゆる方向から検出する計測を実施すると、その情報量は膨大なものになってしまう。

ここで、例えば、計測対象である物体ＯＢの表面Ｓが均一な面である場合、図１１に示すように入射光の経度方向の変化に対して、光応答はあまり変化しない。このことを利用して、経度方向に高い圧縮率を設定することが可能になる。

また、図１２に示すように、入射光の緯度方向の変化に対しては、光応答は連続的に変化し、不連続に変化することは希である。このように、光応答が連続的に変化することが判明している場合、これに適した情報圧縮手法を利用することができる。

この他にも、隣接した計測点Ｐでは光応答も連続的に変化し易いこと、及び蓄光など時間的変化を持つ物体表面に関しても、その光応答の時間変化には連続性が期待できること等も情報圧縮に利用できる。

このように、物体表面における物理的要因を考慮し、その性質として変化が少ない要因や連続的に変化する要因などに適した情報圧縮手法を用いることが望ましい。これにより、光応答に関する情報を高効率で圧縮できる。この結果、飛躍的にコンパクトで扱いやすい情報モデルにすることが可能になる。

また、物体ＯＢの表面Ｓにおける光学応答特性（質感情報）の典型的なテンプレートを用いることもできる。この場合、逐次、取得された光学応答特性とテンプレートとを比較することで、計測対象の物体ＯＢの表面Ｓの材質、凹凸情報などを推定することができる。

テンプレートを用いるとき、まず、粗い解像度で計測する。次に、テンプレートとの比較に基づく推定結果に応じて、必要な計測点を再設定する。これにより、効率よく計測することができる。

また、方向特性・解像度・量子化・符号化などの圧縮に関するパラメータ選定に関して、その推定が適正であると判断できるだけの計測結果が得られれば、そのテンプレートに従って、最も効率の良い圧縮パラメータセットを計測結果に適用することができる。

このように、光学応答特性(質感情報)の方向依存性とそれを利用した情報の高効率圧縮を行うことができる。

また、テンプレートを用いる質感情報圧縮方法では、以下のステップを有することが望ましい。
予め典型的な物体の表面の質感情報に関する複数のテンプレートを格納するテンプレート格納ステップと、算出された質感情報と、テンプレート内の質感情報とを比較する比較ステップと、比較ステップの結果、計測中の物体の表面の質感情報を予測し、各々のテンプレートに応じて最適な情報圧縮手法を適用するステップである。これにより、効率的に質感情報を圧縮できる。

さらに好ましくは、以下のステップを有することが望ましい。
予め典型的な物体の表面の質感情報に関する複数のテンプレートを格納するテンプレート格納ステップと、算出された質感情報と、テンプレート内の質感情報とを比較する比較ステップと、比較ステップの結果、計測中の物体の表面の質感情報を予測し、計測領域において全ての計測位置の計測を実施することなく、必要最低限の計測位置の計測で、物体表面の質感情報を取得するステップである。これにより、さらに、効率的に質感情報を圧縮できる。

ここで、質感情報の処理についての他の例をさらに説明する。
図１３の（ａ）に示すように、表面のざらざら（凹凸のある状態、ｔｅｘｔｕｒｅｄな状態）した赤い色紙について、受光角φを様々に変えて計測する。図１３の（ｂ）は、このときの測定結果を示している。

図１４は、計測したスペクトル情報をｘｙ色度図上に示したものである。ｘｙ色度図上においては、計測したスペクトル情報は直線状または曲線状の軌跡Ｌとなる。そして、軌跡Ｌの形状や、軌跡を描く速度を質感情報として用いることができる。

例えば、滑らかな赤い色の表面を計測した場合、図１５に示すように、軌跡Ｌはｘｙ色度図の真ん中の領域（白色に対応）まで到達し、ハイライトが生じている。ハイライトになるのは、図１３における受光角（計測条件）Ｅの前後の僅かな角度領域である。そして、受光角をさらにスキャンすると、軌跡Ｌは、ｘｙ色度図において急激に白色の領域に行き、すぐに赤色の領域に戻るように移動する。

また、ざらざらな赤い表面を計測した場合、図１６に示すように、軌跡Ｌはｘｙ色度図において、ハイライトは生じないで赤色の領域を移動（推移）する。図１５、図１６のいずれの場合も、軌跡Ｌは、ｘｙ色度図において直線状となる。そして、表面の滑らかさ、ざらざらの相違は、直線状の軌跡Ｌの点の動きで評価できる。

例えば、軌跡Ｌが直線状の場合、点の移動状態を、受光角φを媒介変数とし、φ＝０°のときの計測したスペクトルの値がｘｙ色度図上で（ｘ、ｙ）＝（ｘ０、ｙ０）であったとすると、以下のように表すことができる。ただし、γは定数であり、ｘｙ色度図のｘ軸と軌跡Ｌとのなす角である。
ｘ＝ｃｏｓγ・ｆ（φ）＋ｘ０
ｙ＝ｓｉｎγ・ｆ（φ）＋ｙ０

そして、ある受光角φ０を用いた軌跡Ｌ上の点（ｘ、ｙ）＝（ｃｏｓγ・ｆ（φ０）＋ｘ０、ｓｉｎγ・ｆ（φ０）＋ｙ０）またはγを「色」を代表する値とすることができる。また、ｆ（φ）を表面の「滑らかさ」を示す関数とすることができる。このように、「色」と「滑らかさ」とで色素の質感情報とすることができる。

次に、ｘｙ色度図上で軌跡Ｌが直線とみなせない場合（質感情報を圧縮できない場合）について説明する。これは、色素を用いた発色ではない表面の場合、例えば薄膜干渉を生じている表面の場合である。表面の計測条件を図１７に示す。図１３の計測条件と異なり、照明角も受光角と同時に変化させている。

この場合、図１８に示すように、ｘｙ色度図では、軌跡Ｌは、連続した曲線形状となる。このため、受光角φを媒介変数とし、φ＝０°のときの計測したスペクトルの値がｘｙ色度図上で（ｘ、ｙ）＝（ｘ０、ｙ０）であったとすると、以下のように表すことができる。
ｘ＝ｆ（φ）＋ｘ０
ｙ＝ｇ（φ）＋ｙ０

このため、媒介変数φの、例えば２次多項式で軌跡Ｌをフィッティングすることで、質感情報の代表量を抽出すること、及び／又は圧縮することができる。上述した質感情報の処理は主に受光角φのみ変えて計測した場合を例に挙げたが、照明角のみを変えて計測した場合や、照明角・受光角を共に変えて計測した場合にも同様の方法で質感情報の処理を行うことができる。

このように、受光角、照明角ごとに取得（計測）したデータを圧縮するのではなく、ｘｙ色度図をテンプレートとして、ｘｙ色度図上において、受光角、照明角ごとにデータが移動する軌跡を記録することで、「質感情報」を評価することができる。

以上説明したように、本発明では、計測対象の物体表面の一点に、任意の方向から入射光を照射し、その計測点からの光応答を任意の方向から検出する。これにより、その計測点の物理的微細構造を計測する。そして、計測領域全域で、これを行うことで物体表面の質感情報を得ることができる。

さらに好ましくは、計測面が平面とは限らないので、予め表面の凹凸情報を計測し、その凹凸情報によって計測条件と光応答を補正することが望ましい。そして、計測条件を組み合わせることで、より詳細な物理的特性を得ることができる、この結果、よりリアルな質感を再現することが可能になる。

また、質感情報を得るには、幾つかの計測条件をパラメータとして非常に多くの計測が必要になり、情報量も膨大な量になる。しかし、本発明では、上述したように、計測条件に対する物体表面の物理的性質を考慮することで、特定のパラメータに対して非常に高い圧縮をかけることが可能になる。これにより、コンパクトで扱いやすい質感情報モデルが構築される。

このように、本発明では、物体表面における物理的微細構造そのものを詳細に計測し、質感情報を取得している。また、物体表面のある一点において、入射光方向と検出方向を独立に、全ての方向に走査し、その計測点における物理的特性を計測している。また、入射光の波長・偏光・時空間的パターンなど、検出方向の波長シフト・偏光シフト・時空間的変化などの計測条件を組み合わせることで、様々な物理特性を計測できる。

この計測を物体表面の計測領域の全ての点で実施して質感情報を取得することが本発明の特徴である。計測条件を組み合わせることで、物体表面の凹凸が計測できるため、凹凸による影響を補正しながら計測することが可能である。また、複数回繰り返して計測することで、より広い計測領域にも適用できる。

また、取得された質感情報は、計測点における物理的微細構造を詳細に計測するため、その情報量が膨大になる。しかし、計測条件と表面の物理的特徴から、質感情報が特定の計測条件に対してあまり変化しないことがあり、この計測条件をパラメータとすることで、質感情報を高効率で圧縮できる。

また、計測条件に対して質感情報が変化する場合でも、物理的意味を考察することで高い圧縮手法が適用できる。

これらの物体表面における質感情報の取得・圧縮手法により、これまで人為的・経験的な情報負荷によって擬似的に実現されてきた質感表現が、より簡単に取得できて高品質なものが利用できるようになる。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記光検出ステップにおいて、計測領域の少なくとも一部が重複するように複数の前記計測位置において計測し、前記演算制御ステップにおいて、重複して測定した領域における複数の前記計測位置の相対関係を算出して合成し、より広い面積の前記物体の表面の質感情報を算出することが望ましい。これにより、効率的に質感情報を得ることができる。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記圧縮ステップにおいて、前記物体の表面における質感情報の時間依存性が所定値よりも小さいとき、前記質感情報の時問変化に関して所定の情報圧縮率を設定することが望ましい。これにより、さらに効率的に質感情報を圧縮できる。

本発明は、これまでコンピュータグラフィクス関連技術において、経験的で巧みな技術によって再現されてきた質感表現において革新的な技術といえるものである。これまでコンピュータグラフィクス関連技術においては、実世界のもの（例えば、３次元形状や動きなど）をデジタイズすることで、より簡単で高品質な表現手法が確立されてきた。３次元形状スキャナやモーションキャプチャが、その代表的なものであり、すでに一般的な手法として受け入れられている。本発明は、質感表現に関して、実世界のもののデジタイズする技術であり、一般的な手法として世界的に受け入れられる可能性が高いといえる。また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形例をとることができる。

以上のように、本発明は、物体の質感情報を得る装置に有用である。

本発明の原理を説明する図である。 本発明の実施例１の質感情報取得装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施例２の質感情報取得装置の概略構成を示す図である。 ディスクの構成を示す図である。 本発明の実施例３の質感情報取得装置の概略構成を示す図である。 実施例３のヘッドユニットの概略構成を示す図である。 実施例３のヘッドユニットの概略構成を示す他の図である。 実施例３のヘッドユニットの概略構成を示すさらに他の図である。 実施例３のヘッドユニットの概略構成を示す別の図である。 実施例３のヘッドユニットの概略構成を示すさらに別の図である。 質感情報の性質を示す図である。 質感情報の性質を示す他の図である。 表面反射の計測条件と測定結果とを示す図である。 ｘｙ色度図における軌跡を示す図である。 ｘｙ色度図における軌跡を示す他の図である。 ｘｙ色度図における軌跡を示すさらに他の図である。 表面反射の計測条件と測定結果とを示す他の図である。 ｘｙ色度図における軌跡を示す別の図である。

符号の説明

１０１ 計測条件制御部
１０２ 光源制御部
１０３ 光源
１０４ 光検出器
１０５ 光検出器制御部
２００ 質感情報取得装置
２０１ ステージ
２０２ ステージ制御部
３００ 質感情報取得装置
３０１ ＣＣＤ
５００ 質感情報取得装置
５０１ａ〜５０１ｅ 光源素子
５０２ａ〜５０２ｅ フォトダイオード素子
５０３ 本体部
５０５ 演算制御部
５１０ 発光部
５２０ レンズ
５３０ フォトダイオード
５１５ ヘッドユニット
８０１ 駆動コイル
ＦＲ、ＦＧ、ＦＢ カラーフィルタ
Ｌ１ レンズ
Ｌ２ レンズ
Ｌ３ レンズ
ＤＳＫ１ スリットディスク
ＤＳＫ２ ニポウディスク
ＨＭ ハーフミラー
Ｐ 計測点
ＯＢ 物体
Ｓ 表面
α 光源入射角
β 光応答検出角

Claims (17)

1. 物体上の計測位置へ照明光を照射する少なくとも一つの光源と、
   前記光源が前記物体の前記計測位置を照明する照明条件を変化させる光源制御部と、
   前記計測位置からの任意の方向への光学応答特性を検出する少なくとも一つの光検出器と、
   前記光検出器が前記光学応答特性を検出する光検出条件を変化させる光検出器制御部と、
   前記物体の少なくとも計測位置を含む計測条件を設定する計測条件制御部と、
   前記照明条件と、前記光検出条件と、前記計測条件と、検出された前記光学応答特性とに基づいて前記物体の表面の質感情報を算出する演算制御部と、を有することを特徴とする質感情報取得装置。
2. 前記光源は、アレイ状に配置された複数の発光素子を有し、
   前記光源制御部は、複数の前記発光素子の各々の前記照明条件を変化させることを特徴とする請求項１に記載の質感情報取得装置。
3. 前記検出器は、アレイ状に配置された複数の検出素子を有し、
   前記光検出器制御部は、複数の前記光検出素子の各々の前記光検出条件を変化させることを特徴とする請求項１に記載の質感情報取得装置。
4. 前記光源からの光を所定位置へ集光させる第１の集光レンズと、
   前記物体の表面と前記所定位置とを一致させるステージ制御部と、
   前記物体からの光を集光させる第２の集光レンズと、
   前記第１の集光レンズの前記所定位置と略共役な位置に設けられているピンホールとを有し、
   前記光検出器は前記ピンホールからの光を検出することを特徴とする請求項１に記載の質感情報取得装置。
5. 前記光源からの光を所定位置へ集光させる集光レンズをさらに有し、
   前記光源制御部は、前記第１の集光レンズへ入射する光の位置を変化させる偏向部であり、
   前記光検出器は２次元撮像素子であり、
   前記偏向部は、前記集光レンズを透過した照明光が前記物体の前記計測位置を照明する前記照明条件を変化させ、
   前記２次元撮像素子は、前記物体の前記計測位置からの光を２次元的に検出することを特徴とする請求項１に記載の質感情報取得装置。
6. 前記演算制御部は、前記照明条件と前記光検出条件と前記計測条件とに基づいて、前記物体の前記計測位置における凹凸情報を算出することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の質感情報取得装置。
7. 前記演算制御部は、前記凹凸情報に基づいて計測条件を補正することを特徴とする請求項６に記載の質感情報取得装置。
8. 少なくとも、前記光源と、前記光源制御部と、前記光検出器と、前記光検出器制御部と、は一体的なユニットに形成され、
   前記ユニットは、可搬性を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の質感情報取得装置。
9. 物体上の計測位置へ照明光を照射する光照射ステップと、
   前記照明光を照明する照明条件を変化させる照明条件制御ステップと、
   前記計測位置からの任意の方向への光学応答特性を検出する光検出ステップと、
   前記光学応答特性を検出する光検出条件を変化させる光検出条件制御ステップと、
   前記物体の少なくとも計測位置を含む計測条件を設定する計測条件制御ステップと、
   前記照明条件と、前記光検出条件と、前記計測条件と、検出された前記光学応答特性と、に基づいて前記物体の表面の質感情報を算出する演算制御ステップとを有することを特徴とする質感情報取得方法。
10. 前記照明条件は、前記照明光の照射方向と、波長領域と、偏向との少なくとも一つであり、
    前記検出条件は、前記光学応答特性の検出方向と、時間変化と、波長シフトとの少なくとも一つであり、
    前記照明条件と前記検出条件との少なくとも一方に基づいて、算出された質感情報を圧縮する圧縮ステップをさらに有することを特徴とする請求項９に記載の質感情報取得方法。
11. 前記光検出ステップにおいて、計測領域の少なくとも一部が重複するように複数の前記計測位置において計測し、
    前記演算制御ステップにおいて、重複して測定した領域における複数の前記計測位置の相対関係を算出して合成し、より広い面積の前記物体の表面の質感情報を算出することを特徴とする請求項９または１０に記載の質感情報取得方法。
12. 前記圧縮ステップにおいて、
    前記物体の表面における前記質感情報が、特定の計測条件の変化に対して依存性が所定値よりも小さいこと、連続的に変化すること、特定の物理法則に従って変化することのうちの少なくともいずれか一つのとき、
    前記質感情報の変化の特徴に基づいて情報圧縮率を設定することを特徴とする請求項１０に記載の質感情報取得方法。
13. 前記圧縮ステップにおいて、
    前記物体の表面における質感情報の方向依存性が所定値よりも小さいとき、前記照明光の照射方向の経度方向と、前記光学応答特性の検出方向の経度方向とに関して、所定の情報圧縮率を設定することを特徴とする請求項１２に記載の質感情報取得方法。
14. 前記圧縮ステップにおいて、
    前記物体の表面における質感情報が連続的に変化するとき、前記照明光の照射方向の緯度方向と、前記光学応答特性の検出方向の緯度方向とに関して、所定の情報圧縮率を設定することを特徴とする請求項１２に記載の質感情報取得方法。
15. 前記圧縮ステップにおいて、
    前記物体の表面における質感情報の時間依存性が所定値よりも小さいとき、前記質感情報の時問変化に関して所定の情報圧縮率を設定することを特徴とする請求項１２に記載の質感情報取得手法。
16. 予め典型的な前記物体の表面の質感情報に関する複数のテンプレートを格納するテンプレート格納ステップと、
    算出された前記質感情報と、前記テンプレート内の前記質感情報とを比較する比較ステップと、
    前記比較ステップの結果、計測中の前記物体の表面の前記質感情報を予測し、各々のテンプレートに応じて最適な情報圧縮手法を適用することを特徴とする請求項９〜１５のいずれか一項に記載の質感情報取得方法。
17. 予め典型的な前記物体の表面の質感情報に関する複数のテンプレートを格納するテンプレート格納ステップと、
    算出された前記質感情報と、前記テンプレート内の前記質感情報とを比較する比較ステップと、
    前記比較ステップの結果、計測中の前記物体の表面の前記質感情報を予測し、計測領域において全ての計測位置の計測を実施することなく、必要最低限の計測位置の計測で、物体表面の質感情報を取得することを特徴とする請求項９〜１５のいずれか一項に記載の質感情報取得方法。

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