專利名稱：用于表面的光學(xué)表征的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于三維表面的光學(xué)表征的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
照相機(jī)能夠捕獲由光源照亮的對象的圖像。所形成的圖像的類型取決于照射的方 向和照相機(jī)的觀察角(viewing angle)。黃色光束以照射角(illumination angle)照射樣 本并且照相機(jī)以視角(viewing)捕獲樣本的圖像，捕獲由表面反射和分散的光。觀察角和 照射角都可以用高度θ和方位角值Φ來表征，高度θ和方位角值φ是相對于從對象的 表面突出的法線方向測量的角度。為了表征表面的光學(xué)屬性，必需的是，在測量的區(qū)域上很好地控制照射角(θ in, Φ ι ν)和觀察角(eout，(tout)。在這個意義上，表面的BRDF可以用光電測角儀 (photogoniometer)禾口 Parousiameter (Parousia儀)來確定，但是這要求測試的表面基本 上是平坦的，因?yàn)槿魏纹鸱?undulation)都將在兩個觀察角中形成不確定性。如果樣本被 扭曲(warped)或者它具有真正的三維形式，則存在大范圍的照射角和觀察角，從而使得控 制觀察角和照射角非常困難。在樣本的表面設(shè)有不規(guī)則的、不確定的表面(比如人的皮膚) 的情形下，情況甚至更復(fù)雜并且已知技術(shù)(特別是光電測角儀和Parousiameter)被發(fā)現(xiàn)是 有缺陷的。本發(fā)明的目的是改進(jìn)三維形狀表面的光學(xué)表征。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于三維表面的光學(xué)表征的方法，包括以下步驟A)提供具有三 維表面的物體，B)將該表面的至少一部分三維映射為互連的表面部分，其中對于每個要被 表征的表面部分確定法線方向，C)將至少一個光源相對于所述表面部分定位在預(yù)定的位置 處，以相對于法線方向的來自光源的光的預(yù)定照射角朝該表面對準(zhǔn)，D)相對于表面部分以 相對于來自該光源的被該表面部分朝向光學(xué)記錄裝置反射的光的法線方向的預(yù)定的觀察 角定位至少一個光學(xué)記錄裝置，以及E)光學(xué)記錄來自光源的被所述表面部分反射的光。因 此，可以對三維表面進(jìn)行光學(xué)記錄，同時(shí)控制照射角和觀察角。該照射角由相對于法線方向 測量的兩個垂直的角度限定，這兩個垂直的角度是照射高度和照射方位角?？杀容^地，觀察 角由觀察高度和觀察方位角限定。物體的位置優(yōu)選地由物體的支架(holder)確定，允許控 制三維表面的位置。該表面的三維映射可以由例如激光測量儀器來完成，該儀器以數(shù)字形 式存儲三維模型以確定表面部分。更小的表面部分將給出法線方向的更準(zhǔn)確的確定，但也 要求更大的處理能力。表面部分本身被認(rèn)為是平坦的，但是被選擇為足夠小以匹配彎曲的 三維表面。光源和光學(xué)記錄裝置相對于物體的定位可以通過將該物體保持在固定的位置同 時(shí)移動光源和/或光學(xué)記錄裝置來完成，但是也可以移動和/或旋轉(zhuǎn)該物體。光源可以是任何優(yōu)選的光源，并且優(yōu)選地具有方向且僅僅顯示出很小的會聚性或 發(fā)散性。典型的光學(xué)記錄裝置包括連接到數(shù)字存儲裝置的數(shù)碼照相機(jī)，該數(shù)字存儲裝置被編程為存儲數(shù)字記錄的圖片以及所使用的參數(shù)、特別是物體、光源和照相機(jī)的相對位置。優(yōu)選地，針對許多預(yù)定的照射角和/或觀察角重復(fù)步驟E)。因此，以各種角度采集 更多的關(guān)于表面的光學(xué)屬性(比如反射率、顏色和紋理)的信息。這允許更可靠地?cái)?shù)字再 現(xiàn)經(jīng)記錄的表面。在優(yōu)選實(shí)施例中，預(yù)定的照射角保持不變并且觀察角是變化的。因此，容易確定光 學(xué)參數(shù)?？商娲?，預(yù)定的觀察角保持不變且照射角是變化的。這具有工作流程更快的優(yōu) 點(diǎn)，因?yàn)檎障鄼C(jī)不需要重新聚焦并且光源可以被更快速地重新定位。更優(yōu)選地，代替移動單 個光源，在相對于物體的多個位置處使用多個光源。不移動單個光源，而是開啟一個光源， 記錄圖像，關(guān)閉該光源且開啟不同位置處的另一個光源以用于對該圖像完成另一個記錄， 但處于另一個照射角。該方法對于透明的或半透明的表面(比如人的皮膚)特別有利。優(yōu)選地，在至少一個光學(xué)記錄期間，觀察角與法線方向一致。這給出特定表面部分 的最大區(qū)域。在優(yōu)選實(shí)施例中，觀察角從0°變化到45°。這給出最多的從表面部分反射的信 肩、ο如果照射角處于相對于法線方向的90度和80度之間，則這是有利的。以掠射角 的這種照明給出最多的紋理細(xì)節(jié)，特別是如果觀察角接近法線方向。根據(jù)所選擇的軸，介 于-90和-80之間的角等效于介于90和80度之間的角。優(yōu)選地，觀察角近似地與法線方 向一致，但是可以關(guān)于法線方向從45度變化到-45度。優(yōu)選地，針對許多相鄰的表面部分重復(fù)步驟C、D和E。因此，可以針對覆蓋多個相 鄰表面部分的區(qū)域確定可靠的紋理。優(yōu)選地，所述表面被分成多邊形表面部分。多邊形表面部分有助于更容易地計(jì)算 并模型化紋理。最優(yōu)選地，所述表面被分成三角形表面部分。三角形表面部分使得紋理計(jì)算相對
各易ο在優(yōu)選實(shí)施例中，通過以不同的照射角和觀察角重復(fù)步驟E)多次來收集第一組 光學(xué)記錄，隨后是步驟F)組合表面部分的第一組光學(xué)記錄以產(chǎn)生該表面部分的第一組合 的圖像表征。因此，可以從所述組合的圖像表征計(jì)算并再現(xiàn)非?？煽康募y理?？梢岳缤?過疊加光學(xué)記錄、優(yōu)選地加權(quán)疊加光學(xué)記錄(其中對于每個光學(xué)記錄，表面部分的令人感 興趣的特定區(qū)域被賦予相對較強(qiáng)的權(quán)重)來組合光學(xué)記錄。所組合的圖像可以例如用于表 面的分類。優(yōu)選地，在步驟F)中，表面部分的所組合的圖像表征被投射到物體的數(shù)字化三維 模型的相應(yīng)表面部分中。這產(chǎn)生了所記錄物體的三維表面的非常逼真的再現(xiàn)，并且可以例 如用于獲得人的數(shù)字模型上的非常逼真的皮膚紋理。在另一個優(yōu)選實(shí)施例中，在自于步驟F)中記錄第一組光學(xué)記錄的預(yù)定時(shí)間間隔 之后，隨后執(zhí)行步驟G)，包括記錄第二組光學(xué)記錄和組合表面部分的第一組光學(xué)記錄以產(chǎn) 生該表面部分的第二組合的圖像表征。優(yōu)選地，第二組光學(xué)記錄以基本上與第一組相同的 照射角和觀察角執(zhí)行，并且然后被組合以產(chǎn)生該表面部分的第二組合的圖像表征，其使得 能夠?qū)崿F(xiàn)表征的可靠比較。因此，可以記錄表面隨時(shí)間的變化。可以例如在許多小時(shí)、天、星期或月后收集光學(xué)記錄組。例如由于磨損(wear)，可以有規(guī)律地重復(fù)看到表面隨時(shí)間的 變化。當(dāng)從還隨時(shí)間改變幾何形狀的物體(例如活人或動物的皮膚)獲取圖像表征時(shí)，有 利的是針對3D幾何形狀校正圖像表征。例如，如果所述表面是人的皮膚，則該人在數(shù)星期、 數(shù)月或數(shù)年上取得的圖像表征之間可以變得更胖或更苗條。如果在所述時(shí)間間隔期間物體經(jīng)受處理，這是有利的。因此，通過該方法，所 述處理對表面外觀的影響變得清楚。該處理可以例如是表面處理(將某種物質(zhì)涂覆 (application)至所述表面部分)，并且可以例如暴露表面的磨損(wear)或退化。該方法 特別適合用于研究難對付的表面，例如人的皮膚，并且可以例如用于研究涂覆到皮膚的某 些化妝品的效果。有利地，在步驟G之后是步驟H)，該步驟H)將第一組合的圖像表征與第二組合的 圖像表征進(jìn)行比較。以此方式，可以比較時(shí)間間隔之前和之后的表面之間的差異。這可以 定性地完成，但也可以例如使用本領(lǐng)域已知的數(shù)字圖像減法方法定量地完成。在優(yōu)選實(shí)施例中，三維表面是人的皮膚。通過已知的方法表征人的皮膚的表面 (以及其他活生物的類似的皮膚)特別難，但是根據(jù)本發(fā)明的方法產(chǎn)生了非常好的結(jié)果并 且產(chǎn)生了本領(lǐng)域已知的方法所不能取得的表面信息。本發(fā)明還提供一種用于表面的光學(xué)表征的設(shè)備，包括用于將物體支持在預(yù)定方位 上的預(yù)定位置處的物體支架、用于以照射角將光引導(dǎo)于物體處的至少一個光源、用于以觀 察角捕獲從物體反射的光的至少一個光學(xué)記錄裝置以及用于改變物體、光源和光學(xué)記錄裝 置的相互位置和方位的定位裝置，其中光源、光學(xué)記錄裝置和定位裝置連接到被編程以執(zhí) 行根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的方法的控制裝置。所述物體支架可以例如是可調(diào)節(jié)的頭 支持裝置。所述預(yù)定位置和預(yù)定方位可以由物體支架的位置和方位確定，但是也可以由光 學(xué)或聲學(xué)裝置確定。所述光源可以是任何合適的燈，例如攝影中常用的燈?？梢允褂枚鄠€ 燈以加速該過程，因?yàn)榇嬉苿庸夂?或物體，各種角度也可以通過打開和關(guān)閉不同位置 中的不同燈來獲得。所述光學(xué)記錄裝置典型地是能夠以高分辨率以分離拍攝或連續(xù)拍攝記 錄的數(shù)碼照相機(jī)。所述光學(xué)記錄裝置可以包括不止一個照相機(jī)，其中可以同時(shí)使用處于不 同位置的照相機(jī)以便加速該過程。所述定位裝置可以包括能夠移動或旋轉(zhuǎn)光源、照相機(jī)和 /或物體的任何機(jī)械裝置或電氣裝置。所述控制裝置典型地包括一個或多個微處理器。在優(yōu)選實(shí)施例中，所述設(shè)備還包括用于觀察光學(xué)記錄的觀察裝置。該觀察裝置可 以是任何屏幕或投影裝置。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的模型化的三維形狀。
具體實(shí)施例方式圖1示出根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備1，包括物體2(在該情況下為人的頭)，其位置由物體 支架3固定。通過如例如US5870220中描述的傳統(tǒng)激光方法來預(yù)先確定該頭的三維形狀并 且該三維形狀被存儲在設(shè)備1的控制裝置中。安裝在機(jī)器人臂(未示出)上的照相機(jī)4被 定位在確切已知的距離D和確切已知的觀察角Av處，觀察角Av是從將通過比較所存儲的模型而確定的表面部分5的法線方向N測量的。光源6 (也安裝在機(jī)器人臂上)以照射角Ai 定位在距離I處，反射將被照相機(jī)4捕獲的來自物體2的表面5的光?？蛇x地，可以采用第 二光源7和/或第二照相機(jī)8，以便加速該過程。將物體2的表面的至少一部分三維映射為互連的表面部分5 (每個表面部分具有 它自己的法線方向N)確定了定位照相機(jī)4和光源7的觀察角和照射角。以不同觀察角Av 和照射角Ai取得每個表面部分5的多個圖像。所記錄的圖像被組合以產(chǎn)生每個表面部分 5的詳盡的光學(xué)表征。各種算法可以用于組合這些圖像。所述表征可以用于比較頭2的皮 膚部分。已知方法相比，在例如將護(hù)膚霜涂覆在頭2之前和之后取得表征，可以更詳盡地確 定所述護(hù)膚霜或?qū)⑵つw曬成褐色的輻射對皮膚光學(xué)外觀(特別是皺紋顏色和反射率)的影 響。圖2示出被分成三角形皮膚部分11的三維模型10，每個三角形皮膚部分定義了它 自己的法線方向。針對這些皮膚部分的每一個，根據(jù)圖1所描述的方法取得光學(xué)表征。因 此，任何皮膚處理的影響可以容易地通過比較在處理之前和之后的令人感興趣的皮膚部分 來確定。此外，應(yīng)當(dāng)理解，如上所述的方法在被適當(dāng)編程時(shí)可以以計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式 在市場上銷售。存儲在其上的程序在處理器件(例如個人計(jì)算機(jī)或PDA的CPU)上執(zhí)行時(shí) 可以實(shí)現(xiàn)如上所述的方法。
權(quán)利要求
用于三維表面的光學(xué)表征的方法，包括步驟提供具有三維表面的物體(2，10)，將所述表面的至少一部分三維映射為互連的表面部分(5，11)，其中針對每個待表征的表面部分確定法線方向(N)，將至少一個光源(6，7)相對于所述表面部分定位在預(yù)定的位置處，以相對于所述法線方向的來自光源的光的預(yù)定照射角(Ai)朝所述表面對準(zhǔn)，以及相對于所述表面部分以相對于來自所述光源的光的法線方向的預(yù)定觀察角(Av)定位至少一個光學(xué)記錄裝置(4，8)，所述來自所述光源的光被所述表面部分朝向所述光學(xué)記錄裝置反射，光學(xué)記錄來自所述光源的被所述表面部分反射的光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于針對許多預(yù)定的照射角和/或觀察角重復(fù)步驟E)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于所述預(yù)定的照射角保持不變并且所述觀察角是變化的。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于所述預(yù)定的觀察角保持不變且所述照射角是變化的。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于 在至少一個光學(xué)記錄期間，觀察角與法線方向一致。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于 觀察角從0°變化到45°。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于 所述照射角相對于法線方向介于90度和80度之間。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于 針對許多相鄰的表面部分重復(fù)步驟C、D和E。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于 所述表面被分成多邊形表面部分。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于 所述表面被分成三角形表面部分。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于通過以不同的照射角和觀察角重 復(fù)步驟E)多次來收集第一組光學(xué)記錄，隨后是步驟F)組合表面部分的第一組光學(xué)記錄以 產(chǎn)生該表面部分的第一組合的圖像表征。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于所述表面部分的組合的圖像表征被投射到所述物體的數(shù)字化三維模型(10)的相應(yīng)表 面部分上。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12的方法，其特征在于在自于步驟F)中記錄第一組光學(xué)記錄的預(yù)定時(shí)間間隔之后，隨后執(zhí)行步驟G)，包括記 錄第二組光學(xué)記錄和組合表面部分的第一組光學(xué)記錄以產(chǎn)生該表面部分的第二組合的圖 像表征。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其特征在于在步驟G的時(shí)間間隔期間，所述物體經(jīng)受處理，優(yōu)選地經(jīng)受表面處理。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于在步驟G之后是步驟H)，該步驟H)將第一組合的圖像表征與第二組合的圖像表征進(jìn)行 比較。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于 所述三維表面是人的皮膚。
17.用于表面的光學(xué)表征的設(shè)備(1)，包括-物體支架(3)，用于將物體(2)支持在預(yù)定方位上的預(yù)定位置處，-至少一個光源(6，7)，用于以照射角(Ai)將光引導(dǎo)于物體處，-至少一個光學(xué)記錄裝置(4，8)，用于以觀察角(Av)捕獲從物體反射的光，以及定位裝置，用于改變所述物體、所述光源和所述光學(xué)記錄裝置的相互位置和方位，其中所述光源、光學(xué)記錄裝置和定位裝置連接到被編程以執(zhí)行根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一 項(xiàng)的方法的控制裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的設(shè)備，其特征在于所述設(shè)備還包括用于觀察所述光學(xué)記錄的觀察裝置。
19.計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，當(dāng)該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品被處理器件執(zhí)行時(shí)被設(shè)置為實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求 1到16的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于三維表面的光學(xué)表征的方法和設(shè)備。該方法和設(shè)備是對已知的光電測角儀和Parousiameter的改進(jìn)，因?yàn)樗沟媚軌驅(qū)崿F(xiàn)三維形狀的表面的更加可靠的表征。該技術(shù)對于表征諸如人的皮膚之類的具有復(fù)雜光學(xué)外觀的表面特別有用。
文檔編號G01N21/88GK101883520SQ200880103944
公開日2010年11月10日 申請日期2008年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月22日
發(fā)明者J·博斯曼, S·瓦曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司