JP2013096784A - 表面特性測定装置及びコンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】表面特性測定において対象物体に接触する可能性がなく、異なる方向から照明できる表面特性測定装置の提供。
【解決手段】対象物体を照明する光源と、前記対象物体からの反射光線を光電変換して光検出信号を出力する光検出器と、前記光源を所定位置に移動する駆動装置と、前記所定位置へ移動するための駆動量を前記駆動装置へ入力する駆動制御装置と、前記対象物体の鉛直位置に治具や光学機器が移動せずに前記光源を移動する手段と、前記対象物体と前記光源と前記光検出器のそれぞれの位置と前記対象物体の法線と前記光源と前記光検出器の姿勢を取得する手段と、前記照明方向と照明光強度と前記光検出方向と反射光線強度から反射率を計算する手段とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は表面特性測定装置、及びそのプログラムに関する。

任意の照明環境下における所望の方向からの物体を画像化するためには、物体の表面特性を把握する必要がある。ここで表面特性とは、物体表面の面の向きと、照明・観察方向に応じた反射率である反射特性である。反射特性は方向依存性があるため、対象物体や光学機器である光源や光検出器を異なる位置に移動することで照明・測定方向を変更し、反射率を測定する。表面特性を把握するために特許文献１や非特許文献１で示される装置がある。それらの装置では治具の先端に光学機器を設置し、駆動装置によって治具を移動・回転することで所定の位置からの照明や測定を実現している。

デジタルアーカイブにおいて油彩画等の美術品の表面特性測定が行われている。貴重な美術品の測定では光学機器等の接触は許されない。国宝級の美術品では接近すら許されないこともある。しかしながら、特許文献１や非特許文献１では光学機器や治具が対象物体の周囲を球状に移動するため、対象物体の鉛直位置を通過する際に機器の脱落や駆動装置の脱力によって対象物体と接触し、対象物体を破損する可能性がある。

美術品の色を正確に画像化するための照明には一般的にストロボが用いられる。これはストロボ光の分光放射輝度が撮影するカメラの感度の波長域において十分なエネルギーを有しているためである。しかしながら、ストロボは面発光体であり、ストロボ表面の各点から出射する光線の放射輝度分布、いわゆる配光分布の把握が困難である問題がある。一方、プロジェクタはレンズを用いているため、光源サイズを無視できる点発光体であると見なせる。そのため配光分布の把握は容易である。しかしながら、プロジェクタの光源として一般に使用されるＬＥＤや高圧水銀ランプは波長域の一部に強いピークを持ち、色の正確な測定には適さない問題がある。

特許第４８０６７３８号公報

Ａ Ｃｏａｘｉａｌ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｃａｎｎｅｒ ｆｏｒ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ３Ｄ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ ａｎｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ、Ｍｉｃｈａｅｌ Ｈｏｌｒｏｙｄ、Ｊａｓｏｎ Ｌａｗｒｅｎｃｅ、Ｔｏｄｄ Ｚｉｃｋｌｅｒ、ＡＣＭ ＳＩＧＧＲＡＰＨ２０１０、ＡＣＭ Ｔｒａｎｓ．Ｇｒａｐｈ．２９（Ｊｕｌｙ）、９９：１−９９：１２ Ａ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｃａｍｅｒａ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ、Ｚ．Ｚｈａｎｇ、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐａｔｔｅｒｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ２２、１１、（２０００） Ｐｈｏｔｏｍｅｔｒｉｃ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｍａｇｅｓ」、 Ｒ．Ｗｏｏｄｈａｍ、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ １９、１（Ｊａｎｕａｒｙ）、ｐｐ．１３９−１４４、（１９８０） Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｇｏｎｉｏｐｈｏｔｏｍｅｔｒｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ ３Ｄ ｏｂｊｅｃｔｓ」、Ｋ．Ｔｏｎｓｈｏ、Ｙ．Ａｋａｏ、Ｎ． Ｔｓｕｍｕｒａ、Ｙ．Ｍｉｙａｋｅ、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．４６６３、ｐｐ．３７０−３７８、（２００１）

本発明は、前述の事情を鑑みてなされたもので、対象物体に接触する可能性がなく、異なる方向からの照明を行う表面特性測定装置、及びそのプログラムを提供することを課題とする。

上記の課題を解決する手段として、本発明の請求項１は、照明方向に応じた反射率と法線を表す物体の表面特性測定装置であって、
対象物体を照明する少なくとも１以上の光源と、
前記対象物体からの反射光線を光電変換して光検出信号を出力する光検出器と、
前記光源を所定位置に移動するためにＸＹＺ方向への移動を行う移動機構と、
前記光源の向きを所定角度に調節するための角度調節機構と、
前記移動機構および前記角度調節機構を、それぞれ個別に駆動するための複数の駆動装置と、
前記所定位置へ移動するため、および前記所定角度に調節するための駆動量を前記駆動装置のそれぞれへ入力する駆動制御装置と、
前記対象物体と前記光源と前記光検出器のそれぞれの位置と前記対象物体の法線と前記光源と前記光検出器の姿勢を取得する手段と、
前記照明方向と照明光強度と前記光検出方向と反射光線強度から反射率を計算する手段とを備え、
前記光源とその取り付け部材、前記移動機構、前記角度調節機構が前記移動機構および前記角度調節機構により移動可能な範囲は、前記対象物体の置かれている領域およびその鉛直上の領域を含まないことを特徴とする表面特性測定装置である。

また、請求項２は、光検出器の感度の波長域全てに十分なエネルギーを有する光源と、光源サイズが無視できる光源と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の表面特性測定装置である。

また請求項３は、コンピュータ装置を制御して、請求項１または請求項２に記載の表面特性測定装置の各手段として機能させることを特徴とするコンピュータプログラムである。

本発明によれば、表面特性測定において対象物体に接触する可能性がなく、異なる方向から照明することができる。

本発明の表面特性測定装置の装置構成の概略を表す概略説明図である。 本発明の表面特性測定装置と対象物体の位置の一例を表す概略説明図である。 本発明の表面特性測定の処理手順の一例を表すフローチャートである。

（装置構成）
以下、本発明の一実施形態による装置を、図面を参照して説明する。図１は表面特性測定装置の構成の概略を示す概略説明図である。任意の位置からの照明を行うために、光学機器と、その直線移動、および回転機構について述べる。符号Ｄ１は対象物体からの反射光を取得するカメラである。符号Ｄ２はカメラＤ１の感度の波長域全てに十分なエネルギーを有するストロボである。符号Ｄ３は光源サイズを無視できるプロジェクタである。リニアガイドＬ１１とＬ１２はＸ軸方向への光源Ｄ２とＤ３の移動軸である。モーターＭ１の駆動によってリニアガイドの上に設置されている機器が移動する。

同様に、リニアガイドＬ２とモーターＭ２はＹ軸方向、リニアガイドＬ３１とＬ３２とモーターＭ３はＺ軸方向への移動に使用される。シャフトＦ１は光源Ｄ２とＤ３の鉛直面内の回転軸である。モーターＭ４の駆動によってベルトＢ１、およびシャフトＦ１が回転することにより、光源Ｄ２、Ｄ３の向きを所定角度に調節する。光源Ｄ２、Ｄ３は、初期状態では同じ方向を向くように取り付けられており、角度調節後も同じ角度を向くようになっている。リニアガイドＬ２はＹ軸方向への光源Ｄ２とＤ３の直線移動軸だけでなく、水平面内の回転軸でもある。モーターＭ５の駆動によってリニアガイドＭ２が回転する。符号Ｃ１は各モーターの制御装置である。任意位置へ光源Ｄ２とＤ３を移動するためにモーターを駆動させる。符号Ｃ２は対象物体からの反射光の放射輝度を保持するコンピュータである。処理部Ｃ３は、Ｃ３１、Ｃ３２、Ｃ３３から成り、それぞれＣＰＵ、メモリ、データ記憶部である。符号Ｃ４は、ユーザからの入力を受け付けるキーボードやマウス等の入力部である。符号Ｃ５は、処理部である符号Ｃ３における処理内容や結果等を表示するディスプレイ装置から構成されている表示部である。

（装置設置方法）
表面特性測定を行うための装置の設置方法を、図面を参照して説明する。図２は対象物体と装置の位置の一例を表す概略説明図である。説明を簡単にするために図１のＹＺ平面を図２で表す。符号Ｏ１は対象物体であり、符号Ｚ１は対象物体Ｏ１の鉛直位置である。図２に示すように最も接近した治具（移動機構、角度調節機構）や機器（光源）が鉛直位置Ｚ１にない位置に装置を設置するため、機器の脱落や駆動装置の脱力による対象物体Ｏ１への接触は発生しない。
具体的には、先端が対象物体Ｏ１に最も近くなるリニアガイドＬ３１、Ｌ３２について、その先端から測って所定長さより外側に、対象物体Ｏ１を配置する（符号Ｚ１で表される領域を配置する）ようにすればよい。

（表面反射特性測定）
以下、図３のフローチャートを参照して表面反射特性測定の処理手順について述べる。

ステップＳ１におけるカメラＤ１の位置Ｐ_{ｃａｍｅｒａ}と姿勢Ｒ_{ｃａｍｅｒａ}を取得する手段に非特許文献２がある。ここで姿勢とは自由度２の方向ベクトルと方向ベクトルのアップベクトルで表される自由度３のベクトルである。所定のパターンが印刷された平面物体を異なる位置と姿勢においてカメラＤ１で撮影し、印刷パターンと、得られた画像内のパターンの特徴点の位置変化からカメラと平面物体のそれぞれの位置と姿勢を取得する。

ステップＳ２においてカメラと同様に非特許文献２を用いてプロジェクタＤ３の位置と姿勢を取得する。カメラの位置と姿勢取得に使用した平面物体に異なる位置と姿勢でプロジェクタＤ３から所定のパターンを投影し、カメラＤ１で撮影する。投影パターンと、得られた画像内のパターンの特徴点の位置変化、ステップＳ１において取得したカメラと平面物体のそれぞれの位置と姿勢からプロジェクタＤ３の位置Ｐ_{ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ}と姿勢Ｒ_{ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ}を取得することができる。

モーター駆動制御装置Ｃ１に入力する各モーターの駆動量とプロジェクタＤ３の位置Ｐ_{ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ}と姿勢Ｒ_{ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ}の関係をＬとするとＬは次式で表される。

ただし、Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４、Ｐ_５はそれぞれモーターＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５の駆動量である。複数の駆動量とそのときのプロジェクタの位置Ｐ_{ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ}と姿勢Ｒ_{ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ}の対応関係から解析的にＬを求めることができる。

ステップＳ３において対象物体体Ｏ１の位置と法線の取得手段として空間コード化法が知られている。対象物体Ｏ１にプロジェクタＤ３から所定のパターンを投影し、カメラＤ１で撮影する。得られた画像からプロジェクタＤ３とカメラＤ１のそれぞれの画素の対応関係がわかる。 カメラの位置Ｐ_{ｃａｍｅｒａ}と姿勢Ｒ_{ｃａｍｅｒａ}とプロジェクタの位置Ｐ_{ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ}と姿勢Ｒ_{ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ}から対応画素間の三角測量に基づいて対象物体Ｏ１表面上の座標Ｘの位置Ｐ_{ｏｂｊｅｃｔ}（Ｘ）を推定する。

ステップＳ４において、ストロボＤ２はプロジェクタＤ３と隣接しているため、ストロボＤ２とプロジェクタＤ３間の相対位置からストロボＤ２の位置Ｐ_{ｓｔｒｏｂｅ}を取得する。

ステップＳ６において対象物体Ｏ１の法線を求める手段として非特許文献３、反射特性を取得する手段として非特許文献４がある。様々な位置から排他的に各光源で対象物体Ｏ１を照明し、カメラＤ１で撮影した変角照明画像を取得する。ストロボＤ２の位置Ｐ_{ｓｔｒｏｂｅ}とプロジェクタＤ３の位置Ｐ_{ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ}と姿勢Ｒ_{ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ}は撮影時のモーター駆動量とステップＳ３で取得した対応関係Ｌから取得することができる。非特許文献３によるフォトメトリックステレオ法によると、複数の光源位置と位置Ｐ_{ｏｂｊｅｃｔ}（Ｘ）、位置Ｐ_{ｏｂｊｅｃｔ}（Ｘ）への入出射光線の強度群から法線ｎ（Ｘ）を推定することができる。

対象物体Ｏ１の表面の位置Ｐ_{ｏｂｊｅｃｔ}（Ｘ）における照明方向と測定方向は各光源の位置、カメラ位置と法線ｎ（Ｘ）から取得する。その方向における反射率は、各光源からの出射光線強度と撮影画像の画素値である反射光強度の比から計算する。ここで、拡散反射と鏡面反射はそれぞれ物体色と光源色であるため、二色性反射モデルを用いて反射光線強度を分離し、それぞれの反射率を推定する。本実施例では、拡散反射率の推定にはストロボＤ２照明時の撮影画像、鏡面反射率の推定にはプロジェクタＤ３照明時の撮影画像を用いる。

任意方向からの照明を行うために、リニアガイドＬ１１とＬ１２は対象物体を周回する円周状でもよい。対象物体を周回するように装置を複数個設置してもよい。また、対象物体Ｏ１の向きを変えて測定を行ってもよい。

図１における機能を実現するためのプログラムをコンピュータが読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより表面特性測定を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、ハードディスク等の記憶装置のことをいう。

さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

また、前記プログラムは、このプログラムを記憶装置等から、伝送媒体を介して、ある
いは、伝送媒体中の伝送波により他の記憶装置等に伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、前記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能を記録媒体にすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

Ｂ１・・・ベルト
Ｃ１・・・モーター制御装置
Ｄ１・・・カメラ
Ｄ２・・・ストロボ
Ｄ３・・・プロジェクタ
Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ２、Ｌ３１、Ｌ３２・・・リニアガイド
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５・・・モーター
Ｏ１・・・対象物体
Ｆ１・・・シャフト
Ｚ１・・・対象物体鉛直位置

Claims (3)

1. 照明方向に応じた反射率と法線を表す物体の表面特性測定装置であって、
   対象物体を照明する少なくとも１以上の光源と、
   前記対象物体からの反射光線を光電変換して光検出信号を出力する光検出器と、
   前記光源を所定位置に移動するためにＸＹＺ方向への移動を行う移動機構と、
   前記光源の向きを所定角度に調節するための角度調節機構と、
   前記移動機構および前記角度調節機構を、それぞれ個別に駆動するための複数の駆動装置と、
   前記所定位置へ移動するため、および前記所定角度に調節するための駆動量を前記駆動装置のそれぞれへ入力する駆動制御装置と、
   前記対象物体と前記光源と前記光検出器のそれぞれの位置と前記対象物体の法線と前記光源と前記光検出器の姿勢を取得する手段と、
   前記照明方向と照明光強度と前記光検出方向と反射光線強度から反射率を計算する手段とを備え、
   前記光源とその取り付け部材、前記移動機構、前記角度調節機構が前記移動機構および前記角度調節機構により移動可能な範囲は、前記対象物体の置かれている領域およびその鉛直上の領域を含まないことを特徴とする表面特性測定装置。
2. 光検出器の感度の波長域全てに十分なエネルギーを有する光源と、
   光源サイズが無視できる光源と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の表面特性測定装置。
3. コンピュータ装置を制御して、請求項１または請求項２に記載の表面特性測定装置の各手段として機能させることを特徴とするコンピュータプログラム。

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