专利名称：用于分析反射特性的方法
用于分析反射特性的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于以数据记录的形式分析和描述一种三维结 构原始表面(尤其是压纹表面)的反射特性的方法，该方法可用于表 面加工系统或测试系统。
用于评定和/或分析表面的反射行为的方法是己知的。 最简单的方法之一在于，例如根据多个标准化测量条件来确定
"光泽度"(如ISO 2813)，在这种情况下对于以60。的角度从平面 上反射的光辐射进行测量并且根据反射百分比将其分配到从无光泽 到有光泽的光泽度分级中。然而，这样的光泽度仅仅描述了整个表面 对于一个特定光比(light ratio)的平均可反光性(glossability)。
而且，存在多种方法，其中通过分析物质表面的反射行为获得 了关于该物质本身的一种表述(statement)。例如，这被用在分析 材料样品(例如液体或粉末)时，在检査焊接接头或者(例如)控制 加工过程时。例如，EP 618851 Al展示了一种用于清除衬底上的表 面涂层/涂漆的方法，该方法通过反射光的色差执行评估来进行控制， 使得仅去除待蚀刻的涂层，而该衬底本身不被损坏。
关于人造表面结构或表面涂层的生产，例如，当生产用于机动 车辆的内部包层部件(即例如门包层或仪表板)的人造革或塑膜皮层 时，已知多个方法，其中在受控制的照明下对参考表面/图案表面的 反射特性进行评估并且用作进一步控制或工作过程的基础。特别是对 于这些确定方法之中的大多数来说，由有经验的观察者在参考表面的 多个强反射子区间或弱反射子区间之间进行主观评估，到目前为止一 直是绝对决定性的。然而，这样的主观评估会不利地以不足的精确度 传递到图像处理之中或进入影响生产过程的自动化系统。
另一方面，人眼的主观评估(evaluation)是极其精确的一类 结构表面评定(assessment)，它本身清楚地记录了表面外观上的甚 至很小的变化，并且至今没有证实能被自动化的方法取代。例如由于拼接多个子区以形成一个总表面、重复形成以及转迹(moulette)纹 而造成的多个过渡区或边界区域只有在该表面中的例如棋盘状图案 引起了不同的或"不自然的"光反射和/或光折射时才可见地表现出 来。
例如，如果希望生产一种具有尽量自然的皮革纹理的塑料模制 的皮层，反射行为特别地起着很大的作用。在观看皮革表面时，在不 同的光比下人眼习惯于特定的反射行为，而对于正好缺乏这种反射行 为的人造皮革表面的反应是极抗拒的。覆盖着带有其阳光下的反射令 人不舒服的皮革纹理的塑料模制皮层的仪表板遭到顾客的拒绝。这往 往导致以下情况，在生产这种模制皮革时，还例如以规则孔眼形式压 印了一种减小该反射的三维"人造"结构。然而， 一般地说，这样一 来"真皮表面"的印象将不复存在。
因此本发明的目的是提供一种方法，借助该方法可以客观地确 定表面的反射特性，并将这些反射特性转化成可供下游系统使用的多 个参数，并且该方法允许以一个忠实于自然的方式描述这些反射特性 并使这些特性可以以数据记录以及其它的形式用于生产人造表面。
该目的是通过主权利要求的特征实现的。进一步的有利改进在 从属权利要求中公开。还公开了本发明方法的一种有利的用途。
该发明的解决方案在于
a) 首先借助三维扫描方法确定原始表面的拓扑结构，并且在第 一数据记录中存储如此确定的、实质上包括高度值和深度值的拓扑数 据，这些值属于跨越该原始表面的光栅扫描(raster)的每一表面元 素，为每个表面元素或光栅扫描元素分配一个测得的深度值从而产生 该原始表面的深度图，
b) 对该第一数据记录进行与深度值对反射特性的影响有关的深 度值评定，
c) 根据该评定，对每个表面元素分配一个反射值，并将反射值 存储在第二数据记录中，
此后，使包含了分配到每个表面元素上的这些反射值/参数的第 二数据记录可进一步用于加工系统或测试系统。鉴于先前已知的多个方法仅仅包括通过光泽度对整个表面进行 主观评估，或者在多个虚拟照明光源的影响下通过照片或CAD (计算 机辅助设计)仿真以一种一般化的方式对表面分配反射，在本发明方 案的情况下，基本步骤在于将表面的多种反射特性与三维表面所实际 表现出的宏观深度结构相关联，该宏观深度结构具有可区分的小表面 元素的形式。本发明方案因此脱离了常规方法，并且产生深度结构(即 该表面的高度分解的拓扑图)与局部反射行为的相关性。
一个有利的改进在于该方法的步骤b)和c)被设计为
b) 对第一数据记录进行边缘检测并随后参考深度值来作平均，
并且
c) 将通过平均而获得的并描述了边缘的频率和/或高度的值作 为反射值分配给每个表面元素，并且存储在第二数据记录中。
从光在边缘处散射的物理效应以及受其影响的随机安排数量的 边缘的反射率出发，在此进一步形成的方案在于使得通过特定数学算 子(即例如通过Sobel或拉普拉斯算子)进行边缘检测的方法(本身 在图像处理中是已知的)可用于三维表面的反射分析，这是首次通过 提供实际的和物理存在的深度信息和/或深度差值(即实际边缘)作 为用于计算的数据。
确切地说，在到目前为止的图像处理中所进行的所有操作是一 种对一个图像之内由亮度差形成的"边界"的二维观察、检测以及处 理。这些边界被称为"边缘"并且它们的检测被称为"边缘检测"。 像这样的边缘检测被用于，例如，对在组装线上有待加工的并且借助 相机拍照或拍摄的物体进行检测或计数。这样一种二维观察当然足以 检测二维的空间分配，但对于三维表面的复杂结构是不足够的，也不 足以对由此得到的反射特性进行建模。
顺便地说，由多个反射值描述的这些反射特性不需要被存储为 绝对值；相对反射值，即各个表面元素的反射值之间的差值，足以实 施该方法并且用于其应用。例如，边缘的相对频率可存储为描述反射 值的一个参数。
一个改进在于该平均是在边缘检测之后进行，这样表面元素被
6组合成多个组，并且在每种情况下通过近似运算把在组内进行了平均
的边缘频率和/或高度分配给这些组并储存在第二数据记录中。例如，
这样的平均通过高斯滤波器作为算子来进行。这产生表征化或泛化，
如果合适，通过该表征化或泛化可将边缘的多种数量以及厚度/高度
都归结为适当同一化的反射值，这些反射值有利于进一步的方法，例
如使用数据来控制加工机器。
另一个有利的改进在于在边缘检测之前进行了第一数据记录的
深度值的基于方向的滤波。通过这种基于方向的滤波(该滤波可以借
助于各种数学算子来进行)，关于该反射率的表述(常规边缘检测仅
仅着重于边缘高度以及边缘频率)被充分细化，从而对于不同的照明
条件或视角可以同样客观地并且可测量地表述反射特性。
另一个有利的改进在于该滤波是在该边缘检测之前通过定向高
斯滤波(directed Gaussian filtering)进行的。这里所涉及到的 是一个简单的算子，该算子运行快速并且能够使足够数量的方向能够
相对于它们的反射特性在可接受的次数里被表述。
一个有利的改进在于，通过如下设计该方法的步骤b)和c)来 将所谓的射线追踪方法用于确定实际的三维结构的反射特性/反射值
b) 作用在原始表面的轮廓(其通过深度值的第一数据记录所表 征)上的光辐射由仿真模型来描述，并且
c) 所述光辐射的反射是从被照射的表面元素的深度不连续性计 算得到，被分配给一个反射值并且被存储在第二数据记录中。
基于严格的物理排列一一并且取决于仿真模型一一该方法的这 个改进返回了在反射率的客观描述方面非常好的结果，但需要相当大 的计算量，特别是在基于方向的观察的情况下。
为了影响/改进人造表面尤其是压纹塑料薄膜表面的反射特性， 该方法的一个特别有利的用途在于
d) 将第二数据记录的反射值分成多个类，
e) 根据该分类来对第一数据记录的被分配给己分类的反射值的 深度值进行改变，并且
f) 将这些改变的深度值用作用于对工具进行电子控制以便加工人造表面的参数。
因此，本发明的方法可以用于生产人造表面的任何类型的方法。 经过改变的并由此相对于反射特性得到优化的表面深度结构可因此 作为简单的参数被叠加到无论预先是如何产生的任何基本深度方案/ 结构方案上，并且因此可直接用作被控制的变量。通过举例，这样的 一种应用会使根据其形状和压纹为汽车内部挑选的一种皮革(例如水 牛皮革，它虽然具有被顾客青睐的"结实的印象"，但假如有特定的 入射光，它在仪表板上的反射会令人不舒服)能够被生产为具有反射 性得到了优化的深度结构的一种塑料模制的皮革，而不影响所希望的 整体印象。
权利要求
1. 用于以数据记录的形式分析和描述三维结构原始表面尤其是压纹表面的反射特性的方法，该方法可用于表面加工系统或测试系统，所述方法的特征在于a)首先借助三维扫描方法确定原始表面的拓扑结构，并且在第一数据记录中存储如此确定的并且实质上包括高度值和深度值的拓扑数据，这些值属于跨越原始表面的光栅扫描的每个表面元素，为每个表面元素或光栅扫描元素分配一个测得的深度值从而产生原始表面的深度图，b)对第一数据记录进行与深度值对反射特性的影响有关的深度值评定，c)根据所述评定，对每个表面元素分配一个反射值，并且将反射值存储在第二数据记录中，此后，使包含了分配给每个表面元素的反射值的第二数据记录可用于进一步的加工系统或测试系统。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于该方法的步骤b)和 c)被设计为b) 对第一数据记录进行边缘检测，并随后参考深度值来作平均，并且c) 将通过平均而获得的并且描述了边缘的频率和/或高度的值 作为反射值分配给每个表面元素，并且存储在第二数据记录中。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于所述平均是在边缘检 测之后进行，从而表面元素被组合成多个组，并且在每种情况中，在 组内通过近似运算进行平均而得到的边缘频率和/或高度被分配这些 组并且被储存在第二数据记录中。
4. 如权利要求2或3所述的方法，其特征在于在边缘检测之前，对第一数据记录的深度值执行一次基于方向的滤波。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于在边缘检测之前通过 定向高斯滤波进行所述滤波。
6. 如权利要求l所述的方法，其特征在于所述方法的步骤b) 和c)被设计为b) 作用在由深度值的第一数据记录所表征的所述原始表面的轮 廓上的光辐射由仿真模型来描述，并且c) 所述光辐射的反射是从被照射的表面元素的深度不连续性计算得到，被分配给一个反射值并且被存储在第二数据记录中。
7. 权利要求1到6所述的方法在影响/改进人造表面尤其是压 纹塑料薄膜表面的反射特性方面的用途，其特征在于d) 将该第二数据记录的反射值分成多个类，e) 根据所述分类来改变第一数据记录的被分配给已分类的反射 值的深度值，并且f) 将改变的深度值用作用于对工具进行电子控制工具以便加工 人造表面的参数。
全文摘要
本发明涉及一种用于分析和描述三维结构的原始表面的反射特性的方法。根据所述方法，确定该原始表面的拓扑结构，将拓扑数据以一个深度图的形式存储在第一数据记录中，并且就所述数据对反射特性的影响进行评估。根据所述评估，每个表面元素被分配一个反射值并且将该值存储在第二数据记录中并使之可供其他加工或检测系统使用。
文档编号G01N21/47GK101473215SQ200780022930
公开日2009年7月1日 申请日期2007年4月24日 优先权日2006年6月20日
发明者克里斯蒂安·诺伊曼, 奥利弗·施塔尔胡特, 米夏埃尔·梅克 申请人:贝内克-凯利科股份公司