[发明专利]用于表面的光学表征的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于三维表面的光学表征的方法和设备。

背景技术

照相机能够捕获由光源照亮的对象的图像。所形成的图像的类型取决于照射的方向和照相机的观察角(viewing angle)。黄色光束以照射角(illumination angle)照射样本并且照相机以视角(viewing)捕获样本的图像，捕获由表面反射和分散的光。观察角和照射角都可以用高度θ和方位角值φ来表征，高度θ和方位角值φ是相对于从对象的表面突出的法线方向测量的角度。

为了表征表面的光学属性，必需的是，在测量的区域上很好地控制照射角(θin，φιν)和观察角(θout，φout)。在这个意义上，表面的BRDF可以用光电测角仪(photogoniometer)和Parousiameter(Parousia仪)来确定，但是这要求测试的表面基本上是平坦的，因为任何起伏(undulation)都将在两个观察角中形成不确定性。如果样本被扭曲(warped)或者它具有真正的三维形式，则存在大范围的照射角和观察角，从而使得控制观察角和照射角非常困难。在样本的表面设有不规则的、不确定的表面(比如人的皮肤)的情形下，情况甚至更复杂并且已知技术(特别是光电测角仪和Parousiameter)被发现是有缺陷的。

本发明的目的是改进三维形状表面的光学表征。

发明内容

本发明提供一种用于三维表面的光学表征的方法，包括以下步骤：A)提供具有三维表面的物体，B)将该表面的至少一部分三维映射为互连的表面部分，其中对于每个要被表征的表面部分确定法线方向，C)将至少一个光源相对于所述表面部分定位在预定的位置处，以相对于法线方向的来自光源的光的预定照射角朝该表面对准，D)相对于表面部分以相对于来自该光源的被该表面部分朝向光学记录装置反射的光的法线方向的预定的观察角定位至少一个光学记录装置，以及E)光学记录来自光源的被所述表面部分反射的光。因此，可以对三维表面进行光学记录，同时控制照射角和观察角。该照射角由相对于法线方向测量的两个垂直的角度限定，这两个垂直的角度是照射高度和照射方位角。可比较地，观察角由观察高度和观察方位角限定。物体的位置优选地由物体的支架(holder)确定，允许控制三维表面的位置。该表面的三维映射可以由例如激光测量仪器来完成，该仪器以数字形式存储三维模型以确定表面部分。更小的表面部分将给出法线方向的更准确的确定，但也要求更大的处理能力。表面部分本身被认为是平坦的，但是被选择为足够小以匹配弯曲的三维表面。光源和光学记录装置相对于物体的定位可以通过将该物体保持在固定的位置同时移动光源和/或光学记录装置来完成，但是也可以移动和/或旋转该物体。

光源可以是任何优选的光源，并且优选地具有方向且仅仅显示出很小的会聚性或发散性。典型的光学记录装置包括连接到数字存储装置的数码照相机，该数字存储装置被编程为存储数字记录的图片以及所使用的参数、特别是物体、光源和照相机的相对位置。

优选地，针对许多预定的照射角和/或观察角重复步骤E)。因此，以各种角度采集更多的关于表面的光学属性(比如反射率、颜色和纹理)的信息。这允许更可靠地数字再现经记录的表面。

在优选实施例中，预定的照射角保持不变并且观察角是变化的。因此，容易确定光学参数。

可替代地，预定的观察角保持不变且照射角是变化的。这具有工作流程更快的优点，因为照相机不需要重新聚焦并且光源可以被更快速地重新定位。更优选地，代替移动单个光源，在相对于物体的多个位置处使用多个光源。不移动单个光源，而是开启一个光源，记录图像，关闭该光源且开启不同位置处的另一个光源以用于对该图像完成另一个记录，但处于另一个照射角。该方法对于透明的或半透明的表面(比如人的皮肤)特别有利。

优选地，在至少一个光学记录期间，观察角与法线方向一致。这给出特定表面部分的最大区域。

在优选实施例中，观察角从0°变化到45°。这给出最多的从表面部分反射的信息。

如果照射角处于相对于法线方向的90度和80度之间，则这是有利的。以掠射角的这种照明给出最多的纹理细节，特别是如果观察角接近法线方向。根据所选择的轴，介于-90和-80之间的角等效于介于90和80度之间的角。优选地，观察角近似地与法线方向一致，但是可以关于法线方向从45度变化到-45度。

优选地，针对许多相邻的表面部分重复步骤C、D和E。因此，可以针对覆盖多个相邻表面部分的区域确定可靠的纹理。

优选地，所述表面被分成多边形表面部分。多边形表面部分有助于更容易地计算并模型化纹理。