(57)【要約】【課題】  投影表示手段を用いて、見本物体の質感を該見本物体とは反射特性の異なる模擬物体上にリアルに再現することが可能な質感再現システムを提供することにある。【解決手段】  見本物体７の反射特性に基づいて、所定の観察位置における見本物体７の輝度画像を演算する第１の演算手段１０５と、見本物体７とは反射特性の異なる模擬物体９の反射特性に基づいて、所定の観察位置における前記模擬物体９の輝度画像を演算する第２の演算手段１０９と、見本物体７の輝度画像と模擬物体９の輝度画像との差分を演算する第３の演算手段１１１と、差分に基づいて、この差分がなくなるような投影用輝度画像を演算する第４の演算手段１１５と、前記見本物体７および／または模擬物体９に投影用輝度画像を投影する投影表示手段１１と、を備える。【選択図】    図２
2006139726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
見本物体の質感を、該見本物体とは反射特性の異なる模擬物体上に再現する質感再現システムであって、
前記見本物体の反射特性に基づいて、所定の観察位置における前記見本物体の輝度画像を演算する第１の演算手段と、
前記模擬物体の反射特性に基づいて、前記所定の観察位置における前記模擬物体の輝度画像を演算する第２の演算手段と、
前記見本物体の輝度画像と前記模擬物体の輝度画像との差分を演算する第３の演算手段と、
前記差分に基づいて、この差分がなくなるような投影用輝度画像を演算する第４の演算手段と、
前記見本物体および／または模擬物体に前記投影用輝度画像を投影する投影表示手段と、
を備えることを特徴とする質感再現システム。
【請求項２】
前記投影輝度画像は、前記差分を逆光線追跡することによって得ることを特徴とする請求項１に記載の質感再現システム。
【請求項３】
前記見本物体の反射特性は、該見本物体の位置、該見本物体における光の入射角、出射角、入射方位角、出射方位角および波長の関数として設定されることを特徴とする請求項１に記載の質感再現システム。
【請求項４】
前記第４の演算手段は、
前記投影用輝度画像の最大輝度値を検索する手段と、
前記投影用輝度画像、前記最大輝度値、および前記投影表示手段の限界放射輝度に基づいて、該限界放射輝度を上限輝度とする前記模擬物体に対する修正投影輝度画像を演算する演算手段と、
前記観察位置における前記模擬物体の反射特性および前記修正投影輝度画像に基づいて、最終的模擬物体輝度画像を演算する演算手段と、
前記最終的模擬物体輝度画像および前記観察位置における前記見本物体の反射特性に基づいて、最終的投影用輝度画像を演算する演算手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の質感再現システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、見本物体の質感を該見本物体とは反射特性の異なる模擬物体上に再現する質感再現システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の計算機の発達に伴い、複雑な光線追跡を必要とするＣＧやレンダリングが高速に処理できるようになり、関連する開発が盛んに行われている。そのため実写に見劣りをしない、質感（光沢感や透明感など）再現が可能となり、コマーシャルやインターネットショッピングに多用されている。
また製造現場においても３Ｄ−ＣＡＤシステムの導入が進み、上記ＣＧ技術と組み合わせたＤｉｇｉｔａｌ−Ｍｏｃｋ−ｕｐ上で出来上がり品質などをシミュレーションすることが可能となっている。これは製造工程の最適化を図る上で、非常に重要な位置付けとなっている。
【０００３】
これらＣＧなどを用いた質感再現手法は、たとえば、特許文献１や特許文献２に記載されている。光沢感などは物体の質感を左右する重要な項目であり、その加工方法や表示方法について、多くの特許出願がなされている。
しかしながら、これらの表示再生はあくまでもディスプレイ媒体を通じたものであるため、質感を実物と一致させることが困難である。特にディスプレイ媒体が自発光物体であるのに対して、自然物体は反射物体であるので、表示物体と実物とでは見えのモードが異なることになる。
【０００４】
また、質感などを表現する上では、表示ダイナミックレンジも重要な項目であるが、現在のディスプレイ媒体ではこのダイナミックレンジが２００：１程度しか確保できず、そのため、特許文献１、２に示すような反射特性の加工や圧縮手法を採用することになる。
【特許文献１】特許第３２５４１９５号公報
【特許文献２】特許第３３１１８４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の表示再生技術は、あくまでもディスプレイ媒体を通じたものであるため、質感を実物と一致させることが困難である。特にディスプレイ媒体が自発光物体であるのに対して、自然物体は反射物体であるので、表示物体と実物とでは見えのモードが異なることになる。
【０００６】
また、質感などを表現する上では、表示のダイナミックレンジ(コントラスト)も重要な項目であるが、現在の自発光ディスプレイ媒体ではこのダイナミックレンジが２００：１程度しか確保できず、そのため、特許文献１、２に示すような反射特性の加工や圧縮手法を採用しなければならないことになる。
【０００７】
本発明の目的は、このような状況に鑑み、投影表示手段を用いて見本物体の質感を該見本物体とは反射特性の異なる模擬物体上にリアルに再現することが可能な質感再現システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、見本物体の質感を、該見本物体とは反射特性の異なる模擬物体上に再現する質感再現システムであって、前記見本物体の反射特性に基づいて、所定の観察位置における前記見本物体の輝度画像を演算する第１の演算手段と、前記模擬物体の反射特性に基づいて、前記所定の観察位置における前記模擬物体の輝度画像を演算する第２の演算手段と、前記見本物体の輝度画像と前記模擬物体の輝度画像との差分を演算する第３の演算手段と、前記差分に基づいて、この差分がなくなるような投影用輝度画像を演算する第４の演算手段と、前記見本物体および／または模擬物体に前記投影用輝度画像を投影する投影表示手段と、を備えることによって上記目的を達成している。
【０００９】
前記投影輝度画像は、たとえば、前記差分を逆光線追跡することによって得るようにしてもよい。
また、前記見本物体の反射特性は、該見本物体の位置、該見本物体における光の入射角、出射角、入射方位角、出射方位角および波長の関数として設定することができる。
【００１０】
前記第４の演算手段は、前記投影用輝度画像の最大輝度値を検索する手段と、
前記投影用輝度画像、前記最大輝度値、および前記投影表示手段の限界放射輝度に基づいて、該限界放射輝度を上限輝度とする前記模擬物体に対する修正投影輝度画像を演算する演算手段と、前記観察位置における前記模擬物体の反射特性および前記修正投影輝度画像に基づいて、最終的模擬物体輝度画像を演算する演算手段と、  前記最終的模擬物体輝度画像および前記観察位置における前記見本物体の反射特性に基づいて、最終的投影用輝度画像を演算する演算手段と、を備えることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る質感再現システムによれば、反射表示機能を有しかつ１０００：１以上の表示ダイナミックレンジを有した投影表示手段を用いて、見本物体の質感を該見本物体とは反射特性の異なる模擬物体上にリアルに再現することが可能である。したがって、例えば、発注先から製造工場に製品の製造を依頼する場合、製品見本物体を製造工場に送る必要がなくなるという利点が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明に係る質感表示システムの実施形態を示す概略図である。この図１において、ネットワーク１を介して接続された各処理コンピュータ３のデータベース５には、見本物体および模擬物体の反射特性が格納されている。上記見本物体は、例えばクロムめっき等の表面処理を施した完成品であり、模擬物体はこの表面処理を施す前の未完成品である。図３には、この見本物体および模擬物体の一例として、半円筒状の見本物体７および該見本物体７と同一形状の模擬物体９が示されている。
【００１３】
なお、全く同じ質感の製品を大量生産するような製造工場では、見本物体７と模擬物体９の形状が同一でないと模擬物体９の質感の再現判断が困難になる虞がある。しかし、例えば、ガラス表面の研磨具合や、同じ材質への塗装具合による質感を再現することが目的である場合には、必ずしも見本物体７と模擬物体９の形状の同一性は要求されない。
【００１４】
見本物体７の反射特性は、所定の放射輝度を有する光源（図示せず）の位置と、その反射光を観察する観察者の視点の位置とをパラメータとして予め計測される。模擬物体９の反射特性も同様である。なお、この反射特性の計測手法は周知）であるので、ここではその説明を省略する。
【００１５】
以下、図２を参照してこの実施形態において実行される質感表示手順の一例を説明する。
模擬物体９が設置された場所の処理コンピュータ３では、上記光源の位置、観察者の視点、および物体形状（見本物体７の形状＝模擬物体９の形状）がキーボードの操作等で指定される（ステップ１０１）。コンピュータ３は、この指定された光源の位置、観察者の視点および物体形状に基づいて、これらに対応する見本物体７の反射特性をデータベース５から取り込み（ステップ１０３）、その反射特性に基づいて上記観察者の視点における見本物体７の輝度画像を演算する(ステップ１０５)。
【００１６】
また、この処理コンピュータ３は、指定された上記光源の位置、観察者の視点および物体形状に基づいて、これらに対応する模擬物体９の反射特性をデータベース５から取り込み（ステップ１０７）、その反射特性に基づいて、上記観察者の視点における模擬物体９の輝度画像を演算し(ステップ１０９)、上記見本物体７の輝度画像とこの模擬物体９の輝度画像の差分を演算する(ステップ１１１)。
【００１７】
次に、処理コンピュータ３は、上記差分演算によって得た差分輝度画像の逆光線追跡を実行する(ステップ１１３)。
図４〜図６は、上記逆光線追跡を説明する模式図である。なお、これらの図では、説明を容易にするため、見本物体７および模擬物体９を球体として示している。
図４に示すように、投影装置１１内の変調器(液晶やミラーデバイス等)で生成された所定放射輝度の光をレンズ１１ａを介して見本物体７に照明した場合、所定の視点位置(網膜上)には水晶体からなるレンズを介して反射光が結像することになる。この図４の右方部には、このときに観察者によって認識される輝度画像が示されている。この輝度画像は、前記ステップ１０５で演算される見本物体の輝度画像に対応している。
【００１８】
次に、図５に示すように、模擬物体を図４の場合と同じ条件下で照明した場合、上記視点位置での模擬物体９の輝度画像は、この図５の右方部に示すようになる。この輝度画像は、前記ステップ１０９で演算される模擬物体の輝度画像に対応する。
【００１９】
図６の右方部に示す輝度画像は、図４に示した視点位置での見本物体７の輝度画像と図５に示した該視点位置での模擬物体９の輝度画像との差をとることによって得られる差分輝度画像である。この差分輝度画像は、前記ステップ１１１で演算される差分輝度画像に対応している。
差分輝度画像は、見本物体７の輝度を基準とする模擬物体９の輝度不足分を意味している。したがって、この差分輝度画像に基づいて、上記輝度不足分が補われるような輝度画像を投影装置１１から模擬物体９に投影すれば、該模擬物体９の見えが見本物体７のそれと一致することになる。
【００２０】
図６に示す視点位置での差分輝度画像が得られれば、この差分輝度画像に対応する投影装置１１での投影輝度画像は、視点位置、物体の位置および投影装置１１の位置の関係に基づいて上記差分輝度画像を上記視点位置から投影装置１１まで追跡することによって得ることができる。なお、逆光線追跡手法は周知であるので、ここではその具体的な説明を省略する。
上記ステップ１１３では、上記逆光線追跡手法によって、ステップ１１１で得られた視点位置での差分輝度画像が投影装置１１で現在投影されている所定放射輝度に対する差分輝度画像として換算される。
【００２１】
ステップ１１５では、上記投影装置１１での差分輝度画像に基づいて、上記視点位置での差分輝度画像分、つまり、視点位置から見た模擬物体９の輝度不足分が補われるような投影輝度画像を生成し、次のステップ１１７でこの投影輝度画像を投影装置１１から出力させる。
【００２２】
この結果、この実施形態によれば、視点位置から見た模擬物体９の輝度不足分が補われて、模擬物体９の見え(この例では、特に光沢)が見本物体７のそれと一致することになる。
【００２３】
模擬物体９の見えは、図３に示すように、見本物体７と模擬物体９を隣接配置することによって評価することができる。この場合、見本物体７に対して投影装置１１から所定輝度の照明光が投射され、模擬物体９に対して投影装置１１から上記ステップ１１５で得た投影輝度画像が出力される。このような評価を行った結果、模擬物体９の見えが見本物体７の見えにきわめて近似していることが確認された。
【００２４】
この実施形態に係る質感再現システムでは、ネットワーク１を介して接続された各処理コンピュータ３のいずれにおいても上記の手順を実行させることが可能である。したがって、この質感再現システムによれば、遠隔地においても模擬物体９をあたかも見本物体７の質感を有する物体として見ることが可能である。これにより、例えば、発注先から製造工場に製品の製造を依頼する場合、製品見本物体を製造工場に送る必要がなくなる。
また、上記実施形態によれば、図１に示した点線枠内に製造品を配置して、この製造品と見本物体７の質感が再現された模擬物体９とを比較して、上記製造品の仕上がり具合を評価することができる。
【００２５】
ところで、投影装置１１は、限界放射輝度を有するので、上記ステップ１１５で生成される投影輝度画像の最大輝度が限界放射輝度を越えている場合には、上記視点位置から見た模擬物体９の輝度不足分を完全に補うことができないことになる。このような場合、模擬物体９の輝度不足分を補う代わりに、見本物体７の投影輝度を制御して模擬物体９の見えを良くする以下のような対処法を適用することができる。
【００２６】
図７は、図４に示す見本物体７や図５に示す模擬物体９の前記視点位置における反射特性を例示したものである。この図７において、反射輝度Ｉoutは、以下のように表される。
Ｉout＝ＢＲＤＦ・Ｉin
ここで、Ｉinは反射輝度、ＢＲＤＦは双方向反射関数（見本物体７と８の位置ｘ，ｙ、光入射角θin、光出射角θout、入射光の方位角φin、出射光の方位角φoutおよび光の波長λの関数）である。
【００２７】
したがって、物体８もしくは９の反射特性のＡ−Ａ'断面は、図８のように表される。以下、理解を容易にするためこのＡ−Ａ'断面を用いて説明する。
図９および図１０は、それぞれ図４に示した見本物体７および図５に示した模擬物体９の一つの点における反射特性（視点位置から見た反射特性）を例示したものである。また、図１１は、図９に示す反射特性を点線で、図１０に示す反射特性を実線で示したものである。
【００２８】
図１１に示す各反射特性の差は、視点位置から見た上記一つの点における見本物体７と模擬物体９の輝度画像の差分である。図２のステップ１１１における差分演算では、上記物体面法線ベクトルを中心とする全ての点についてのこの差分輝度画像が演算されるので、図２のステップ１１５で生成される投影輝度画像は全ての点についての投影輝度画像である。
【００２９】
図１４に示すステップ２０１においては、図２のステップ１１５で生成された投影輝度画像における最大輝度値（ｃｄ／ｍ2）が検索される。そして、次のステップ２０３では、上記投影輝度画像と、投影装置１１の限界放射輝度と、上記検索された最大輝度値とに基づいて以下の演算を実行して、上記限界放射輝度を上限輝度とする模擬物体９に対する修正投影輝度画像を決定する。
修正投影輝度画像＝投影輝度画像×（限界放射輝度／最大輝度値）
【００３０】
ステップ２０５では、上記修正投影輝度画像を模擬物体９に投影した場合の該模擬物体９の視点位置での輝度画像を最終的模擬物体輝度画像として求める。図１２において、点線を視点位置での見本物体７の輝度画像、実線を上記最終的模擬物体輝度画像とすると、この最終的模擬物体輝度画像は下記の演算に基づいて求められる。
最終的模擬物体輝度画像＝
視点位置での摸擬物体のＢＲＤＦ×修正投影輝度画像
そこで、次のステップ２０７では、上記最終的模擬物体輝度画像と一致する、見本物体７に対する最終的投影輝度画像を下記の演算に基づいて決定する。
最終的投影輝度画像＝
最終的模擬物体輝度画像／視点位置での見本物体のＢＲＤＦ
【００３１】
図１３において、細実線は視点位置における変更前の見本物体の輝度画像を示し、太実線は上記最終的投影輝度画像を投影装置から投影した場合の視点位置における見本物体の輝度画像（変更された輝度画像）を示している。上記太線の輝度画像は、図１２に実線で示す上記最終的模擬物体輝度画像に一致することになる。
【００３２】
上記ステップ２０１〜２０７の手順は、必要に応じて図２のステップ１１５とステップ１１７の間に挿入して、前記処理コンピュータ３に実行させることができる。このステップ２０１〜２０７の手順を実行すれば、投影装置１１の能力を最大限に活用して、見本物体の輝度画像に近似する模擬物体輝度画像を再現することができる。
【００３３】
上記ステップ２０１〜２０７の手法は、投影装置１１における限界放射輝度を考慮して、模擬物体９と見本物体７に対する投影輝度画像を調整するものであるから、結果として、模擬物体９および／または見本物体７に対する投影輝度が低下する場合もあり得る。しかしながら、両物体７、９の持つ質感やコントラストが保存され、しかも、絶対的な輝度ではなくて相対的な輝度で質感を感じるという視覚特性を人間が有することから、実用上十分な質感再現性が得られる。
【００３４】
なお、光源、物体７と９および視点の位置が変化されることも想定されるが、図７の反射特性から明らかなように、前記データベース５はそれらの変化に対応する反射特性を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る質感再現システムの実施形態を概念的に示す斜視図である。
【図２】質感再現のための手順を示すフローチャートである。
【図３】見本物体と模擬物体の質感を比較している状態を示す斜視図である。
【図４】見本物体の視点位置での輝度画像を得るための手法を示す模式図である。
【図５】模擬物体の視点位置での輝度画像を得るための手法を示す模式図である。
【図６】視点位置での差分画像に対応する投影装置での投影輝度画像を得るための手法を示す模式図である。
【図７】物体の反射特性図である。
【図８】上記反射特性図の断面である。
【図９】見本物体の一つの点における反射特性図である。
【図１０】模擬物体の一つの点における反射特性図である。
【図１１】図９に示す反射特性を点線で、図１０に示す反射特性を実線で示した反射特性図である。
【図１２】視点位置での見本物体７の輝度画像を点線で、最終的模擬物体輝度画像を実線で示した反射特性図である。
【図１３】視点位置における変更前の見本物体の輝度画像を細実線で、最終的投影輝度画像を投影装置から投影した場合の視点位置における見本物体の輝度画像を太実線で示した反射特性図である。
【図１４】見本物体７の投影輝度を制御して模擬物体の見えを良くする手法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３６】
１  ネットワーク
３  処理コンピュータ
５  データベース
７  見本物体
９  摸擬物体
【図１】
2006139726.tif 000003
【図２】
2006139726.tif 000004
【図３】
2006139726.tif 000005
【図４】
2006139726.tif 000006
【図５】
2006139726.tif 000007
【図６】
2006139726.tif 000008
【図７】
2006139726.tif 000009
【図８】
2006139726.tif 000010
【図９】
2006139726.tif 000011
【図１０】
2006139726.tif 000012
【図１１】
2006139726.tif 000013
【図１２】
2006139726.tif 000014
【図１３】
2006139726.tif 000015
【図１４】
2006139726.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成17年8月26日(2005.8.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
見本物体の質感を、該見本物体とは反射特性の異なる模擬物体上に再現する質感再現システムであって、
前記見本物体の反射特性に基づいて、所定の観察位置における前記見本物体の輝度画像を演算する第１の演算手段と、
前記模擬物体の反射特性に基づいて、前記所定の観察位置における前記模擬物体の輝度画像を演算する第２の演算手段と、
前記見本物体の輝度画像と前記模擬物体の輝度画像との差分を演算する第３の演算手段と、
前記差分に基づいて、この差分がなくなるような投影用輝度画像を演算する第４の演算手段と、
前記模擬物体に前記投影輝度画像を投影する投影表示手段と、
を備えることを特徴とする質感再現システム。
【請求項２】
前記投影輝度画像は、前記差分を逆光線追跡することによって得ることを特徴とする請求項１に記載の質感再現システム。
【請求項３】
前記見本物体の反射特性は、該見本物体の位置、該見本物体における光の入射角、出射角、入射方位角、出射方位角および波長の関数として設定されることを特徴とする請求項１に記載の質感再現システム。
【請求項４】
前記第４の演算手段は、
前記投影輝度画像の最大輝度値を検索する手段と、
前記投影輝度画像、前記最大輝度値、および前記投影表示手段の限界放射輝度に基づいて、該限界放射輝度を上限輝度とする前記模擬物体に対する修正投影輝度画像を演算する演算手段と、
前記観察位置における前記模擬物体の反射特性および前記修正投影輝度画像に基づいて、最終的模擬物体輝度画像を演算する演算手段と、
前記最終的模擬物体輝度画像および前記観察位置における前記見本物体の反射特性に基づいて、最終的投影輝度画像を演算する演算手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の質感再現システム。
【請求項５】
見本物体の質感を、該見本物体とは反射特性の異なる模擬物体上に再現する質感再現システムであって、
前記見本物体および模擬物体の反射特性を保存するデータベースと、
前記見本物体の反射特性に基づいて該見本物体の輝度画像を演算し、前記模擬物体の反射特性に基づいて該模擬物体の輝度画像を演算する手段と、
前記見本物体および模擬物体の輝度画像に基づいて、前記見本物体の質感を模擬物体上に再現するための投影用輝度画像を演算する手段と、
前記模擬物体に前記投影輝度画像を投影する投影手段と、
を備えることを特徴とする質感再現システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
図７は、図４に示す見本物体７や図５に示す模擬物体９の前記視点位置における反射特性を例示したものである。この図７において、反射輝度Ｉoutは、以下のように表される。
Ｉout＝ＢＲＤＦ・Ｉin
ここで、Ｉinは投影輝度、ＢＲＤＦは双方向反射関数（見本物体７と模擬物体９の位置ｘ，ｙ、光入射角θin、光出射角θout、入射光の方位角φin、出射光の方位角φoutおよび光の波長λの関数）である。