JPH11304589A - 環境光測定システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】複数方向に対する複数種類の環境光を表現する
値の測定を容易にするシステムを提供することである。 【解決手段】空間内の特定位置に入射する環境光を測定
するシステムであって、撮像状態を設定する撮像設定手
段と、表面の反射特性が一様である標準立体物を撮像す
る撮像手段と、上記標準立体物の撮像画像と、上記設定
手段により設定された撮像条件から環境光を算出する解
析手段とを備えることを特徴とする環境光測定システム
であり、また、上記標準立体の撮像部分が球面であるこ
とを特徴とする環境光測定システムである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、室間内の任意の位
置に周囲から入射する光である環境光を測定するシステ
ムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、室間内の任意の位置に周囲から入
射する光である環境光は、コンピュータ合成画像を作成
する場合や、生活空間の明るさや光の反射などを評価す
る場合などに有用なデータとなる。例えば、ある空間を
表現するコンピュータ画像を作成する場合、その空間に
存在する物体の特性の表現に加えて、その物体を照らす
光の表現が必要となる。特に、実空間を撮像した画像と
合成するコンピュータ合成画像を作成する場合であれ
ば、この実空間の環境光を表現するいくつかの環境光の
値が必要となる。また、建築物内外の生活空間の環境光
を評価する場合にも、環境光を表現するいくつかの値が
必要となる。

【０００３】本発明における環境光を表す表現には、空
間内の任意の位置に特定の方向から入射する光の強度と
色や方向や指向性などある。そして、光の強度と色は、
測光量と総称されるいろいろな値で表され、強度は照
度、光度、輝度、明度などの値で表され、また、色を表
現する値としては色温度、色度、分光分布などの値が表
される。例えば照度を得るために用いる照度計のよう
に、それぞれに専用の測定器具が一般に用いられるが、
照度計のセンサーの向きである標準板の向きは一定方向
にしか設定できないため、複数の方向から入射する光を
測定するためには、それぞれの方向に対して測定板を設
定して、測定を繰り返す必要がある。また、他の値を測
定するさいも同様に光の入射方向に測定を繰り返す必要
がある。また、晴天の日中の野外空間における太陽のよ
うに、ある空間における単一の主光源について、その方
向を特定するためには、ある物体の一箇所とその物体の
影の中で一箇所に対応する箇所との相対的な位置関係を
測定してその値から方向を算出するなど、必要に応じて
単一の主光源の方向を特定するシステムを構築しなくて
はならなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の測定システムで
は、環境光を表現するいくつかの値を得ようとすれば、
１回の測定では一方方向の値しか得られないために環境
光の入射状況に合わせて何度も測定を繰り返さなければ
ならず、手間がかかってしまった。また、ひとつの測定
器で一種類の値しか得られないものが多く、多数の測定
器を備える必要があり無駄な設備を備える必要があっ
た。ただし、上述された手間や設備を省略して環境光を
測定することが通常おこなわれているが、このように測
定された環境光では、コンピュータ合成画像を作成する
場合、合成先の背景画像が捉えた実空間における環境光
を表現するための値が測定されず、結果的に作成された
コンピュータ合成画像と背景とを自然な関係にみせるこ
とは困難であった。本発明は上記課題を解決するために
なされたものであり、複数方向に対する複数種類の環境
光を表現する値の測定を容易にするシステムを提供する
ことを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の請求項１の発明は、空間内の特定位置に入射
する環境光を測定するシステムであって、撮像状態を設
定する撮像設定手段と、表面の反射特性が一様である標
準立体物を撮像する撮像手段と、上記標準立体物の撮像
画像と、上記設定手段により設定された撮像条件から環
境光を算出する解析手段とを備えることを特徴とする環
境光測定システムである。解析手段において、撮像手段
と撮像条件に固有な測光量と階調値との関係の特性か
ら、標準立体物の画像を標準立体物表面からの反射光の
測光量分布に回帰する。さらに標準立体物表面の反射特
性から、標準立体物表面からの反射光の測光量分布を標
準立体物表面への入射光の測光量分布に回帰する。標準
立体物表面への入射光の測光量分布が表す各測光量は、
標準立体物の設置位置へ標準立体物の各表面が向いてい
る三次元方向から入射している光の測光量に相当する。
これらの測光量は具体的に、輝度、照度、色度、色温度
などに換算できる。したがって、標準立体物の設置位置
に入射する環境光のうち、撮像された標準立体物の各表
面が向いている複数方向からの光の強度や色が得られる
ことになる。

【０００６】また、本発明の請求項２に記載された発明
は、上記標準立体の撮像部分が球面であることを特徴と
する請求項１記載の環境光測定システムである。標準立
体部の撮像部分が球面であることより、観察者の視点か
ら見える物体表面が持ち得る全ての角度を向いた表面へ
入射する環境光を確実に測定することができる。また、
標準立体物の撮像部分が球面であることより、標準立体
物の画像内の各画像の二次元位置は、標準立体物の表面
上の客対応部分が向く三次元方向と一定の関係を持つの
で、解析手段において得られる標準立体物表面への入射
光の測光量分布は、標準立体物の設置位置へそれぞれに
一定の関係で異なる間隔の三次元方向から入射している
光の測光量に相当する。したがって、標準立体物の設置
位置に入射する環境光のうち、より連続的で密度の高い
複数方向からの光の強度や色が得られる。さらに、得ら
れた三次元方向からの入射光の測光量は一定の関係で分
布しているので、標準立体物を設置した空間に単一の主
光源が存れば、入射光の測光量分布の三次元方向による
変化の仕方から、主光源の三次元方向を特定することが
できる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の位
置実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の実施の
形態にかかわる環境光測定システムの概略構成図であ
る。図１において、１は空間内の測定対象位置に設置す
る標準立体物であり、この標準立体物は表面が一様に無
光沢かつ拡散性が高くかつ無彩色である球体である。２
は撮像手段および設定手段であるデジタルカメラであ
る。このデジタルカメラ３は、すくなくともシャッター
スピードと絞りとの制御を行う機能を有している。ま
た、撮像手段と設定手段はデジタルカメラ３に限定され
るものでなく、上記機能を有しているものものなら使用
できることとする。３は撮像手段であるデジタルカメラ
により得られた標準立体物の画像データを解析して環境
光の値を出力する解析手段であり、通常はパーソナルコ
ンピュータ（以下、コンピュータとする）が用いられ
る。なお、コンピュータは上記解析機能を有していれば
よく、パーソナルコンピュータに限定されことはない。

【０００８】・環境光測定システムの全処理内容図を参
照して本発明の環境光測定システムの全体動作の一例に
ついて以下に詳細に説明する。図２は、本実施の形態に
かかわる環境光測定システムを用いた全体の動作を示す
ブロック図である。まず、環境光測定システムのユーザ
は、標準立体物１の中心が測定対象をなる位置に設置
し、デジタルカメラ２を測定対象空間の観察点となる位
置に設置し、標準立体物１がデジタルカメラ２の撮像範
囲内に収まるように、デジタルカメラ２の撮像方向を決
め、標準立体物１の表面から反射する光がデジタルカメ
ラ２の適正露光範囲に収まるようにデジタルカメラ２の
撮像条件を設定し、デジタルカメラ２のシャッターを切
って撮像を行い、１枚の画像データを得る。そして、デ
ジタルカメラ２で撮像した画像データと、デジタルカメ
ラ２で撮像時に設定された撮像条件と、あらかじめ記録
されているデジタルカメラ２の撮像特性と、標準立体物
１の表面の反射特性との各値に基づいて解析処理を施
し、測定対象の位置における環境光の測定値としての値
を出力する。

【０００９】・解析処理 上記解析処理を図３に示しているフローチャートを用い
て、以下、説明する。 画像デ一タ入力（ステップ１：Ｓ１） デジタルカメラ２で標準立体物１である球体を含むシー
ンを撮像した画像データを撮像し、画像データを入力す
る。 撮像条件入力（ステップ２：Ｓ２） デジタルカメラ２で標準立体物である球体を含むシーン
の撮像時に設定された撮像条件を入力する。なお、本実
施の形態では、デジタルカメラ２の撮像条件としてはシ
ャッタースピード（ｆ値）を用いて表すこととする。 球面部の抽出（ステップ３：Ｓ３） デジタルカメラ２で撮像した画像データを解析手段であ
るコンピュータ３のモニタに表示し、画像内の標準立体
物１の球面が写っている位置の円状の範囲を、ユーザに
マウスで指定させることにより、各画素の階調データ
（ｎＲ、ｎＧ、ｎＢ）の二次元分布である球面部の画像
データＤ（ｘ、ｙ）を得る。 測色値変換（ステップ４：Ｓ４） あらかじめコンピュータ内に記録されているデジタルカ
メラ２の複数の撮像特性の記述から標準立体物撮像時の
撮像条件に対応する撮像特性の記述を選択し、この撮像
特性を用いて球面画像データＤ（ｘ、ｙ）の各画素の階
調値ｎＲ、ｎＧ、ｎＢを光の測定量を表す測色値である
三刺激値Ｘ、Ｙ、Ｚに変換し、球面からの反射光の三刺
激値分布Ｃｒｅｆ（ｘ、ｙ）を得る。なお、本実施の形
態では、デジタルカメラの撮像系としての特性の記述と
して、階調値ｎＲ、ｎＧ、ｎＢに対応する三刺激値Ｘ、
Ｙ、Ｚを記述したＬＵＴ（ルックアップテーブル）を用
いるものとする。 極座標変換（ステップ５：Ｓ５） 反射光の三刺激値分布Ｃｒｅｆ（ｘ、ｙ）の各画素につ
いて、二次元の球面画像内での位置を表す座標から、球
体の中心を原点として三次元の方向を表す極座標へ変換
し、反射光の三刺激値分布Ｃｒｅｆ（ζ、Ψ）を得る。 主光源方向決定（ステップ６：Ｓ６） 反射光の三刺激値Ｃｒｅｆ（ｘ、ｙ）から、測定対象位
置における主光源の方向Ｌ＝（ζ、Ψ）を算出する。 入射光計算（ステップ７：Ｓ７） あらかじめコンピュータ内に保存されている標準立体物
表面の反射特性の三刺激値別の反射率（Ｒｘ、Ｇｙ、Ｂ
ｚ）と、反射光の三刺激値分布Ｃｒｅｆ（ζ、Ψ）の各
座標位置が示す標準立体物表面の方向とを用いて、標準
立体表面からの反射光の三刺激値分布Ｃｒｅｆ（ζ、
Ψ）を、標準立体物表面への入射光の三刺激値分布Ｃｉ
ｎ（ζ、Ψ）に換算する。入射光の三刺激値分布Ｃｉｎ
（ζ、Ψ）は、測定対象位置に極座標（ζ、Ψ）の角度
から入射する環境光の三刺激値を表す。さらに、環境光
の三刺激値分布Ｃｉｎ（ζ、Ψ）の輝度分布Ｙｉｎ
（ζ、Ψ）の単位を変換することにより、測定対象位置
において法線方向（ζ、Ψ）を向いた平面が受ける環境
光の照度Ｅ（ζ、Ψ）を得ることなる。さらに、環境光
の三刺激値分布Ｃｉｎ（ζ、Ψ）の各三刺激値（Ｘ、
Ｙ、Ｚ）を色度（ｘ、ｙ）に変換することにより、測定
対象位置に極座標（ζ、Ψ）の角度から入射する環境光
の色を表す色度Ｃｉｎ，ｃｒｍ（ζ、Ψ）を得る。 入射光の分離（ステップ８：Ｓ８） 環境光の主光源方向Ｌから９０度以上離れた方向にあ
る、主光源からの直射光が入射し得ない間接光だけが入
射する球面部分の、環境光の三刺激値分布Ｃｉｎ（ζ、
Ψ）の平均値を用いて、測定値における環境光の間接光
成分の間接光三刺激値平均Ｃｉｎ，ｄｉｆ，ａｖｅとす
る。本実施の形態では、この段階で一時的に、環境光の
間接光成分の三刺激値分布は入射角によらず一定で間接
光三刺激値平均Ｃｉｎ，ｄｉｆ，ａｖｅに等しいとみな
す。環境光の主光源方向Ｌから９０度以内の方向にあ
る、主光源からの直射光が入射し得る範囲の球面部分に
ついて、環境光の三刺激値分布Ｃｉｎ（ζ、Ψ）から、
間接光三刺激平均Ｃｉｎ，ｄｉｆ，ａｖｅを除くことに
よって、環境光の直射光成分である直射三刺激値分布Ｃ
ｉｎ，ｄｉｒ（ζ、Ψ）とする。球面に入射する直射光
は、球面上の特定の位置の表面部が向く方向と主光源方
向をなす角度θによって、余弦的に変化することが知ら
れているので、直射光三刺激値分布Ｃｉｎ，ｄｉｒ
（ζ、Ψ）を、Ｃｉｎ，ｄｉｒ，ｃｏｓ（θ）という形
に近似計算する。さらに、直射光三刺激値分布Ｃｉｎ，
ｄｉｒ，ｃｏｓ（θ）のうち輝度成分Ｙｉｎ，ｄｉｒ，
ｃｏｓ（θ）を単位変換し、測定対象位置において主光
源方向と角度θをなす方向を向いた平面が受ける環境光
の直射成分の強度分布を、直射照度Ｅｄｉｒｃｏｓ
（θ）で表す。全方向の環境光の三刺激値分布Ｃｉｎ
（ζ、Ψ）から、直接光の三刺激値分布Ｃｉｎ，ｄｉ
ｒ，ｃｏｓ（θ）を除くことにより、環境光の間接光成
分である間接三刺激値分布Ｃｉｎ，ｄｉｆ（ζ、Ψ）を
得る。さらに、間接光の三刺激値分布Ｃｉｎ，ｄｉｆ
（ζ、Ψ）のうち輝度成分Ｙｉｎ，ｄｉｆ（ζ、Ψ）を
単位変換し、測定対処位置において法線方向（ζ、Ψ）
を向いた平面が受ける環境光の間接光成分の強度を間接
強度Ｅｄｉｆ（ζ、Ψ）で表す。

【００１０】・主光源の方向決定処理 以下、図面を参照して、図３のフローチャートのステッ
プ６の処理にあたる、解析手段であるコンピュータが用
いる主光源の方向決定処理について、図４のフローチャ
ートと図５〜１０に基づいて説明する。 輝度レベルによる領域分割（ステップ１１：Ｓ１１） 球面からの反射光の三刺激値分布Ｃｒｅｆ（ｘ，ｙ）か
ら図５に示すような、反射光の輝度分布Ｙｒｅｆ（ｘ，
ｙ）が得られる。反射光の輝度分布Ｙｒｅｆ（ｘ，ｙ）
の最大値と最小値の範囲を、図６に示すように数段階の
輝度レベルに分割して、全ての輝度分布Ｙｒｅｆ（ｘ，
ｙ）が得られている座標（ｘ，ｙ）について輝度レベル
ｉ（ｘ，ｙ）を与える。 輝度レイアウトの境界画素抽出（ステップ１２：Ｓ１
２） 図７に示すように、異なる輝度レベルｉ（ｘ，ｙ）が隣
り合う境界部の位置座標を検出し、各輝度レベルごとに
境界部の複数個の位置座標を配列し格納する。 三次元円形状の近似（ステップ１３：Ｓ１３） 各輝度レベルｉについて、すべての境界座標が、図８に
示すような同一の三次元空間の円を平面に投射した形状
の円周上にあるように、三次元空間円形状を表す曲線に
近似させた式を得ることができる。 各輝度レベルの主光源予測方向の獲得（ステップ１
４：Ｓ１４） 各輝度レベルｉで、三次元円形状の近似式から、図９に
示しような三次元円形状の中心軸の方向を極座標で求め
て、輝度レベルｉから予測される主光源の方向Ｌｉ＝
（ζ、Ψ）を得ることができる。 主光源方向の決定（ステップ１５：Ｓ１５） 各輝度レベルの主光源予測方向Ｌｉ＝（ζ、Ψ）を、各
輝度レベルの境界画素の配列要素数で重み付けした全輝
度レベルの平均値によって、図１０に示すような主光源
予測方向Ｌｉ＝（ζ、Ψ）決定することができる。

【００１１】以上本発明の具体的な例の実施の形態を説
明したが、以下のような変形例を示すことができる。例
えば、測定対象位置に多様な角度から入射する環境光の
強度や色だけが必要であれば、標準立体物として使用す
る物体は、撮像角度が球面である必要なく、多角形を用
いることができる。また、解析結果として色に関する情
報を取得する必要がない場合は、解析手段が使用する画
像データはグレースケールによる表現でも良くなる。ま
た、撮像手段としてデジタルカメラで静止画像を取る代
わりに、フィルムカメラとフィルムスキャナーの組合せ
で静止画像得たり、ビデオカメラで必要なコマを静止画
像に変化して使用することもできる。また、撮像系の特
性の記述としてＬＵＴでなく数式を用いることもでき
る。また、標準立体物をあらかじめ準備しなくとも、任
意の物体を撮像し、撮像後にその物体の表面特性を測定
することにより、その物体を標準立体物とみなして解析
することもできる。また、撮像手段によって得られた画
像データから標準立体物の範囲を抽出する作業をユーザ
が行う代わりに、自動認識手段を組み込んでも良い。ま
た、解析手段に用いる画像データは、１つの撮像条件に
よる１枚の画像だけではなく、感度の範囲の異なる複数
の撮像条件による複数枚の画像を使用して、それぞれの
撮像条件で有効な感度範囲で得られた画素の階調データ
を全撮像条件で合成することにより、測色値変換の精度
と出力範囲を向上させても良い。また、反射光の三刺激
値分布Ｃｒｅｆを用いて環境光の各種の値を算出する代
わりに、あらかじめ標準立体物表面の反射特性を用いて
求めた入射光の三刺激値分布Ｃｉｎを用いてもよい。ま
た、主光源の方向決定処理としては、球面からの反射光
の最高輝度部の位置を主光源の直射成分の正反射位置か
ら見て、主光源が測定対象位置より手前側に有る場合に
限り適用できるものとなる。また、標準立体物である休
体の表面が鏡面反射する性質を持つとみなされ、さらに
解析手段において表面の鏡面反射を含む反射特性を記述
するモデルを使用すれば、球面の鏡面反射成分の分布も
求めることができる。また、直射光の三刺激値分布と間
接光の三刺激値分布との関係や、直接照度と間接照度と
の関係などから、測定対象位置における環境光の指向性
を表す値を求めてもよい。

【００１２】

【発明の効果】上述したように、請求項１記載の発明に
よれば、任意の空間内の対象位置に多様な角度から入射
する環境光の強度や色が測定でき、同時に複数の入射角
の測定値と複数の種類の測定値がえられる。また、請求
項２記載の発明によれば、対象位置に多様な角度から入
射する環境光の強度や色より連続的で密度の高い複数方
向の分布、対象位置に入射する単一の主光源の方向、環
境光の直射照度、環境光の間接照度などを同時にえるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかわる環境光測定シス
テムの概略構成図である。

【図２】本実施の形態に係わる環境光測光システムを用
いた全体の動作フローを示すブロック図である。

【図３】本実施の形態における解析手段が行う処理を説
明するフローチャートである。

【図４】本実施の形態における解析手段の中で用いる主
光源の方向決定処理を説明するフローチャートである。

【図５】本実施の形態における解析手段の中で用いる主
光源の方向決定処理における、球面からの反射光の輝度
分布を説明する図である。

【図６】本実施の形態における解析手段の中で用いる主
光源の方向決定処理における、数段階の球面輝度レベル
を説明する図である。

【図７】本実施の形態における解析手段の中で用いる主
光源の方向決定処理における、輝度レベルの境界部を説
明する図である。

【図８】本実施の形態における解析手段の中で用いる主
光源の方向決定処理における、三次元空間における円の
平面への投射図面を説明する図である。

【図９】本実施の形態における解析手段の中で用いる主
光源の方向決定処理における、各輝度レベルの近似三次
元円の軸方向を説明する図である。

【図１０】本実施の形態における解析手段の中で用いる
主光源の方向決定処理における、主光源の方向を説明す
る図である。

【符号の説明】

１……標準立体物 ２……撮像手段、設定手段 ３
……解析手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】空間内の特定位置に入射する環境光を測定
   するシステムであって、撮像状態を設定する撮像設定手
   段と、表面の反射特性が一様である標準立体物を撮像す
   る撮像手段と、上記標準立体物の撮像画像と、上記設定
   手段により設定された撮像条件から環境光を算出する解
   析手段とを備えることを特徴とする環境光測定システ
   ム。
2. 【請求項２】上記標準立体の撮像部分が球面であること
   を特徴とする請求項１記載の環境光測定システム。