專利名稱：用于獲取高動(dòng)態(tài)范圍的光譜、空間和角度分解的輻射數(shù)據(jù)的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于獲取輻射數(shù)據(jù)的方法。更具體地，本發(fā)明涉及在一個(gè)集成的光學(xué) 系統(tǒng)中測量并描繪高動(dòng)態(tài)范圍的光譜、空間和角度分解的輻射數(shù)據(jù)。
背景技術(shù)：
物體的外觀是通過從受到觀察的物體輻射的光而造成的視覺感受。外觀本質(zhì)上是 空間域和三色域中的特征的組合。與入射光源(電磁輻射器)和觀測者(接收器)有關(guān)， 物體在不同的角度方向上通常具有大體上不同的外觀。例如數(shù)字照相機(jī)和計(jì)算機(jī)掃描儀等 普通的成像裝置通常將空間域和三色域分解。為了也描述依賴于角度的行為，在特征描述 處理中必需也包括角度自由度。捕捉并描繪物體的空間、角度及三色光學(xué)響應(yīng)在描繪用于 物體外觀的客觀原因時(shí)形成了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)。在該情境中的多個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)之一是物體的角度分解的光學(xué)特征描述通常包括寬 范圍的信號(hào)強(qiáng)度(信號(hào)動(dòng)態(tài))，包括高強(qiáng)度的鏡面反射和來自其它方向的低強(qiáng)度的反射。用 于圖像記錄的普通單元缺乏處理通常在該情境中出現(xiàn)的高動(dòng)態(tài)范圍的強(qiáng)度的能力，因此不 適合該種任務(wù)。描繪用于物體外觀的客觀原因具有高的工業(yè)相關(guān)性，例如當(dāng)在紙業(yè)中實(shí)施產(chǎn)品開 發(fā)時(shí)。產(chǎn)品開發(fā)可以減少產(chǎn)品的某些特征中的不足，比如不希望的光澤度(gloss)變化。描 繪用于物體外觀的客觀原因(包括不希望的光澤度變化)將在減少不期望的行為的對(duì)策研 究中是極其重要的幫助。物體外觀的客觀原因的特征描述可以增加產(chǎn)品開發(fā)工作的效率。由于描繪產(chǎn)品外觀的客觀原因的已知方法收集的數(shù)據(jù)不能有效描繪高動(dòng)態(tài)范圍 的光譜、空間和角度分解的輻射數(shù)據(jù)，因此這些方法不是非常有效。由于這些合成信息容量 (volume)的特性特征的每一個(gè)都極其重要，因此缺乏這些特征中的至少一個(gè)的每一種特征 描述方法都將不是最理想的特征描述方法。因此，存在對(duì)于改善的方法的明顯及明確的需 要。本發(fā)明滿足了該種需要。本發(fā)明產(chǎn)生對(duì)于先前沒能解決的問題有助于找到解決辦法的 新的相關(guān)信息。緩解與數(shù)據(jù)的特征描述相關(guān)的問題將有助于更有效的產(chǎn)品開發(fā)工作并最終 開發(fā)出更好并更便宜的產(chǎn)品?，F(xiàn)有技術(shù)申請(qǐng)人:的瑞典專利SE511929公開了一種通過與空間和角度信息一起記錄反射光 的強(qiáng)度來確定來自樣本的樣本表面的光澤度質(zhì)量的方法和裝置，因此將該專利并入本文作 為參考。通過上述瑞典專利SE511929部分限定的已知技術(shù)缺乏兩種彼此關(guān)鍵的特性，首 先A)(在被限制情況下顏色)還表征光譜分解的輻射的能力，然后B)充分表征與測角 (goniometric)特性相關(guān)的正常大的動(dòng)態(tài)范圍的輻射的能力。定向的輻射強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)范圍 對(duì)于普通和相關(guān)樣本表面可以覆蓋大于六個(gè)十進(jìn)制(從1到106單位的值)。輻射的高動(dòng) 態(tài)范圍的特征描述的問題部分地涉及普通圖像傳感系統(tǒng)的噪聲和失真量級(jí)(level)。為了 解決該問題，希望引入一種描述輸入和輸出信號(hào)之間的關(guān)系的傳感器系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在信號(hào)理論的較普通規(guī)則和圖像分析的較特定規(guī)則的資料中，存在目標(biāo)等級(jí)部分變化的大量 傳感器系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。下面僅描述在傳感器系統(tǒng)建模的該種環(huán)境中的某些最相關(guān)的問 題。對(duì)于非常高要求的應(yīng)用可以希望傳感器系統(tǒng)的輸入和輸出信號(hào)之間的關(guān)系的更先進(jìn)并 更精確的數(shù)學(xué)模型。這樣的模型在資料(信號(hào)理論和圖像分析規(guī)則)中進(jìn)行了描述。傳感 器系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模環(huán)境中的最相關(guān)的問題1.非線性輸-輸出響應(yīng)。理想地，所描述的傳感器應(yīng)該示出輸入X和輸出f (X)之 間的關(guān)系f(x) =mx+b，其中m是(常量)標(biāo)量并且b = 0。i)雖然輸入輻射在接收器感 應(yīng)的波長范圍內(nèi)接近于零，但是傳感器一般給出并非微不足道的輸出。該函數(shù)然后至多是 其中f(x) =mx+b并且b為非零的不希望的仿射映射。在通過所謂的“暗電流”(通常，在 某種程度上積分時(shí)間的函數(shù))及所謂的失真(通常，獨(dú)立于積分時(shí)間)引起的某些傳感系 統(tǒng)模型中，描述b。在本文中，為了簡化將模型項(xiàng)目b稱為“暗電流”，其中暗中包括了失真。
)傳感器可以示出除了常量斜率之外的輸入χ和輸出f(x)的之間的響應(yīng)，因此，不以m 是標(biāo)量來描述關(guān)系f (χ) = mx+b。這些缺陷i)和ii)可能造成顯像的問題，從而造成低質(zhì) 量的著色，并且對(duì)于進(jìn)一步的計(jì)算，由于非線性可以被描述為降低信號(hào)噪聲比的失真，從而 造成特征描述不太準(zhǔn)確。這些缺陷在描繪高動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)時(shí)比描繪較低動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)時(shí) 通常更嚴(yán)重。這些問題在描繪高動(dòng)態(tài)范圍輸入時(shí)比描繪更受限制的動(dòng)態(tài)范圍的輸入時(shí)更嚴(yán) 重，由此，該問題與本發(fā)明高度相關(guān)。2.非線性曝光(exposure)時(shí)間間隔-輸出關(guān)系。在測量過程中，使傳感器曝光以 在某些恰當(dāng)定義的時(shí)間間隔(其中對(duì)入射光量進(jìn)行積分以產(chǎn)生傳感器的輸出值的曝光時(shí) 間間隔)中進(jìn)行輻射?？臻g分解傳感器還具有多個(gè)傳感器元件，各個(gè)傳感器元件有助于復(fù) 合輸出。通常，對(duì)于所測量的樣本，應(yīng)該明智地選擇曝光時(shí)間間隔。太長的間隔導(dǎo)致傳感器 飽和并且因此將給出不正確的輸出。太短的間隔導(dǎo)致輸出很大程度包括暗電流(噪聲和失 真)(見上述的1中的i)以及所謂的量化失真。當(dāng)對(duì)有限數(shù)量的樣本以有限數(shù)量的量級(jí)， 即離散信號(hào)，代表連續(xù)的信號(hào)(無限量級(jí)的分解和無限的時(shí)間分解表示)時(shí)，量化失真出 現(xiàn)。假設(shè)線性數(shù)字表示時(shí)，量化失真的比率在低信號(hào)量級(jí)上通常較大。同樣，輸入信號(hào)可以 具有比傳感器能夠覆蓋的更高的動(dòng)態(tài)范圍，然后曝光時(shí)間間隔選擇可以是限制主要由于飽 和、量化失真及噪聲造成的誤差的聯(lián)合作用的最優(yōu)化問題。由于這些原因，希望具有改變曝 光時(shí)間的可能性。然而，改變曝光時(shí)間也造成輸出改變，較長的積分時(shí)間造成較高的信號(hào)輸 出。因此，為了能夠涉及不同的曝光時(shí)間間隔的測量，必需知道曝光時(shí)間間隔和信號(hào)輸出之 間的關(guān)系，從能夠理想地消除信號(hào)特征描述作用。如果該關(guān)系是非線性的，則最直觀并最通 常使用的關(guān)系f (X) = x/s，其中S是曝光時(shí)間，將導(dǎo)致特征描述不太準(zhǔn)確。這些問題在描繪 高動(dòng)態(tài)范圍輸入時(shí)比描繪更受制的動(dòng)態(tài)范圍的輸入時(shí)更嚴(yán)重，由此，該問題與本發(fā)明高度 相關(guān)。3.由于飽和的誤差傳播。理想地，當(dāng)空間分解的傳感器飽和時(shí)，應(yīng)該僅影響傳感器 的飽和的子部分。通過飽和的子部分的輸出值達(dá)到傳感器的最大值可以容易地識(shí)別該子部 分，并因此消除該飽和的子部分。然而，一般來說，傳感器不顯示出該希望的性能。相反，當(dāng) 傳感器的某個(gè)子區(qū)域飽和時(shí)，也影響周圍的區(qū)域，從而使周圍區(qū)域的輸出值失真。失真的周 圍區(qū)域不容易被識(shí)別，并且可能被無意地包括在輸出中，從而造成特征描述不太準(zhǔn)確。這些 問題在描繪高動(dòng)態(tài)范圍輸入時(shí)比描繪更受限制的動(dòng)態(tài)范圍的輸入時(shí)更嚴(yán)重，由此，該問題與本發(fā)明高度相關(guān)。通常，感應(yīng)高動(dòng)態(tài)范圍的主旨被稱為高動(dòng)態(tài)范圍成像，HDRIQiigh dynamicrange imaging)?；舅枷胧腔诙鄠€(gè)臨時(shí)的幫助圖像來建立一個(gè)最終圖像，其中臨時(shí)的幫助圖 像在其成像的積分時(shí)間上有所不同。當(dāng)構(gòu)造出自多個(gè)已成的臨時(shí)幫助圖像的最終的一個(gè)圖 像時(shí)，算法轉(zhuǎn)換彌補(bǔ)了由積分時(shí)間不同造成的所描繪的強(qiáng)度量級(jí)不同。已經(jīng)提出了解決高動(dòng)態(tài)范圍成像的方法，例如Nayar S K和Branzoi V在第九 期 IEEE International Conference on Computer Vision 2003 的國際會(huì)議的公報(bào)上的 "Adaptive Dynamic Range Imaging Optical Control of Pixel ExposuresOver Space and Time”，將其并入本文作為參考。該參考文獻(xiàn)描述了基于空間光調(diào)制器的高動(dòng)態(tài)范圍成 像裝置。所描述的方法是基于復(fù)雜并昂貴的技術(shù)子系統(tǒng)，即能夠處理高動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的色 彩空間光調(diào)制器(SLM)。該種裝置比本發(fā)明基于的成像硬件復(fù)雜和昂貴的多。除了對(duì)于高 動(dòng)態(tài)范圍成像系統(tǒng)使用復(fù)雜并昂貴的成像裝置，Nayar-Branzoi方法缺乏角度分解的關(guān)鍵 特征?？紤]到對(duì)于例如本發(fā)明等裝置的高的行業(yè)要求，可能爭辯說即使對(duì)于本行業(yè)的專業(yè) 人員所描述的高動(dòng)態(tài)范圍成像裝置和角度與空間分解的測量裝置的組合不是顯而易見的 操作。對(duì)于本發(fā)明的相關(guān)的另一爭論是在Nayar-Branzoi方法中使用的色彩SLM的高成本， 其將嚴(yán)重削弱行業(yè)應(yīng)用性。本發(fā)明可以改為基于普通的、相比而言低價(jià)格的C⑶傳感器，這 極大地增加了商業(yè)應(yīng)用性。然而，部分地由于飽和的傳感器元件造成的誤差傳播，因此對(duì)于 高動(dòng)態(tài)范圍成像使用傳統(tǒng)的色彩圖像傳感器是技術(shù)上的挑戰(zhàn)。本發(fā)明解決了使用CCD傳感 器涉及的挑戰(zhàn)。通常，上述缺點(diǎn)A)和B)削弱了應(yīng)用性并限制了已知技術(shù)的潛在工業(yè)價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種能夠描繪高動(dòng)態(tài)范圍的、空間和角度分解的輻射數(shù) 據(jù)的方法。這有助于在用于例如紙業(yè)等各種工業(yè)的高重要性的基本不同的領(lǐng)域范圍內(nèi)的新 的應(yīng)用。本發(fā)明的另一個(gè)目的是幫助高動(dòng)態(tài)范圍的、空間和角度分解的輻射的光譜分解的 特性描述。通過使用光譜上適當(dāng)限定的電磁輻射器和具有一組適當(dāng)限定的波道的接收器來 實(shí)現(xiàn)該特征描述。該特征描述可以包括一個(gè)或多個(gè)測量，這些測量在輻射器的光譜分布方 面有區(qū)別_這有助于熒光材料的特征描述。本發(fā)明的另一個(gè)目的是對(duì)于傳感器的每一個(gè)單獨(dú)的傳感器元件單獨(dú)地選擇輻射 曝光時(shí)間段，以有助于特別大的動(dòng)態(tài)范圍的輻射的記錄，這通常與來自其它測量幾何結(jié)構(gòu) 的高的強(qiáng)度光譜反射和低的光強(qiáng)度反射的組合有關(guān)。


下面，參考示例性實(shí)施例并參考附圖，將更具體地描述本發(fā)明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)可能的裝置的立體圖；圖2說明樣本的樣本表面的側(cè)面模型；圖3是信息容量的簡化圖示；圖4是根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生的信息容量的視圖。
具體實(shí)施例方式具體參考在附圖中說明的本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選示例性實(shí)施例。在任何地方，將貫穿 附圖使用相同的附圖標(biāo)記以指示相同或相似的部件。參考圖1，用于獲取例如紙頁等樣本的樣本表面的高動(dòng)態(tài)范圍的空間、角度和光譜 分解的輻射的方法可以這樣來確定通過使用輻照器(irradiator) 11并使用包括依次由 多個(gè)單個(gè)的傳感器元件14構(gòu)成的空間分解傳感器13的空間分解傳感器系統(tǒng)12，雖然在圖 1中沒有清楚的描述輻照器11，但輻照器11可以包括校準(zhǔn)輻照的光學(xué)器件、改變輻照頻譜 的光譜濾波器及極化濾波器，從而將所控制的光譜分布的電磁波輻照在樣本10的樣本表 面上。雖然在圖中沒有清楚的描述，但傳感器系統(tǒng)12可以包括校準(zhǔn)輻射的光學(xué)器件、改變 輻射頻譜的光譜濾波器及極化濾波器，并且根據(jù)下面描述的高動(dòng)態(tài)范圍過程記錄到達(dá)傳感 器系統(tǒng)12并且更具體地到達(dá)單個(gè)的傳感器元件14的電磁場的光譜分布。雖然可以是例如 0度等其它角度，但由輻照器11的光軸和傳感器系統(tǒng)12的光軸限定的角度V是特定實(shí)現(xiàn) 的45度。為了獲得空間分解信息，必須進(jìn)行一系列測量，具有下面的組件中的至少一個(gè)的 相對(duì)運(yùn)動(dòng)輻照器11、樣本10的樣本表面或傳感器系統(tǒng)12，該相對(duì)運(yùn)動(dòng)是相對(duì)于10-12三 個(gè)組件中的其它一個(gè)或其它兩個(gè)。由傳感器系統(tǒng)12和樣本10的相對(duì)傾斜造成的投射誤差 必須被再次變形，這可以使用基于基礎(chǔ)三角學(xué)的公知的適合的圖像分析算法來進(jìn)行。圖2說明由多個(gè)部分表面(part-surface) 20組成的樣本10的樣本表面的模型。 在該模型中，小平面(facet)20具有關(guān)于傾斜、反射率及發(fā)射度特性的信息。當(dāng)描繪樣本10的樣本表面時(shí)，對(duì)于分析樣本10的樣本表面的某個(gè)部分表面20的 各個(gè)單獨(dú)的傳感器元件14可以單獨(dú)選擇記錄曝光時(shí)間段。從而，可以編譯信息容量，其將 所記錄的高動(dòng)態(tài)范圍光譜分解電磁強(qiáng)度表示為測量時(shí)樣本10的樣本表面上部分表面20的 位置和在樣本上施加的各個(gè)角度的函數(shù)。嚴(yán)格地說，如果信息組的維數(shù)大于三，則術(shù)語“容 量(volume)”應(yīng)該與“超容量(hyper volume) ”的表達(dá)互換，所存儲(chǔ)的信息被光譜分解。盡 管如此，為了方便，下面仍將信息組稱為信息容量。為了成功地選擇曝光時(shí)間，單獨(dú)選擇曝光時(shí)間的方法包括多個(gè)關(guān)鍵的先決條件， 包括(下面進(jìn)一步具體描述)1.傳感器的響應(yīng)曲線的特征描述，其可以近似地表征為i)暗電流，即在關(guān)系 f(x) mx+b中表征b，及ii)斜率，即對(duì)于關(guān)系f (X) mx+b優(yōu)化m，從而當(dāng)對(duì)X積分時(shí)，使 函數(shù)Z(X) = abs(f(x)-(mx+b))最小化，其中abs()是絕對(duì)值。2.作為傳感器曝光時(shí)間的函數(shù)的傳感器的響應(yīng)的特征描述。3.誤差傳播特征描述_飽和的傳感器元件怎樣傳播到周圍的傳感器元件。下面的描述給出獲取先決條件1-3的方法Ii.可以通過在保護(hù)傳感器不受輻射的同時(shí)測量傳感器輸出來實(shí)現(xiàn)暗電流的特征 描述，從而傳感器僅曝光于微不足道數(shù)量的輻射，傳感器對(duì)于該輻射的波長敏感。理想地， 然后傳感器應(yīng)該產(chǎn)生零輸出，但是，通常物理(非理論)傳感器不是這樣的情況。理想地應(yīng) 該對(duì)每一個(gè)單個(gè)傳感器元件14單獨(dú)執(zhí)行導(dǎo)致暗電流圖像的所述特性，但是可替換地，可以 以所有單個(gè)傳感器元件14的平均值(暗電流標(biāo)量)來近似所述特征描述。應(yīng)該對(duì)于所有 相關(guān)傳感器曝光時(shí)間間隔單獨(dú)地執(zhí)行所述特征描述，或通過在多個(gè)不同的曝光時(shí)間間隔上的暗電流的特征描述和其它相關(guān)暗電流值的內(nèi)插來近似所述特征描述。此后，暗電流特征 描述被用于補(bǔ)償傳感器輸出-通過將對(duì)應(yīng)的暗電流值及可能的負(fù)值設(shè)置為零來減少傳感 器輸出。Iii.可以在保持輻射11的光譜分布不變的同時(shí)，特別是通過在不同輻射強(qiáng)度的 范圍中使傳感器曝光來執(zhí)行(在上述減去暗電流之后)剩余的傳遞函數(shù)的特征描述，從而 獲得輸入輻射強(qiáng)度和傳感器輸出值之間的關(guān)系。對(duì)于傳感器的每一個(gè)光譜波道(spectral channel)執(zhí)行該特征描述。2.可以通過下面的過程來執(zhí)行作為傳感器曝光時(shí)間的函數(shù)的傳感器的響應(yīng)的特 征描述a.選擇最短可能的曝光時(shí)間，調(diào)節(jié)在傳感器上的輻射強(qiáng)度以達(dá)到小的減去暗電流 的傳感器輸出，比如峰值輸出的3-5%的范圍內(nèi)。b.在下面的處理步驟過程中，保持輻照器11的強(qiáng)度不變。c.對(duì)曝光時(shí)間增加小的增量，并記錄傳感器輸出。d.當(dāng)傳感器輸出飽和時(shí)停止，并消除對(duì)應(yīng)的曝光時(shí)間_傳感器輸出配對(duì)。上述過程產(chǎn)生期望的曝光時(shí)間_傳感器輸出關(guān)系。3.飽和的誤差傳播。通過將誤差劃分為兩種主要不同的誤差源有助于誤差的理 解電路導(dǎo)致的誤差傳播(通常被稱為“滲漏(bleeding)”)及散射導(dǎo)致的誤差傳播。此 外，對(duì)于描繪誤差傳播選擇的方法依賴于所使用的傳感器的類型。A)如果傳感器系統(tǒng)12對(duì) 于每一個(gè)光譜波道具有一個(gè)傳感器，或類似地使用光譜(色彩)和空間全局(global)( — 個(gè)濾波器覆蓋傳感器13的所有傳感器元件14)，則可以使用下面的方法執(zhí)行特性在無限 距離上產(chǎn)生輻射點(diǎn)源的近似，例如，使用具有保護(hù)罩的校準(zhǔn)的泛光(flood)輻射體，該保護(hù) 罩具有允許輻射傳輸?shù)臉O微小的洞。點(diǎn)源(罩中的洞)應(yīng)該小于由一個(gè)單個(gè)傳感器元件 14在樣本上覆蓋的對(duì)應(yīng)的尺寸。通過以比使在其檢測域中包括點(diǎn)源的傳感器元件飽和的 強(qiáng)度更高的各種相關(guān)強(qiáng)度來表征點(diǎn)源，可以表征系統(tǒng)的誤差傳播。B)如果傳感器具有集成 的光譜選擇的馬賽克以產(chǎn)生光譜選擇性，則飽和的誤差傳播將造成在系統(tǒng)的特征描述過程 中可能使用的、某些明顯的不希望的顏色失真結(jié)果。使用下面的方法可以執(zhí)行該特征描述 誤差傳播將影響對(duì)應(yīng)于其它顏色的周圍的像素，通過研究隨著傳感器中的功能強(qiáng)度量級(jí)的 顏色圖案(用于靜態(tài)圖形)的改變，有助于誤差傳播的特征描述。大多數(shù)物理(現(xiàn)實(shí)的) 傳感器對(duì)于不同顏色波道具有不同的敏感性(在補(bǔ)償之前)。假設(shè)顏色波道敏感性中具有 這樣的差異并使用輻照能譜的物體，即，在每個(gè)給定的空間位置，對(duì)于傳感器的相應(yīng)光譜波 道(僅對(duì)應(yīng)于可見光的特別情況下的灰度色標(biāo))能譜近似地相等。物體的輻照能在由傳感 器13覆蓋的區(qū)域內(nèi)進(jìn)一步從低的強(qiáng)度到高的強(qiáng)度改變(對(duì)應(yīng)于在可視的電磁輻射的特定 情況中的從接近黑色到接近白色的灰度色標(biāo)變化)。通過所描述的先決條件，在非飽和傳 感器下感應(yīng)物體，輸出在每一個(gè)位置將是正的，但是，由于傳感器的光譜波道的敏感性的差 別，因此對(duì)于每一個(gè)光譜波道并不相等。當(dāng)增加輻照器的強(qiáng)度時(shí)，則飽和發(fā)生，包括誤差傳 播到鄰近傳感器元件。由于飽和將產(chǎn)生特定傳感器元件中的真實(shí)值的估計(jì)不足，并且由于 誤差傳播到鄰近傳感器元件將產(chǎn)生其它光譜帶的鄰近傳感器元件的過高估計(jì)，因此，表示 出雙重結(jié)果微小誤差傳播的已有的顏色改變，由于飽和誤差傳播的顏色失真。例如通過普 通的均方根(RMS)距離測量可以表征顏色失真的量。在臨時(shí)幫助圖像的成像處理中，通過假設(shè)任意選擇的誤差傳播環(huán)境，并使用排除不正確的傳感器元件值的環(huán)境，基于假設(shè)的誤 差傳播環(huán)境產(chǎn)生結(jié)果圖像?；诙鄠€(gè)假設(shè)的誤差傳播環(huán)境可以產(chǎn)生相同數(shù)量的多個(gè)結(jié)果圖 像，并且可以估計(jì)它們的信號(hào)噪聲比性能。如果可以假設(shè)誤差傳播環(huán)境被限制到很少的幾 個(gè)傳感器元件，例如對(duì)應(yīng)于假設(shè)10個(gè)傳感器元件的距離，則符合要求(基于誤差傳播的前 述的兩種基本原因)的誤差傳播環(huán)境的數(shù)量相對(duì)很少的(10進(jìn)制的)，并且使用所提到的距 離測量在失真方面容易評(píng)價(jià)。注釋在優(yōu)化誤差傳播排除環(huán)境的調(diào)查中，如果環(huán)境被選擇地太小，則在臨時(shí)幫助 圖像中將包括不正確的誤差傳播影響的傳感器值，因此，結(jié)果圖像造成失真增加。如果所選 定的誤差傳播排除環(huán)境被選擇的太大，則包括正確值的不定數(shù)量的傳感器值將被從臨時(shí)幫 助圖像中排除，這限制了成像算法的潛力，導(dǎo)致圖像的信號(hào)噪聲比減少，導(dǎo)致失真增加。因 此，當(dāng)選擇太小或太大的誤差傳播排除環(huán)境時(shí)，將增加失真。因此，當(dāng)選擇誤差傳播排除環(huán) 境的大小時(shí)，傾向于在最小的失真量級(jí)處可以達(dá)到最優(yōu)。通過滿足所述三種先決條件，可以通過下面的方法實(shí)現(xiàn)本發(fā)明對(duì)于給定的物體 場景并且使用成像光學(xué)元件，使單個(gè)的傳感器元件14曝光于來自該場景的輻射以在下面 的任意一種持續(xù)時(shí)間得到強(qiáng)度值I1 :a)當(dāng)單個(gè)的傳感器元件14已經(jīng)達(dá)到預(yù)定(高的)值 I1 = Ih時(shí)的時(shí)間段T1，或b)到達(dá)曝光(也被稱為積分時(shí)間)值的預(yù)先限定的最大時(shí)間段 Tmax, T1和Tmax中無論哪一個(gè)最短則為最短的值。在單個(gè)的傳感器元件的基礎(chǔ)上，這將造成 傳感器元件通常使用不同的曝光時(shí)間段。此后，使用已經(jīng)描述的先決條件，在任一情況下 2a) I1 = Ih，或2b)已經(jīng)達(dá)到Tmax (I1SIh),使用下面的方式變換單個(gè)的傳感器元件14輸出 1)補(bǔ)償合適的暗電流值，2)補(bǔ)償使用的曝光時(shí)間段。對(duì)于單個(gè)的傳感器元件執(zhí)行所有這些 補(bǔ)償。對(duì)于傳感器的所有的單個(gè)的傳感器元件14執(zhí)行所述補(bǔ)償將產(chǎn)生高動(dòng)態(tài)范圍的傳 感器輸出。對(duì)于傳感器的每個(gè)光譜波道執(zhí)行一個(gè)高動(dòng)態(tài)范圍的傳感器輸出。所述算法有助 于光譜的高動(dòng)態(tài)范圍成像裝置與空間和角度分解特征描述方法結(jié)合以執(zhí)行高動(dòng)態(tài)范圍的 光譜、空間和角度分解的輻射特征描述。使用較簡單的方法，可以從中選擇的單獨(dú)積分的時(shí) 間段被限制為為數(shù)不多的幾個(gè)，例如四個(gè)。使用四個(gè)不同的積分時(shí)間段，產(chǎn)生這四個(gè)不同的 部分圖像。對(duì)于絕大多數(shù)地對(duì)應(yīng)于較長積分時(shí)間間隔的圖像，該方法可能造成多個(gè)不同的 飽和的傳感器元件14。先前描述的誤差傳播的特征描述指導(dǎo)確定在測量中排除什么區(qū)域。 從而可以以不同的方式實(shí)現(xiàn)獲取不同積分時(shí)間段的序列。上述給出的是兩個(gè)示例1)通過 傳感器元件單個(gè)選擇，當(dāng)可以選擇接近連續(xù)地可變的積分時(shí)間時(shí)為恰當(dāng)?shù)?，?) —組臨時(shí) 幫助圖像的成批記錄，其中在圖像之間積分時(shí)間不同，當(dāng)記錄被限制于僅僅為數(shù)不多數(shù)量 的不同的積分時(shí)間間隔時(shí)，或當(dāng)傳感器系統(tǒng)12不提供單獨(dú)控制傳感器元件14積分時(shí)間時(shí) 為恰當(dāng)?shù)?。圖3說明以用作樣本10的樣本表面的電磁反射和放射特性的表示的信息容量的 形式存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，更具體地，該表示是函數(shù)I = f(x, y，ζ)，其中I代表以坐標(biāo)(χ，ι, ζ)測 量的光譜分解電磁反射。χ-y尺寸表示在樣本10的樣本表面內(nèi)的位置，ζ尺寸表示在測量 時(shí)對(duì)樣本施加的角度，ζ值范圍從- β λΧ到βΜΧ，其中0度的施加角度對(duì)應(yīng)于被定向的平滑 的光澤樣本，以使其總體上顯示鏡面反射。在整體鏡面反射上，在給定示例中，輻照器11的 光軸和對(duì)于樣本10的樣本表面正交的中值(mean)形成了-22. 5度角，并且類似地，成像系統(tǒng)12的光軸和對(duì)于樣本10的樣本表面正交的中值形成22. 5度角。雖然給定示例中的 ζ值的范圍是顯示為圍繞零的對(duì)稱范圍，但是其并非總是優(yōu)選的。在圖3中的給定示例中， β mx對(duì)應(yīng)于接近55度。因此，每一個(gè)給定三元組<Xi，Yj, zk>定義容量元素，或所謂的三維 象素(voxel)(參照像素)?？梢允褂美缛S等低維度的光譜來記錄光譜反射和發(fā)射特 性，其中，一個(gè)示例是在圖像感應(yīng)和計(jì)算機(jī)情境的普通RGB原理中，其中該種三維像素的另 一示例是更適合CIE XYZ原理的對(duì)于視覺感知應(yīng)用，或具有三個(gè)或其它數(shù)量的維數(shù)的其它 合適的表示。達(dá)到壓縮的其它可能的并稍復(fù)雜的策略是執(zhí)行樣本的樣本表面上輻射特征描 述的更嚴(yán)格的光譜分解測量，并然后對(duì)基向量的特性組執(zhí)行壓縮。此外，這些可以基于傅里 葉原理、小波原理，或基于通常使用的信號(hào)理論的規(guī)則和對(duì)于特征向量和矢量量化的通用 的適合的概念而產(chǎn)生。然而，另一更復(fù)雜的方法是使用窄帶輻照器并對(duì)于不同執(zhí)行的多個(gè) 重復(fù)的測量使用不同的輻照器中點(diǎn)波長，來執(zhí)行多個(gè)重復(fù)的光譜分解測量。因此，該結(jié)果是 高動(dòng)態(tài)范圍的空間和角度分解的輻射因子矩陣-用于信息容量中的每一個(gè)給定三維象素 的矩陣信息-異常強(qiáng)大的光學(xué)信息組，其能夠有意義地描繪樣本10的樣本表面以顯示出一 般用于例如文檔安全業(yè)等中的衍射光變圖像設(shè)備(DOVID)效果及熒光效果。以先前的推理 類推，如果維數(shù)又大于三，則嚴(yán)格地說術(shù)語“容量”又是不合適的，“超容量(hyper volume)” 的表達(dá)更正確。在最后給定的示例中，關(guān)于輻照器11的激勵(lì)波長也進(jìn)行分解。盡管如此， 為了方便，下面仍將信息組稱為信息容量。圖4是根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生的信息容量的摘錄的視圖。注意由于專利申請(qǐng)規(guī)定禁止 彩色圖示，因此盡管特征描述包括顏色信息，但該圖示僅是黑白的。所描繪的樣本表面區(qū)域 本質(zhì)上不包括熒光材料，因此可以將該特征描述為更有限的反射信息容量。所描繪的表面
是500歐元紙幣中的商標(biāo)為Alphagram 的所謂的衍射光變圖像器件(dovid)。該圖目標(biāo)
在于說明基本特征，包括信息容量的分辨率。注意，該圖中的所有子說明起源于一個(gè)并且相 同的結(jié)果信息容量(即，沒有多個(gè)例如適于不同反射等級(jí)等的特征描述)。在該圖示的背景 中，存在兩個(gè)正交的平面，一個(gè)水平圖像平面和一個(gè)垂直的角平面。子說明A 放大角平面， 說明特征描述的高角分辨率。子說明B 放大圖像平面，說明高空間分辨率。子說明c 放大 在容量的低反射區(qū)域中的角平面，其中，放大說明(而不是背景)區(qū)域具有高的擴(kuò)大的色調(diào) 值，以有助于低反射區(qū)域的研究。盡管是高的擴(kuò)大，注意為低量級(jí)的失真和噪聲。子說明D 放大高反射區(qū)域中的角平面，其中，放大說明(而不是背景)區(qū)域具有高度減弱的色調(diào)值， 以有助于高反射區(qū)域的研究。盡管高的反射，注意色調(diào)值的緩慢漸變，表示特征描述沒有遭 受飽和。如果大量位置已經(jīng)具有相等的并且在說明中最大的強(qiáng)度，其已經(jīng)表示出(但不是 證據(jù))特征描述正遭受飽和。這不是圖4中的情況。

可以通過使用本發(fā)明獲得信息。該信息可以用于多個(gè)不同的方面，例如 提高所研究的樣本的品質(zhì)特性。本發(fā)明可以用于大范圍的不同的工業(yè)，可以通過可能使用 的兩個(gè)示例的領(lǐng)域來作為例子，下面進(jìn)行描述 在紙業(yè)中的應(yīng)用。由于許多打印質(zhì)量問題與紙的光澤和顏色特性相關(guān)，因此光澤 和顏色的具體(空間分解)特征描述對(duì)于產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域的專業(yè)人員是重要的工具。 在安全文檔業(yè)中的應(yīng)用。最有效的光學(xué)安全功能是當(dāng)前所謂的光變器件(OVD)， 其中外觀的顯著變化作為相對(duì)于光源和觀察者設(shè)立的角的函數(shù)。例如在最具有統(tǒng)治性的貨 幣的紙幣中、在個(gè)人識(shí)別文檔中及在信用卡中等包括了 0VD。執(zhí)行這些OVD的相關(guān)特征的具體儀器特征描述的能力對(duì)于工業(yè)具有很高的價(jià)值。 這些僅是無數(shù)領(lǐng)域中的兩個(gè)，其中，當(dāng)前技術(shù)不滿足工業(yè)需要，并且本發(fā)明作出了 極大的貢獻(xiàn)來滿足該工業(yè)的這些需要。
權(quán)利要求
一種獲取例如紙張的樣本的樣本表面的高動(dòng)態(tài)范圍的光譜、空間和角度分解的輻射的方法，通過電磁輻照器將受到控制的光譜分布的電磁輻射輻照在樣本的樣本表面，并且使用電磁感應(yīng)傳感器以記錄所反射的光譜分布而實(shí)現(xiàn)所述方法，其特征在于，由樣本的樣本表面的多個(gè)空間上限定的部分表面來反射電磁場的強(qiáng)度的光譜分布，并記錄對(duì)于每個(gè)單獨(dú)的傳感器元件單獨(dú)地選擇的曝光時(shí)間段，從而將代表所記錄的高動(dòng)態(tài)范圍的光譜分解的電磁輻射的信息容量編譯作為在測量過程中樣本的樣本表面內(nèi)的部分表面的位置和對(duì)樣本施加的各個(gè)角度的函數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過三種校準(zhǔn)來獲得輸入輻射和輸出信 號(hào)之間的功能依賴性i)單個(gè)的傳感器元件的響應(yīng)曲線的特征描述，該特征描述可以通過 下面的特征描述進(jìn)行近似:A)暗電流，即，在關(guān)系式f(x) mx+b中表征b ；及B)斜率，即， 對(duì)于關(guān)系式f (χ) ^ mx+b優(yōu)化m，從而當(dāng)對(duì)χ進(jìn)行積分時(shí)，使函數(shù)ζ (x) = abs (f (χ) - (mx+b)) 最小化，其中abs()是絕對(duì)值，ii)作為單個(gè)的傳感器元件的曝光時(shí)間的函數(shù)的單個(gè)的傳感 器元件的響應(yīng)的特征描述，iii)單個(gè)的已飽和的傳感器元件的誤差空間傳播的特征描述。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，通過在保護(hù)傳感器不受傳感器敏感的波 長的輻射的同時(shí)，測量傳感器輸出來實(shí)現(xiàn)暗電流的特征描述，之后，暗電流的特征描述用于 補(bǔ)償單個(gè)的傳感器元件的輸出，從所述傳感器輸出中減去相應(yīng)的單個(gè)的傳感器元件的暗電 流值。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，通過下面的過程執(zhí)行作為單個(gè)的傳感 器元件的曝光時(shí)間的函數(shù)的單個(gè)的傳感器元件的響應(yīng)的特征描述a)選擇最短可能的曝 光時(shí)間，調(diào)節(jié)在傳感器上的輻射強(qiáng)度以達(dá)到低的、減去暗電流的傳感器輸出，比如在峰值輸 出的3-5%的范圍內(nèi)，b)在后續(xù)的處理步驟過程中，保持輻照強(qiáng)度不變，c)對(duì)曝光時(shí)間增加 小的增量，并記錄傳感器輸出，d)當(dāng)傳感器輸出飽和時(shí)停止，并消除相應(yīng)的曝光時(shí)間-傳感 器輸出配對(duì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2到4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過將任務(wù)分為兩種根本不 同的原因的誤差空間傳播，有助于誤差空間傳播的特征描述，所述兩種根本不同的原因的 誤差空間傳播是電路造成的誤差空間傳播及散射造成的誤差傳播。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，重復(fù)的特征描述的區(qū)別在 于光譜限定的窄帶電磁輻射的中點(diǎn)波長在特征描述之間是不同的，對(duì)于所表征的每一個(gè)所 施加的角上的每個(gè)單獨(dú)的部分表面產(chǎn)生輻射因子矩陣。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過使由輻照器輻照的電 磁輻射經(jīng)過極化濾波器來極化所述由輻照器輻照的電磁輻射。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，來自樣本的樣本表面的所 反射和放射的光譜輻射在被電磁感應(yīng)傳感器記錄之前，經(jīng)過極化濾波器。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，重復(fù)的特征描述的區(qū)別在 于光譜限定的窄帶電磁輻射的中點(diǎn)波長在特征描述之間具有最大IOnm的不同，對(duì)于所表 征的每一個(gè)所施加的角上的每個(gè)單獨(dú)的部分表面產(chǎn)生輻射因子矩陣。
全文摘要
一種獲取例如紙張等樣本的樣本表面的高動(dòng)態(tài)范圍的光譜、空間和角度分解的輻射的方法，通過電磁輻照器將受到控制的光譜分布的電磁輻射照射在樣本的樣本表面上，并且使用電磁感應(yīng)傳感器以記錄所反射的光譜分布來實(shí)現(xiàn)該方法。電磁場的強(qiáng)度的光譜分布被建模為已經(jīng)被樣本的樣本表面的多個(gè)空間適當(dāng)限定的部分表面進(jìn)行反射。關(guān)于輸入輻射和輸出信號(hào)之間的功能依賴性以及對(duì)于每一個(gè)單個(gè)傳感器元件單獨(dú)地選擇的曝光時(shí)間段的記錄適當(dāng)限定電磁感應(yīng)傳感器，從而將代表所記錄的高動(dòng)態(tài)范圍的光譜分解的電磁輻射的信息容量編譯作為在測量過程中樣本的樣本表面內(nèi)的部分表面的位置和對(duì)樣本施加的各個(gè)角度的函數(shù)。
文檔編號(hào)H04N5/361GK101910826SQ200980102369
公開日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2009年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月24日
發(fā)明者米卡埃爾·林德斯特蘭德 申請(qǐng)人:米卡埃爾·林德斯特蘭德