(57)【要約】【課題】複数の計測機器を配置する、または計測機器を移動することなく、計測対象物面上の空間的に異なる点のＢＲＤＦを計測する装置、方法およびプログラムを提供する。【解決手段】対象物体表面の平面領域において対象物体表面の各点の双方向反射率分布関数ＢＲＤＦを計測する装置であって、対象物体の表面を照明する手段と、前記照明する手段を移動・回転する手段と、既定の開口部を有し、前記対象物体から異なる方向への反射光を前記開口部以外の部分で遮光する手段と、前記既定の開口部の形状・大きさを変更する手段と、前記開口部を通過した反射光を集光する手段と、前記集光光の放射照度を計測する手段と、前記計測によって得られた放射照度の値に既定のＢＲＤＦモデルをフィッティングし、ＢＲＤＦモデルパラメータを取得する手段と、を有することを特徴とする反射率計測装置。【選択図】図２
2014092501.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物体表面の平面領域において対象物体表面の各点の双方向反射率分布関数（Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ、以下ＢＲＤＦ）を計測する装置であって、
対象物体の表面を照明する手段と、
前記照明する手段を移動・回転する手段と、
既定の開口部を有し、前記対象物体から異なる方向への反射光を前記開口部以外の部分で遮光する手段と、
前記既定の開口部の形状・大きさを変更する手段と、
前記開口部を通過した反射光を集光する手段と、
前記集光光の放射照度を計測する手段と、
前記計測によって得られた放射照度の値に既定のＢＲＤＦモデルをフィッティングし、ＢＲＤＦモデルパラメータを取得する手段と、を有することを特徴とする反射率計測装置。
【請求項２】
前記請求項１に記載の反射率計測装置を用いてＢＲＤＦモデルパラメータを取得することを特徴とする反射率計測方法。
【請求項３】
前記請求項１に記載の反射率計測装置に備えられ、ＢＲＤＦモデルパラメータを取得することを特徴とする反射率計測プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測対象物体面の反射率を計測する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルアーカイブでは物体の情報を正確に記録することが求められる。対象物体表面の色や光沢特性、形状などの情報を記録することで、所望の照明・観察環境下における対象物体の見えを画像化することができる。色や光沢特性は照明・観察方向に依存し、対象物体表面の各点の双方向反射率分布関数（Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ、以下ＢＲＤＦ）で表される。非特許文献１では複数の光源とカメラを任意の位置に配置し、それぞれの光源位置から対象物体を照明し、各カメラで撮影することで、画像群の画素値から対象物体表面の各点のＢＲＤＦを取得した。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】「Time-varying surface appearance: acquisition, modeling and rendering」,Gu, Jinwei and Tu, Chien-I and Ramamoorthi, Ravi and Belhumeur, Peter and Matusik, Wojciech and Nayar, Shree, ACM Trans. Graph., Vol. 25, No. 3 (2006) 762-771
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記非特許文献１の方法では複数のカメラを異なる位置に配置する手段、もしくは一つのカメラを用いて移動する手段が必要であり、装置が複雑になる問題がある。
【０００５】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、複数の計測機器を配置する、または計測機器を移動することなく、計測対象物体面上の空間的に異なる点のＢＲＤＦを計測する装置、方法およびプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に於いて上記課題を達成するために、まず請求項１の発明は、
対象物体表面の平面領域において対象物体表面の各点の双方向反射率分布関数（Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ、以下ＢＲＤＦ）を計測する装置であって、
対象物体の表面を照明する手段と、
前記照明する手段を移動・回転する手段と、
既定の開口部を有し、前記対象物体から異なる方向への反射光を前記開口部以外の部分で遮光する手段と、
前記既定の開口部の形状・大きさを変更する手段と、
前記開口部を通過した反射光を集光する手段と、
前記集光光の放射照度を計測する手段と、
前記計測によって得られた放射照度の値に既定のＢＲＤＦモデルをフィッティングし、ＢＲＤＦモデルパラメータを取得する手段と、を有することを特徴とする反射率計測装置である。
【０００７】
請求項２の発明は、
前記請求項１に記載の反射率計測装置を用いてＢＲＤＦモデルパラメータを取得することを特徴とする反射率計測方法である。
【０００８】
請求項３の発明は、
前記請求項１に記載の反射率計測装置に備えられ、ＢＲＤＦモデルパラメータを取得することを特徴とする反射率計測プログラムである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、複数の計測機器を配置する、もしくは計測機器を移動することなく、計測対象物体の表面のＢＲＤＦを計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の反射率計測装置の概略構成の一例を示す図。
【図２】本発明の反射率計測装置の一例を模式的に示す図。
【図３】本発明に係る遮光板の開口部の形状を示す図。（ａ）は円形（ｂ）は正方形（ｃ）は長方形（ｄ）は環形を示す。
【図４】本発明の反射率計測装置の処理の流れを示すステップ図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参考にして本発明の実施形態を説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態における反射率計測装置の概略構成の一例を示す図である。本発明の反射率計測装置は、対象物１０１（以下、計測対象物体と同じ）の表面を照明する手段である光照明部１０３と、照明する手段を移動・回転する手段である光照明部移動部１０２と、既定の開口部を有し前記対象物体から異なる方向への反射光を前記開口部以外の部分で遮光する手段である遮光板１０４と、前記既定の開口部の形状・大きさを変更する手段である開口部形状変更部１０４ａと、前記開口部を通過した反射光を集光する手段である反射光集光部１０５と、集光光の放射照度を計測する手段である反射光計測部１０６と、によって得られた放射照度の値に既定のＢＲＤＦモデルをフィッティングし、ＢＲＤＦモデルパラメータを取得する手段であるコンピュータ１０７で構成される。
【００１３】
光照明部１０３は、計測対象物体１０１の表面を照明する手段であって、計測対象物体１０１に対して平行光を照射できるものであれば、どのような照明でもよい。また平行光を照射できない場合は、ＢＲＤＦ計測点への入射光の方向や、放射輝度が既知、かつ複数方向から同時に光が入射しなければよい。
【００１４】
光照明部移動部１０２は、所定の方向から計測対象物体１０１を照明するために光照明部１０３を移動・回転する手段である。光照明部移動部１０２は移動機構や回転モーター等を有する。
【００１５】
遮光板１０４は計測対象物体１０１からの反射光のうち、反射方向の異なる光を開口部で通光し、開口部以外では遮光するものである。
【００１６】
反射光集光部１０５は計測対象物体１０１からの反射光を集光させるための手段であり、レンズなどを有する。
【００１７】
反射光計測部１０６は反射光集光部１０５を使用して計測対象物体１０１からの反射光を集光させた光の放射照度を計測するための手段であり、光電変換素子などを有する。
【００１８】
コンピュータ１０７は記録部１０８、演算部１０９、制御部１１０を備えるコンピュータである。尚、コンピュータ１０７には上記反射光計測部１０６によって得られた放射照度の値に既定のＢＲＤＦモデルをフィッティングし、ＢＲＤＦモデルパラメータを取得するためのプログラムが備えられている。
【００１９】
記録部１０８はコンピュータ１０７に備えられており、反射光計測部１０６による計測結果と演算部１０９による演算結果を記録する手段である。記録部１０８は計測結果と演算結果のデータを記録するためのハードディスク、フラッシュメモリなどを備える。
【００２０】
演算部１０９はコンピュータ１０７に備えられており、記録部１０８に記録されている計測値のデータから計測対象物体１０１のＢＲＤＦを計測する。計測値から計測対象物体のＢＲＤＦを計測する方法は後述する。
【００２１】
制御部１１０はコンピュータ１０７に備えられており、光照明部移動部１０２、光照明部１０３、反射光計測部１０６、記録部１０８、演算部１０９の動作を制御する。制御部１１０は各種制御プログラムが格納されたＲＯＭなどを備える。
【００２２】
入力部１１１は制御部１１０に対し、ユーザーが指示を送るための手段である。入力部１１１はマウスやキーボードなどを有する。
【００２３】
出力部１１２は演算部１０９、記録部１０８のデータを出力する。出力部１１２は、演算部１０９、記録部１０８のデータを表示するためのモニタやプリンタなどを有する。
【００２４】
図２は本発明の反射率計測装置の一例を模式的に示す図である。２０１は計測対象物体表面の平面領域、２０２は集光光学素子、２０３は遮光板、２０４は光電変換素子群である。
【００２５】
ＢＲＤＦ計測において平面領域２０１、集光光学素子２０２、光電変換素子群２０４が平行になるようにそれらを設置する。
【００２６】
本発明では遮光板２０３の開口部の形状２０３ａを限定しない。図３は本発明に係る遮光板の開口部の形状を示す図である。平面領域２０１からの反射方向の異なる光を部分的に通光できれば円形（図３（ａ））、正方形（図３（ｂ））、長方形（図３（ｃ））、環形（図３（ｄ））のいずれでも使用することができる。また、遮光板２０３の設置位置は集光光学素子２０２の前方でも後方でもよい。
【００２７】
光電変換素子群２０４は、集光光学素子２０２により集光された光を受光し、信号値へ変換する素子である。フォトダイオードや撮像カメラに用いられるＣＣＤ素子などがこれにあたる。
【００２８】
Ｘｏは計測対象物体表面の平面領域２０１における任意の一点であり、その位置を（数１）とする。集光光学素子２０２は点Ｘｏからの反射光のうち、集光光学素子２０２に入射する光を点Ｘｐへ集光する。点Ｘｐは集光された光を受光する光電変換素子の位置であり、その位置（数２）は位置（数１）に依存する。
【００２９】
【数１】
2014092501.tif 000003
【００３０】
【数２】
2014092501.tif 000004
【００３１】
次に図４を用いて、本実施形態における反射率計測装置の処理の流れを説明する。図４は本実施形態における反射率計測装置の処理の流れを示すステップ図である。
【００３２】
（ステップＳ３００）ステップＳ３００では、ユーザーが計測対象物体表面の平面領域２０１を照明する方向（ステップＳ３０１で使用）、及び遮光板２０３の開口部の形状（ステップＳ３０３で使用）を指定する。開口部の形状や照明方向については後述する。開口部の形状と照明方向のインデックスをそれぞれｉとｊとし、それぞれを１に初期化する。
【００３３】
（ステップＳ３０１）ステップＳ３０１では、ユーザーがｊ番目に指定した方向からの照明を行うために光照明部移動部１０２が光照明部１０３を移動・回転する。
【００３４】
（ステップＳ３０２）ステップＳ３０２では、光照明部１０３が平面領域２０１を照明する。ステップＳ３０２からステップＳ３０６まで照明を実施する。
【００３５】
ユーザーがｊ番目に指定した方向からの照明における平面領域２０１内の位置（数１）への入射光の方向を（数３）とする。また、照明による反射光の方向を（数４）とする。入射光の放射輝度を（数５）とし、（数３）方向からの照明における（数４）方向への反射光の放射輝度を（数６）とする。反射光の放射輝度は（数６）で表される。
【００３６】
【数３】
2014092501.tif 000005
【００３７】
【数４】
2014092501.tif 000006
【００３８】
【数５】
2014092501.tif 000007
【００３９】
【数６】
2014092501.tif 000008
【００４０】
ただし、（数７）は位置（数１）に対する入射光方向成分を表す半球状の方向領域、（数８）は位置（数１）におけるＢＲＤＦ、（数９）は位置（数１）における法線である。
【００４１】
【数７】
2014092501.tif 000009
【００４２】
【数８】
2014092501.tif 000010
【００４３】
【数９】
2014092501.tif 000011
【００４４】
（ステップＳ３０３）ステップＳ３０３では、遮光板２０３を用いてユーザーがｉ番目に指定した開口部の形状で反射方向（数４）の異なる光を部分的に通光・遮光する。
【００４５】
（ステップＳ３０４）ステップＳ３０４では、通光した反射光のうち、集光光学素子２０２によって集光された光の放射照度を点Ｘｐの光電変換素子で計測する。集光光学素子２０２による集光とは光の方向積分であり、計測される光の放射照度は（数１０）で表される。
【００４６】
【数１０】
2014092501.tif 000012
【００４７】
ただし、（数１１）は位置（数１）からの反射光のうち、遮光されずに集光する光の方向領域、（数１２）は位置（数１）から（数４）方向へ反射した光の点Ｘｐの光電変換素
子への入射方向、（数１３）は位置（数２）における法線である。
【００４８】
【数１１】
2014092501.tif 000013
【００４９】
【数１２】
2014092501.tif 000014
【００５０】
【数１３】
2014092501.tif 000015
【００５１】
（ステップＳ３０５）ステップＳ３０５では、ｉをインクリメントし、ｉがユーザーの指定した開口部形状数Ｎ以下であればステップＳ３０３を実施する。ｉがＮより大きければ（Ｓ３０５のＹＥＳ）ステップＳ３０６を実施する。
【００５２】
（ステップＳ３０６）ステップＳ３０６では、ｊをインクリメントし、ｊがユーザーの指定した照明方向数Ｍ以下（Ｓ３０６のＮＯ）であればステップＳ３０１を実施する。ｊがＭより大きければ（Ｓ３０６のＹＥＳ）ステップＳ３０７を実施する。
【００５３】
以上により、所定の方向への反射光の放射輝度情報を取得する。非特許文献１で反射光の放射輝度情報を取得するためには、本発明の計測装置における集光光学素子２０２や光電変換素子群２０４を複数設置、もしくは移動しなければならない。それに比べ、本発明の反射率計測装置では、遮光板２０３の開口部の形状を変更するだけで異なる方向への反射光の放射輝度情報を取得することができる。
【００５４】
（ステップＳ３０７）ステップＳ３０７では、計測値にＢＲＤＦモデルをフィッティングし、ＢＲＤＦモデルパラメータを取得する。得られたＢＲＤＦモデルパラメータを用いることで位置（数１）のＢＲＤＦを表すことができる。
【００５５】
Ｓ個のモデルパラメータ（数１４）を引数とするＢＲＤＦモデル（数１５）によって位置（数１）のＢＲＤＦを近似できると仮定し、入射光の放射輝度が（数５）のときの反射光の放射輝度は（数１６）で表される。
【００５６】
【数１４】
2014092501.tif 000016
【００５７】
【数１５】
2014092501.tif 000017
【００５８】
【数１６】
2014092501.tif 000018
【００５９】
ここで、遮光板２０３で遮光されずに点Ｘｐの光電変換素子によって計測される光の放射照度を（数１７）で計算する。
【００６０】
【数１７】
2014092501.tif 000019
【００６１】
ただし、（数１８）は（数１１）を均等にQ個にサンプリングした反射光方向領域、（数１９）はｋ番目のサンプリングした方向、Ｗ      ｉは（数１１）の立体角である。
【００６２】
【数１８】
2014092501.tif 000020
【００６３】
【数１９】
2014092501.tif 000021
【００６４】
ここで位置（数１）におけるＢＲＤＦモデル（数１５）のパラメータＡを（数２０）で求める。
【００６５】
【数２０】
2014092501.tif 000022
【００６６】
ただし、ｃは点Ｘｐの光電変換素子における放射照度から信号値への変換係数（数２１）は点Ｘｐの光電変換素子への光の放射照度（数２２）の信号値、｜｜は引数の絶対値を出力する関数、（数２３）はＬｅｖｅｎｂｅｒｇ−Ｍａｒｑｕａｒｄｔ法等の非線形最適化手法を用いて引数を最小化するパラメータＡを出力する関数である。
【００６７】
【数２１】
2014092501.tif 000023
【００６８】
【数２２】
2014092501.tif 000024
【００６９】
【数２３】
2014092501.tif 000025
【００７０】
変換係数ｃを取得する手段としては、所定のジオメトリでＢＲＤＦが既知の物体の計測を行い、反射光の放射照度と信号値の比を計算する方法などが挙げられる。
【００７１】
（数１５）にはＴｏｒｒａｎｃｅ−ＳｐａｒｒｏｗモデルやＷａｒｄモデルなどのパラメータによってＢＲＤＦを決定するモデルであれば、どのＢＲＤＦモデルでもよい。
【００７２】
計測装置は、（数１０）に示したように任意の方向領域内のすべての光の放射輝度を点Ｘｐの光電変換素子で１つの信号値として計測する。計測後、（数２０）において、複数の信号値から光の放射照度を基に位置（数１）のＢＲＤＦのモデルパラメータを求める。信号値の数がモデルパラメータ数に比べ少ない場合には（数２０）の最適化が不安定になる場合がある。より安定に最適化を行うためには遮光板２０３の開口サイズを小さくするか、通光パターン数を多くすればよい。
【００７３】
遮光板２０３の開口サイズを小さくする代わりにフィッティングにおいて次の手順を行うことでより小さな開口サイズの時の情報が得られる。（数２４）のとき、それぞれの方向領域における計測による信号値の差分を（数２５）で計算し、その信号値に対してフィッティングを行う。
【００７４】
【数２４】
2014092501.tif 000026
【００７５】
【数２５】
2014092501.tif 000027
【００７６】
ただし、ｘｏｒは排他的論理和である。
【００７７】
その差分は（数２７）の放射照度に対する信号値であり、方向領域（数２６）を計測したときに得られる値である。
【００７８】
【数２６】
2014092501.tif 000028
【００７９】
【数２７】
2014092501.tif 000029
【００８０】
以上のステップＳ３００からステップＳ３０７の処理により、計測対象物体表面の平面領域２０１の位置（数１）のＢＲＤＦを取得できる。
【００８１】
＜実施手順＞
（実施例１）
被写体となる平面物体と、絞りをＦ４、Ｆ５．６、Ｆ８、Ｆ１１と調節できる撮像カメラと、キセノンランプを用意する。
【００８２】
Ｆとは絞りのサイズを表す値である。Ｆ値が大きくなるほど絞られる。この場合は、この絞りがパターンの形状は同じで大きさを変更する手段である開口部形状変更部１０４ａである。
【００８３】
カメラのセンサ面に平行になるように被写体を設置する。
【００８４】
被写体を照明する方向を指定し、その照明方向に合わせてキセノンランプを設置する。被写体をキセノンランプで照明する。このとき、被写体とカメラの間にキセノンランプを設置しないよう注意する。また、カメラと被写体の間には何も設置しない。
【００８５】
絞りをＦ４に設定した状態で被写体を撮影する。
【００８６】
絞りをＦ５．６に変更し、絞り以外の設定を変更せずに被写体を撮影する。以下、同様に絞りの値をＦ８、Ｆ１１と設定し、絞り以外の設定を変更せずにそれぞれの撮影を行う。
【００８７】
キセノンランプから被写体への照明方向を変更するためにキセノンランプを移動する。
【００８８】
絞りをＦ４、Ｆ５．６、Ｆ８、Ｆ１１に設定した撮影（計４回）を行う。
【００８９】
指定したすべての方向からの照明が終わるまで、キセノンランプの移動と撮影を行う。
【００９０】
撮影画像から得られた計測値を用いてＢＲＤＦのフィッティングを行い、モデルパラメータを取得する。フィッティングに用いるＢＲＤＦモデルはTorrance-Sparrowモデルである。
【００９１】
以上のように本発明による反射率計測装置及び反射率計測方法及び反射率計測プログラムによれば、複数の計測機器を配置したり、または計測機器を移動することなく、計測対象物体面上の空間的に異なる点のＢＲＤＦを計測することが可能となる。
【符号の説明】
【００９２】
１０１…計測対象物体
１０２…光照明部移動部
１０３…光照明部
１０４…遮光板
１０４ａ…開口部形状変更部
１０５…反射光集光部
１０６…反射光計測部
１０７…コンピュータ
１０８…記録部
１０９…演算部
１１０…制御部
１１１…入力部
１１２…出力部
２０１…計測対象物体表面
２０２…集光光学素子
２０３…遮光板
２０３a…開口部
２０４…光電変換素子群
Ｘｏ…計測対象物体面上の一点
Ｘｐ…光電変換素子
【図１】
2014092501.tif 000030
【図２】
2014092501.tif 000031
【図３】
2014092501.tif 000032
【図４】
2014092501.tif 000033