任意形状样品多光谱双向反射分布函数的测量方法和系统的制作方法
任意形状样品多光谱双向反射分布函数的测量方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光学测量仪器，具体是一种多光谱双向反射分布函数测量系统及 方法。
【背景技术】
[0002] 双向反射分布函数（BidirectionalReflectanceDistributionFunction，简称BRDF)指的是物体表面微面元沿着出射的光谱辐射亮度dk(单位为WAm2*Sr?ym))与沿 着入射方向入射到被测表面的光谱辐照度dEi(单位SwAm2*ym))的比值，如图1所示， 其公式表示如下：
[0004] 式中0i和巾i分别表示入射方向的天顶角和方位角，0 1和<i>r分别表示反射方 向的天顶角和方位角，入射光波长为X。双向反射分布函数是一个具有五个维度的函数。
[0005] 通常用全向反射度计来测量双向反射分布函数，其包括光源、样品夹持装置、探测 器和精密转角装置。中国科学院安徽光机所的魏庆农等建立了一套全自动双向反射分布函 数测量系统，可以测量半球空间内几乎所有角度下的偏振双向反射分布函数。中国科学院 长春光机所的金锡峰等完成的测量系统同样可以实现对双向反射分布函数的测量。国内其 他全向反射度计的研宄单位主要包括哈尔滨工业大学、西安电子科技大学和北京航空航天 大学等。这些全向反射度计主要用于研宄典型材质的散射特性和其与材质光学特性的关 系。大多数这类全向反射度计使用激光光源，只能得到若干个离散波长散射光的测量值；少 数这类仪器通过使用宽谱光源和分光光度计可以测量宽谱双向反射分布函数。但是这类全 向反射度计只能测量特制的平面样品，不能测量任意形状曲面样品。
[0006] 基于成像原理的方法可以用来测量任意形状曲面样品。现有技术中，可以采用固 定点光源，通过移动一台CCD摄像机从若干预先标定的位置和角度对同一物体拍摄了多幅 照片，在已知物体几何形状数据的情况下，通过逆向绘制算法获得了具有均匀材质的曲面 物体的双向反射分布函数；还可以利用一个转臂在一个平面内旋转光源，通过一个固定的 相机对球形样品拍摄照片实现双向反射分布函数的测量；还可以通过将非各向同性的材料 按不同表面纹理方向切割为条状样品，并将这些条状样品依次粘贴在一个柱体上，实现了 对非各向同性物体4维双向反射分布函数的测量。斯坦福大学的SphericalGantry包括 两个可以旋转的机械臂以改变光源和相机相对于样品的位置。北京航空航天大学的马宗泉 等建立的多相机多光源阵列测量系统可以对任意形状物体均匀材质的双向反射分布函数 进行测量。这种方法的优点是测量效率高，可以测量任意形状的样品，缺点是只支持RGB颜 色通道上的数据采集，光谱分辨率不高。同时这类测量平台往往需要与一个三维重建系统 配合工作，以获得任意形状样品表面的采样点的法线数据，导致测量效率较低。
[0007] 综上，当前已有的双向反射分布函数测量系统大多只能测量平面样品的多光谱双 向反射分布函数或任意形状样品在RGB三个通道上的双向反射分布函数。没有可以测量任 意形状样品的多光谱双向反射分布函数测量仪器。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题是如何测量任意形状的样品的多光谱双向反射分布 函数。
[0009] 为此目的，本发明提出了一种能够测量任意形状样品的多光谱双向反射分布函数 的多光谱双向反射分布函数测量系统及方法。
[0010] 本发明提供一种多光谱双向反射分布函数测量系统，包括：
[0011] 球形支架，用于固定LED准直光源、成像光谱仪和投影仪；
[0012] 样品支架，设置于所述球形支架的中心位置，用于承载待测样品；
[0013] 光源阵列单元，包括多个所述LED准直光源，多个所述LED准直光源均匀分布于所 述球形支架上，并且每个所述LED准直光源的光轴指向所述球形支架的中心，所述光源阵 列单元用于从不同方向向所述待测样品投射准直光束；
[0014] 投影仪阵列单元，包括多个所述投影仪，多个所述投影仪均匀分布于所述球形支 架上，并且每个所述投影仪的光轴指向所述球形支架的中心，所述投影仪阵列单元用于向 所述待测样品表面投射格雷码图像；
[0015] 成像光谱仪阵列单元，包括多个所述成像光谱仪，多个所述成像光谱仪均匀分布 于所述球形支架上，并且每个所述成像光谱仪的光轴指向所述球形支架的中心，所述成像 光谱仪阵列单元用于采集所述待测样品在被所述投影仪投射格雷码图像时或所述LED准 直光源照射时的样品图像；
[0016] 中央控制服务器，用于发送控制信号到所述光源阵列单元、所述成像光谱仪阵列 单元和所述投影仪阵列单元，并根据所述成像光谱仪阵列单元采集的样品图像，计算每个 采样点的三维坐标，根据所述三维坐标计算相应采样点的法线，根据每个三维坐标和对应 的法线计算所述待测样品上的所有采样点的多光谱双向反射分布函数。
[0017] 可选地，所述投影仪阵列单元还包括投影控制服务器，所述投影控制服务器用于 接收所述同步测量信号，并向所述投影仪输出一组格雷码图像，每个所述投影仪向所述待 测样品依次投射所述格雷码图像；
[0018] 所述成像光谱仪阵列单元还包括光谱仪控制服务器，所述光谱仪控制服务器用于 向所有所述成像光谱仪发送同步触发信号，以使所述成像光谱仪同步采集样品图像；
[0019] 所述中央控制服器，还用于向所述投影控制服务器和所述光谱仪控制服务器发出 同步测量信号，
[0020] 为所述样品图像中的每个像素生成关于成像光谱仪、投影仪和格雷码图像的编码 (C，p，g)，其中c为成像光谱仪的编号，P为投影仪的编号，g为所述像素对应的格雷码，
[0021] 确定不同的样品图像对应的同一个采样点的像平面坐标集合（Xl，yi)、 (x2，y2)、……、（Xm，ym)，其中，m为可以观察到这个采样点的成像光谱仪数量，
[0022] 根据所述成像光谱仪的CCD相机的内参和外参以及所述采样点的像平面坐标集 合，确定所述采样点对应不同所述样品图像反射方向矢量集合5、A........t，
[0023] 计算所述反射方向矢量集合的交点，所述交点的坐标即为所述采样点的三维坐 标；
[0024] 所述中央控制服务器，还用于根据所述采样点的三维坐标的集合计算所述采样点 的法线，
[0025] 将每个所述采样点的像素编码、像平面坐标集合、反射方向矢量集合、三维坐标和 法线保存在一个数据结构中。
[0026] 可选地，所述成像光谱仪阵列单元还包括图像采集同步控制器；
[0027] 所述光源阵列单元还包括光源控制服务器；
[0028] 所述多光谱双向反射分布函数测量系统还包括：
[0029] 其中，所述中央控制服务器，还用于向所述光源控制服务器发出光源控制信号，
[0030] 所述光源控制服务器，用于根据所述光源控制信号控制逐个开关所述LED准直光 源；
[0031] 所述中央控制服务器，还用于每次打开一个LED准直光源时向所述图像采集同步 控制器发出图像立方采集信号；
[0032] 所述图像采集同步控制器，用于根据所述图像立方采集信号，向所述成像光谱仪 发送采集N个波长下的同步触发信号，并将N个样品图像合成为一个图像立方体，
[0033] 所述中央控制服务器，还用于为每个图像立方体中的每个像素生成编码（c，1)，其 中c为成像光谱仪的编号，1为LED准直光源的编号，
[0034] 根据图像立方体的像素坐标检索所述数据结构，获得每个像素的坐标所对应的像 素编码、反射方向矢量集合、三维坐标和法线；并根据所述LED准直光源的编号及三维坐 标，确定所述像素所对应的采样点的入射方向矢量，根据所述入射方向矢量，法线和反射方 向矢量，计算所述采样点的入射方向的天顶角和方位角和反射方向的天顶角和方位角，
[0035] 采用相对测量方法，比较标准样品和所述待测样品的图像方立方体像素值，确定 所述待测样品上的所有采样点的多光谱双向反射分布函数。
[0036] 可选地，所述成像光谱仪包括可调滤波器；
[0037] 可选地，所述成像光谱仪阵列单元，在逐个打开每个所述LED准直光源时，获取所 述LED准直光源在一个已知形状和尺寸的镜面球体上的反射图像，根据所述样品支架上设 置的镜面球体的入射反射关系以及所述成像光谱仪的内参和外参，确定所述每个LED准直 光源的三维坐标。
[0038] 本发明还提供一种采用上述多光谱双向反射分布函数测量系统进行测量的方法， 包括：
[0039] S1，确定所述待测样品表面的所述采样点的三维坐标和法线；
[0040] S2,根据所述三维坐标和法线，测量待测样品表面每个所述采样点的多光谱双向 反射分布函数数据。 [0041] 可选地，所述步骤S1包括：
[0042] S101，所述中央控制服器向所述投影控制服务器和所述光谱仪控制服务器发出同 步测量信号；
[0043] S102,所述投影控制服务器接收所述同步测量信号，向所述投影仪输出一组格雷 码图像，每个所述投影仪向所述待测样品依次投射所述格雷码图像；
[0044] S103,所述光谱仪控制服务器向所有所述成像光谱仪发送同步触发信号，以使所 述成像光谱仪采集被投射了所述格雷码图像的样品图像；
[0045]S104,为所述样品图像中的每个像素生成关于成像光谱仪、投影仪和格雷码图像 的编码（c，p，g)，其中c为成像光谱仪的编号，p为投影仪的编号，g为所述像素对应的格雷 码；
[0046]S105,确定不同的所述样品图像对应的同一个采样点的像平面坐标集合（Xpy)、 (x2，y2)、……、（Xm，ym)，其中，m为可以观察到这个采样点的成像光谱仪的数量；
[0047] S106,根据所述成像光谱仪的CCD相机的内参和外参以及所述采样点的 像平面坐标集合，确定所述采样点对应不同所述样品图像的反射方向矢量集合 Vj\ 卩2、 ??????、Vm，
[0048]S107，计算所述反射方向矢量集合的交点，所述交点的坐标即为所述采样点的三 维坐标；
[0049] S108,根据所述采样点的三维坐标的集合计算所述采样点的法线；
[0050] S109,将每个所述采样点的所述像素编码、像平面坐标集合、反射方向矢量集合、 三维坐标和法线保存在一个数据结构中。
[0051] 可选地，所述步骤S2包括：
[0052]S201，所述中央控制服务器向所述光源控制服务器发出光源控制信号；
[0053]S202,所述光源控制服务器根据所述光源控制信号控制逐个开关所述LED准直光 源；
[0054] S203,每次打开一个LED准直光源时，所述中央控制服务器向所述图像采集同步 控制器发出图像立方采集信号，
[0055] 所述图像采集同步控制器根据所述图像立方采集信号，向所述成像光谱仪发送采 集N个波长下的同步触发信号；
[0056] 所述图像采集同步控制器将N个样品图像合成为一个图像立方体；
[0057]S204,为每个图像立方体中的每个像素生成编码（c，1)，其中c为成像光谱仪的编 号，1为LED准直光源的编号；
[0058]S205,根据图像立方体的像素坐标检索所述数据结构，获得每个像素坐标所对应 的像素编码、反射方向矢量集合、三维坐标和法线；
[0059] 根据所述LED准直光源的编号及三维坐标，确定所述像素所对应的采样点的入射 方向矢量，根据所述入射方向矢量，法线和反射方向矢量，计算所述采样点的入射方向的天 顶角和方位角和反射方向的天顶角和方位角；
[0060] S206,采用相对测量方法，比较标准样品和所述待测样品的图像方立方体像素值， 确定所述待测样品上的所有采样点的多光谱双向反射分布函数。
[0061] 可选地，所述步骤S205包括：
[0062]S2051，在逐个打开每个所述LED准直光源时，所述成像光谱仪阵列单元获取所述 LED准直光源在一个已知形状和尺寸镜面球体上的反射影像图像，，根据所述样品支架上设 置的镜面球体的入射反射关系以及所述成像光谱仪的内参和外参，确定所述每个LED准直 光源的三维坐标。
[0063] 本发明所公开的多光谱双向反射分布函数测量系统包括球形支架、样品支架、光 源阵列单元、投影仪阵列单元、成像光谱仪阵列单元和中央控制服务器，通过投影仪阵列单 元向待测样品投射格雷码图像，然后光源阵列单元向待测样品投射不同方向的准直光束， 成像光谱仪阵列单元采集待测样品的多光谱图像，中央控制服务器通过处理待测样品表面 的格雷码图像获得待测样品上的每个采样点的三维坐标和法线，通过处理不同方向光照条 件下的多光谱图像获得待测样品的多光谱双向反射分布函数；本发明能够测量任意形状待 测样品的多光谱双向反射分布函数数据。
【附图说明】
[0064] 通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理 解为对本发明进行任何限制，在附图中：
[0065]图1示出了本发明的多光谱双向反射分布函数测量系统的其中一个实施例的系 统结构示意图；
[0066] 图2示出了本发明的多光谱双向反射分布函数测量系统的其中一个实施例的光 源阵列示意图；
[0067]图3示出了本发明的多光谱双向反射分布函数测量系统的其中一个实施例的LED 准直光源示意图；
[0068]图4示出了本发明的多光谱双向反射分布函数测量系统的其中一个实施例的成 像光谱仪阵列单元示意图；
[0069]图5示出了本发明的多光谱双向反射分布函数测量系统的其中一个实施例的成 像光谱仪结构示意图；
[0070]图6示出了本发明的多光谱双向反射分布函数测量系统的其中一个实施例的投 影仪阵列单元示意图；
[0071] 图7示出了本发明的多光谱双向反射分布函数测量方法的其中一个实施例的其 中一个流程示意图；
[0072] 图8示出了本发明的多光谱双向反射分布函数测量方法的其中一个实施例的其 中一个流程示意图；
[0073] 图9示出了本发明的多光谱双向反射分布函数测量方法的其中一个实施例的其 中一个流程示意图。
【具体实施方式】
[0074] 为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实 施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施 例及实施例中的特征可以相互组合。
[0075] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可 以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开 的具体实施例的限制。
[0076] 本发明提供一种多光谱双向反射分布函数测量系统，如图1所示，包括：
[0077] 球形支架4,用于固定LED准直光源、光谱仪和投影仪；
[0078] 样品支架5,设置于球形支架4的中心位置，用于承载待测样品；
[0079]光源阵列单元1，如图2所示，包括多个LED准直光源11，多个LED准直光源11均 勾分布于球形支架4上，并且每个LED准直光源11的光轴指向球形支架4的中心，光源阵 列单元1用于从不同方向向待测样品投射准直光束。
[0080] 投影仪阵列单元3,如图6所示，包括多个投影仪31，多个投影仪31均匀分布于球 形支架4上，并且每个投影仪31的光轴指向球形支架4的中心，投影仪阵列单元3用于向 待测样品表面投射格雷码图像。
[0081] 成像光谱仪阵列单元2,如图4所示，包括多个成像光谱仪21，多个成像光谱仪21 均勾分布于球形支架4上，并且每个成像光谱仪21的光轴指向球形支架4的中心，成像光 谱仪阵列单元2用于采集待测样品的图像。
[0082] 中央控制服务器6,用于发送控制信号到光源阵列单元1、成像光谱仪阵列单元2 和投影仪阵列单元3,并根据成像光谱仪阵列单元2采集的样品图像，计算每个采样点的三 维坐标，根据三维坐标计算相应采样点的法线，根据每个三维坐标和对应的法线计算待测 样品上的所有采样点的多光谱双向反射分布函数。
[0083] 本发明所公开的多光谱双向反射分布函数测量系统包括球形支架4、样品支架5、 光源阵列单元1、投影仪阵列单元3、成像光谱仪阵列单元2和中央控制服务器6 ;该系统通 过投影仪阵列单元3向待测样品投射格雷码图像，然后光源阵列单元1向待测样品投射不 同方向的准直光束，成像光谱仪阵列单元2采集待测样品的多光谱图像，中央控制服务器6 通过处理待测样品表面的格雷码图像获得待测样品上的每个采样点的三维坐标和法线，通 过处理不同方向光照条件下的多光谱图像获得待测样品的多光谱双向反射分布函数；由于 本发明的LED准直光源11、投影仪31和成像光谱仪21均匀分布于球形支架44上，所以通 过测量计算可以获得待测样品上任意一点的三维坐标和法线，从而使本发明能够测量任意 形状的待测样品的多光谱双向反射分布函数数据。
[0084] 在具体实施时，球形支架4可以由不同长度的钢制支杆组成，该钢制支杆通过螺 栓连接；该球形支架4的球面由多个三角形近似组成，每根支杆的长度由三角形曲面细分 算法确定，本领域人员应该知道该三角形曲面细分算法是已知且公开的，在此不一一赘述。 该球形支架4的钢制支杆用阳极氧化发黑，降低球形支架4的反光，有利于提高采集数据的 质量。
[0085] 在具体实施时，样品支架5位于球形支架4的中心，并且喷涂有黑色亚光漆，降低 样品支架5的反光，有利于提高采集数据的质量；进一步地，样品支架5设 置有高度调节装 置，以便根据待测样品的大小来调节待测样品的高度，以确保待测样品处于球形支架4中 心位置。
[0086] 具体地，光源阵列单元1还包括：
[0087] 光源控制服务器12,用于与中央控制服务器6通过局域网相连，接收中央控制服 务器6发送的光源控制信号，并将光源控制信号转化成光源序列号、亮度信号和颜色信号；
[0088] 光源同步控制器13,用于接收光源控制服务器12发送的光源序列号、亮度信号和 颜色信号，控制任意一个LED准直光源11的亮度和颜色；
[0089] LED驱动电源14,用于为LED准直光源11供电；
[0090] LED准直光源11还包括光源控制器116,光源控制器116根据光源同步控制器13 发送的光源序列号、亮度信号和颜色信号，控制LED准直光源11的开关。
[0091] 进一步地，如图3所示，LED准直光源11，包括圆形灯座111、LED灯112、光阑113、 准直镜114、准直镜筒115和光源控制器116。该灯座111的中心位置设置有LED光源卡座， 卡座用于连接电源线；该电源线的另一端连接到光源控制器116 ;LED灯112为全彩LED灯， 可以由光源控制器116调节输出的亮度和颜色；准直镜筒115中设置有光阑113,准直镜筒 115出光口处设置准直镜114,光阑113位置与准直镜114的焦平面重合，LED灯112的出 射光经过准直镜筒115中的光阑和准直镜后从准直镜筒出光口处以平行光出射。LED准直 光源11的光源控制器116根据输入的光源控制信号，控制LED灯112的亮度和颜色。光源 控制服务器12通过其RS232接口连接光源同步控制器13,并发送光源序列号、亮度值和颜 色值。光源同步控制器13的信号输出端与每个LED准直光源11的光源控制器116连接， 发送亮度和颜色控制信号。LED驱动电源14与每个LED准直光源11的光源控制器116连 接，提供电能；光源控制服务器12可以根据中央控制服务器6发来的光源控制信号来控制 光源，还可以通过软件接口设置LED准直光源11的各项参数，便于根据实际情况来调节光 源。
[0092] 具体地，成像光谱仪阵列单元2还包括：
[0093] 光谱仪控制服务器22,用于接收中央控制服务器6的图像采集控制信号，以及发 出同步采集信号控制每台成像光谱仪21同步采集图像，并将采集后的图像保存到硬盘；
[0094] 图像采集同步控制器23,用于根据光谱仪控制服务器22发送的波长控制信号，控 制每台成像光谱仪21所采集的图像波长。
[0095] 成像光谱仪21还包括：相互连接的可调滤波器211、滤波器驱动系统212、C⑶相 机213和采集控制系统214,其中，
[0096] 可调滤波器211用于接收预设波长的LED准直光源11发出的光；
[0097] 滤波器驱动系统212用于驱动可调滤波器211 ;
[0098] C⑶相机213用于成像；
[0099] 采集控制系统214接收图像采集同步控制器23发送的同步触发信号，并接收波长 控制信号，用于根据波长信号设置可调滤波器211透过的预设波长。
[0100] 进一步地，如图5所示，成像光谱仪21，包括可调滤波器211、滤波器驱动系统212、 CCD相机213和采集控制系统214。采集控制系统214的同步触发信号输入端连接图像采 集同步控制器23的触发信号输出端；采集控制系统214的波长信号输入端连接图像采集同 步控制器23的波长控制信号输出端，根据接收的波长控制信号改变可调滤波器211的透射 波长。采集控制系统214的数据输出端连接成像光谱仪控制服务器22的图像采集输入端。
[0101] 进一步地，光谱仪控制服务器22通过局域网连接中央控制服务器6 ;图像采集服 务器22的串行端口连接图像采集同步控制器23的信号输入端；图像采集服务器22的图像 采集输入端连接成像光谱仪21所含采集控制系统214的数据输出端。
[0102] 图像采集同步控制器23将其信号输入端的同步触发信号转换为采集控制系统 214的同步触发信号，发送到采集控制系统214的同步触发信号输入端；将其信号输入端的 波长控制信号装换为采集控制系统214的波长控制信号，发送到采集控制系统214的波长 信号输入端。
[0103] 具体地，投影仪阵列单元3,还包括：投影控制服务器32 ;
[0104] 投影控制服务器32接收中央控制服务器6发送的投影控制信号，并根据投影控制 信号，使投影仪31输出格雷码图像，以及使格雷码图像依次从多个方向投射到待测样品表 面。
[0105] 本实施例中的中央控制服器，还用于向投影控制服务器32和光谱仪控制服务器 22发出同步测量信号；
[0106] 投影控制服务器32,用于接收同步测量信号，并向投影仪31输出一组格雷码图 像，每个投影仪31向待测样品依次投射格雷码图像；
[0107] 光谱仪控制服务器22,用于向所有成像光谱仪21发送同步触发信号，以使成像光 谱仪21采集被投射了格雷码图像的样品图像，样品图像的数量为成像光谱仪21的数量与 所投射的格雷码图像的数量之乘积；
[0108] 所述中央控制服器，还用于向所述投影控制服务器和所述光谱仪控制服务器发出 同步测量信号，
[0109] 为样品图像中的每个像素生成关于成像光谱仪21、投影仪31和格雷码图像的编 码（c，p，g)，其中c为成像光谱仪21的编号，p为投影仪31的编号，g为像素对应的格雷 码，
[0110] 确定不同的样品图像对应的同一个采样点的像平面坐标集合（Xl，yi)、 (x2，y2)、……、（Xm，ym)，其中，m为可以观察到这个采样点的成像光谱仪的数量，
[0111] 根据成像光谱仪21的CCD相机213的内参和外参以及采样点的像平面坐标集合， 确定采样点对应不同样品图像的反射方向矢量集合A、A、......、元!，
[0112] 计算反射方向矢量集合的交点，交点的坐标即为采样点的三维坐标，
[0113] 根据采样点的三维坐标的集合计算采样点的法线，
[0114] 将每个采样点的像素编码、像平面坐标集合、反射方向矢量集合、三维坐标和法线 保存在一个数据结构中。
[0115] 成像光谱仪阵列单元还包括图像采集同步控制器；
[0116] 光源阵列单元还包括光源控制服务器，
[0117] 其中，中央控制服务器6,还用于向光源控制服务器12发出光源控制信号，
[0118] 光源控制服务器12,用于根据光源控制信号控制逐个开关LED准直光源11，
[0119] 中央控制服务器6,还用于每次打开一个LED准直光源11时向图像采集同步控制 器23发出图像立方采集信号，
[0120] 图像采集同步控制器23,用于根据图像立方采集信号，向成像光谱仪21发送采集 N个波长下的同步触发信号，其中N为大于1的正整数，并将N个样品图像合成为一个图像 立方体，
[0121] 中央控制服务器6,还用于为每个图像立方体中的每个像素生成编码（c，1)，其中 c为成像光谱仪21的编号，1为LED准直光源11的编号，并确定每个图像立方体中的每个 像素的坐标（x，y)，
[0122] 根据图像立方体的像素坐标检索数据结构，获得每个像素的坐标所对应的像素编 码、反射方向矢量集合、三维坐标和法线；并根据LED准直光源11的编号及三维坐标，确定 像素所对应的采样点的入射方向矢量，根据入射方向矢量，法线和反射方向矢量，计算采样 点的入射方向的天顶角和方位角和反射方向的天顶角和方位角，
[0123] 采用相对测量方法，比较标准样品和待测样品的图像方立方体像素值，确定待测 样品上的所有采样点的多光谱双向反射分布函数。
[0124] 进一步地，标准样品可以选取形状为球形，并且材质均匀的物品，且标准样品的双 向反射分布函数值已知，标准样品的材质可以包括硫酸钡和四氟乙烯。采用相对测量方法， 不需要测量待测样品上的每个点，即可确定测量待测样品的多谱双向反射分布函数，这种 方法能够提高测量效率。
[0125] 另外，需要说明的是，上述中央控制服务器6所执行的操作和相应功能，也可以由 用户个人服务器完成，中央控制服务器6主要用于数据采集。
[0126] 在具体实施时，成像光谱仪包括可调滤波器；
[0127] 在具体实施时，成像光谱仪阵列单元2,在逐个打开每个LED准直光源11时，获取 LED准直光源在一个已知形状和尺寸镜面球体上的反射图像，根据样品支架5上设置的镜 面球体的入射反射关系以及成像光谱仪的内参和外参，确定每个LED准直光源11的三维坐 标。
[0128] 基于同一发明构思，本发明还提供一种采用上述多光谱双向反射分布函数测量系 统 进行测量的方法，如图7所示，包括以下步骤：
[0129] S1，确定待测样品表面的采样点的三维坐标和法线；
[0130] S2,根据三维坐标和法线，测量待测样品表面每个采样点的多光谱双向反射分布 函数数据。
[0131] 本实施例采用了上述多光谱双向反射分布函数测量系统进行测量，该系统包括有 球形支架4,并在球形支架4上设置有均匀分布的投影仪31和成像光谱仪21，采用投影仪 31向待测样品投射格雷码图像，成像光谱仪21采集图像的方式从而能够实现步骤S1的确 定待测样品表面采样点的三维坐标和法线。
[0132] 进一步地，根据步骤S1所确定的待测样品表面采样点的三维坐标和法线，再确定 出待测样品表面每个采样点的多光谱双向反射分布函数数据。
[0133] 在具体实施时，如图8所示，步骤S1包括：
[0134] S101，中央控制服器向投影控制服务器32和光谱仪控制服务器22发出同步测量 信号；
[0135] S102,投影控制服务器32接收同步测量信号，向投影仪31输出一组格雷码图像， 每个投影仪31向待测样品依次投射格雷码图像；
[0136] S103,光谱仪控制服务器22向所有成像光谱仪21发送同步触发信号，以使成像光 谱仪21采集被投射了格雷码图像的样品图像；
[0137] S104,为样品图像中的每个像素生成关于成像光谱仪21、投影仪31和格雷码图像 的编码（c，p，g)，其中c为成像光谱仪21的编号，p为投影仪31的编号，g为像素对应的格 雷码；
[0138] S105,确定不同样品图像对应的同一个采样点的像平面坐标集合（Xl，yi)、 (x2，y2)、……、（Xm，ym)，其中m为可以观察到这个采样点的成像光谱仪的数量；
[0139] S106,根据成像光谱仪21的C⑶相机213的内参和外参以及采样点的像平面坐标 集合，确定采样点对应不同样品图像的反射方向矢量集合5、％........
[0140] 此处需要说明的是，在步骤S106之前需要对成像光谱仪21阵列单元2进行几何 标定。通过采用现有技术中的多相机联合标定方法计算来确定成像光谱仪21所采集的待 测样品图像的每个像素的二维坐标与待测样品上的采样点的三维坐标之间的映射关系，其 中在计算过程中涉及的成像光谱仪21的CCD相机213的内参数和外参数与相机几何标定 方法（即多相机联合标定方法）中的内参数和外参数定义是一致的。
[0141] S107,计算反射方向矢量集合的交点，交点的坐标即为采样点的三维坐标；
[0142] S108,根据采样点的三维坐标的集合计算采样点的法线方向矢量；
[0143] S109,将每个采样点的像素编码、像平面坐标集合、反射方向矢量集合、三维坐标 和法线保存在一个数据结构中。
[0144] 需要说明的是，投射到待测样品表面上的格雷码图像会在成像光谱仪21像平面 上任意一个像素上产生一组明暗编码，通过识别可以将该明暗编码转换为一个由0和1组 成的序列。因此，对采集到的待测样品图像中的任意一个像素生成一组编码（C，p，g)，其中 c是成像光谱仪21的编号；p是投影仪31的编号；g是这个像素上对应的格雷码，该编码 是一个由0和1组成的序列。待测样品表面的一个采样点在不同成像光谱仪21采集的图 像中会有不同的编码C，因此每个编码（c，p,g)中C不同，但是（p,g)部分相同，由于可以 通过这组编码，从多台成像光谱仪21采集的待测样品图像中分别识别到物体表面的同一 个采样点，确定这个采样点在多台成像光谱仪21上的像平面坐标（Xpyj、（x2,y2)、......、 为可以观察到这个采样点的成像光谱仪的数量。根据已知的成像光谱仪21的相 机内参数和外参数，就可以得到这些像素对应的反射方向矢量5、A........I。这些 反射方向矢量都指向该采样点。最后通过求解这些反射方向矢量的交点，即可获得该采样 点的三维坐标。在获取到待测样品表面采样点的三维坐标后，根据现有技术的计算方法即 可以计算该采样点的法线方向。待测样品的其他采样点的三维坐标和法线方向的确定方法 与此相同，在此不再赘述。
[0145] 步骤S1的目的是为了进行三维重建，所有采样点的数据结构的集合即是三维重 建的结果。
[0146] 在具体实施时，如图9所示，步骤S2包括：
[0147] S201，中央控制服务器6向光源控制服务器12发出光源控制信号；
[0148] S202,光源控制服务器12根据光源控制信号控制逐个开关LED准直光源11 ;
[0149] S203,每次打开一个LED准直光源11时，中央控制服务器6向图像采集同步控制 器23发出图像立方采集信号，
[0150] 图像采集同步控制器23根据图像立方采集信号，向成像光谱仪21发送采集N个 波长下的同步触发信号，
[0151] 图像采集同步控制器23将N个样品图像合成为一个图像立方体；
[0152] 可见，假如LED准直光源11的个数为L个，其中L为大于1的正整数，由于LED准 直光源11每开关一次，每台成像光谱仪21采集一个图像立方体，C台成像光谱仪21将采 集C个图像立方体，L个LED准直光源11将总共投射L次光束，则最终采集的图像立方体 的数量为CXL;
[0153]S204,为每个图像立方体中的每个像素生成编码（c，1)，其中c为成像光谱仪21的 编号，1为LED准直光源11的编号，
[0154] S205,根据图像立方体的像素坐标检索数据结构，获得每个像素坐标所对应的像 素编码、反射方向矢量集合、三维坐标和法线；
[0155] 根据LED准直光源11的编号及三维坐标，确定像素所对应的采样点的入射方向矢 量，根据入射方向矢量，法线和反射方向矢量，计算采样点的入射方向的天顶角和方位角和 反射方向的天顶角和方位角；
[0156] 需要说明的是，步骤S205的目的是为了将步骤S109中进行三维重建得到的关于 待测样品上的采样点的三维坐标、法线方向矢量和反射方向矢量等数据与图像立方体的像 素点能够相对应；
[0157] 对于待测样品的每个采样点，通过检索其像素编码（c，p，g)，得到该采样点在多 台成像光谱仪21处的反射方向矢量6、........I和法线方向矢量h通过检索其像 素编码（c，i)，由光源编号1可以计算该采样点的入射方向矢量『，根据入射方向矢量r、 法线方向矢量S和反射方向矢量P，可以计算出该采样点的入射方向的天顶角和方位角 (9i，巾i)和反射方向的天顶角和方位角（9r，伞r);
[0158] S206,采用相对测量方法，比较标准样品和待测样品的图像方立方体像素值，确定 待测样品上的所有采样点的多光谱双向反射分布函数；
[0159] 在具体实施时，图像立方体中的像素值与光谱辐射亮度成正比，利用现有技术中 的相对测量方法，通过比较标准样品和待测样品的图像立方体像素值，可以计算出待测样 品表面所有采样点的多光谱双向反射分布函数，
[0160] 进一步地，标准样品可以选取形状为球形，并且材质均匀的物品，且标准样品的双 向反射分布函数值已知，标准样品的材质可以包括硫酸钡和四氟乙烯，
[0161] 最终计算出的待测样品上所有采样点的三维坐标、法线方向矢量和双向反射分布 函数数据的集合即为该待测样品的多光谱双向反射分布函数数据。
[0162] 在具体实施时，步骤S205可以包括：
[0163] S2051，在逐个打开每个LED准直光源11时，成像光谱仪阵列单元2获取LED准直 光源11在一个已知形状和尺寸的镜面球体上的反射影像图像，，根据样品支架5上设置的 镜面球体的入射反射关系以及成像光谱仪21的内参和外参，确定每个LED准直光源11的 三维坐标（图中未示出）。
[0164] 本发明能够实现对多光谱双向反射分布函数的高精度测量，并用采用本发明的方 法对于待测样品的多光谱双向反射分布函数测量效率也较高，在多次实验过程中，本发明 确定待测样品的几何三维数据，仅需要几十秒的时间，而测量待测样品的双向反射分布函 数数据仅需十几秒即可完成，相较于现有技术，效率提高了很多。
[0165] 在本发明中，术语"多个"指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
[0166] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种多光谱双向反射分布函数测量系统，其特征在于，包括： 球形支架，用于固定LED准直光源、成像光谱仪和投影仪； 样品支架，设置于所述球形支架的中心位置，用于承载待测样品； 光源阵列单元，包括 多个所述LED准直光源，多个所述LED准直光源均匀分布于所述球 形支架上，并且每个所述LED准直光源的光轴指向所述球形支架的中心，所述光源阵列单 元用于从不同方向向所述待测样品投射准直光束； 投影仪阵列单元，包括多个所述投影仪，多个所述投影仪均匀分布于所述球形支架上， 并且每个所述投影仪的光轴指向所述球形支架的中心，所述投影仪阵列单元用于向所述待 测样品表面投射格雷码图像； 成像光谱仪阵列单元，包括多个所述成像光谱仪，多个所述成像光谱仪均匀分布于所 述球形支架上，并且每个所述成像光谱仪的光轴指向所述球形支架的中心，所述成像光谱 仪阵列单元用于采集所述待测样品在被所述投影仪投射格雷码图像时或所述LED准直光 源照射时的样品图像； 中央控制服务器，用于发送控制信号到所述光源阵列单元、所述成像光谱仪阵列单元 和所述投影仪阵列单元，并根据所述成像光谱仪阵列单元采集的样品图像，计算每个采样 点的三维坐标，根据所述三维坐标计算相应采样点的法线，根据每个三维坐标和对应的法 线计算所述待测样品上的所有采样点的多光谱双向反射分布函数。2. 根据权利要求1所述的多光谱双向反射分布函数测量系统，其特征在于， 所述投影仪阵列单元还包括投影控制服务器，所述投影控制服务器用于接收所述同步 测量信号，并向所述投影仪输出一组格雷码图像，每个所述投影仪向所述待测样品依次投 射所述格雷码图像； 所述成像光谱仪阵列单元还包括光谱仪控制服务器，所述光谱仪控制服务器用于向所 有所述成像光谱仪发送同步触发信号，以使所述成像光谱仪同步采集样品图像； 所述中央控制服器，还用于向所述投影控制服务器和所述光谱仪控制服务器发出同步 测量信号， 为所述样品图像中的每个像素生成关于成像光谱仪、投影仪和格雷码图像的编码（c， P，g)，其中c为成像光谱仪的编号，p为投影仪的编号，g为所述像素对应的格雷码， 确定不同的样品图像对应的同一个采样点的像平面坐标集合（Xl，yi)、（x2，y 2)、……、 (xm，ym)，其中，m为可以观察到这个采样点的成像光谱仪的数量， 根据所述成像光谱仪的CCD相机的内参和外参以及所述采样点的像平面坐标集合，确 定所述采样点对应不同所述样品图像的反射方向矢量集合5、A........元， 计算所述反射方向矢量集合的交点，所述交点的坐标即为所述采样点的三维坐标， 根据所述采样点的三维坐标的集合计算所述采样点的法线， 将每个所述采样点的像素编码、像平面坐标集合、反射方向矢量集合、三维坐标和法线 保存在一个数据结构中。3. 根据权利要求1所述的多光谱双向反射分布函数测量系统，其特征在于， 所述成像光谱仪阵列单元还包括图像采集同步控制器； 所述光源阵列单元还包括光源控制服务器； 其中，所述中央控制服务器，还用于向所述光源控制服务器发出光源控制信号， 所述光源控制服务器，用于根据所述光源控制信号控制逐个开关所述LED准直光源， 所述中央控制服务器，还用于每次打开一个LED准直光源时向所述图像采集同步控制 器发出图像立方采集信号， 所述图像采集同步控制器，用于根据所述图像立方采集信号，向所述成像光谱仪发送 采集N个波长下的同步触发信号，并将N个样品图像合成为一个图像立方体， 所述中央控制服务器，还用于为每个图像立方体中的每个像素生成编码（c，1)，其中c 为成像光谱仪的编号，1为LED准直光源的编号， 根据图像立方体的像素坐标检索所述数据结构，获得每个像素坐标所对应的像素编 码、反射方向矢量集合、三维坐标和法线；并根据所述LED准直光源的编号及三维坐标，确 定所述像素所对应的采样点的入射方向矢量，根据所述入射方向矢量，法线和反射方向矢 量，计算所述采样点的入射方向的天顶角和方位角和反射方向的天顶角和方位角， 采用相对测量方法，比较标准样品和所述待测样品的图像方立方体像素值，确定所述 待测样品上的所有采样点的多光谱双向反射分布函数。4. 根据权利要求1至3中任一项所述的多光谱双向反射分布函数测量系统，其特征在 于，所述成像光谱仪包括可调滤波器。5. 根据权利要求1至3中任一项所述的多光谱双向反射分布函数测量系统，其特征在 于， 所述成像光谱仪阵列单元，在逐个打开每个所述LED准直光源时，获取所述LED准直光 源在一个已知形状和尺寸的镜面球体上的反射图像，根据所述样品支架上设置的所述镜面 球体的入射反射关系以及所述成像光谱仪的内参和外参，确定所述每个LED准直光源的三 维坐标。6. 采用权利要求1-5任一所述的多光谱双向反射分布函数测量系统进行测量的方法， 其特征在于，包括： S1，确定所述待测样品表面的所述采样点的三维坐标和法线； S2,根据所述三维坐标和法线，测量待测样品表面每个所述采样点的多光谱双向反射 分布函数数据。7. 根据权利要求6所述的多光谱双向反射分布函数测量方法，其特征在于，所述步骤 Sl包括： S101，所述中央控制服器向所述投影控制服务器和所述成像光谱仪控制服务器发出同 步测量信号； 5102, 所述投影控制服务器接收所述同步测量信号，向所述投影仪输出一组格雷码图 像，每个所述投影仪向所述待测样品依次投射所述格雷码图像； 5103, 所述成像光谱仪控制服务器向所有所述成像光谱仪发送同步触发信号，以使所 述成像光谱仪采集被投射了所述格雷码图像的样品图像； 5104, 为所述样品图像中的每个像素生成关于成像光谱仪、投影仪和格雷码图像的编 码（c，p，g)，其中c为成像光谱仪的编号，p为投影仪的编号，g为所述像素对应的格雷码； 5105, 确定不同的样品图像对应的同一个采样点的像平面坐标集合（Xl，yi)、 (x2，y2)、……、（xm，ym)，其中，m为可以观察到这个采样点的成像光谱仪的数量； 5106, 根据所述成像光谱仪的CCD相机的内参和外参以及所述采样点的像平面坐标集 合，确定所述采样点对应不同所述样品图像的反射方向矢量集合5、6........ 5107, 计算所述反射方向矢量集合的交点，所述交点的坐标即为所述采样点的三维坐 标； 5108, 根据所述采样点的三维坐标的集合计算所述采样点的法线； 5109, 将每个所述采样点的像素编码、像平面坐标集合、反射方向矢量集合、三维坐标 和法线保存在一个数据结构中。8. 根据权利要求6所述的多光谱双向反射分布函数测量方法，其特征在于，所述步骤 S2包括： S201，所述中央控制服务器向所述光源控制服务器发出光源控制信号； 5202, 所述光源控制服务器根据所述光源控制信号控制逐个开关所述LED准直光源； 5203, 每次打开一个LED准直光源时，所述中央控制服务器向所述图像采集同步控制 器发出图像立方采集信号， 所述图像采集同步控制器根据所述图像立方采集信号，向所述成像光谱仪发送采集N 个波长下同步触发信号， 所述图像采集同步控制器将N个样品图像合成为一个图像立方体； 5204, 为每个图像立方体中的每个像素生成编码（c，1)，其中c为成像光谱仪的编号，1 为LED准直光源的编号； 5205, 根据图像立方体的像素坐标检索所述数据结构，获得每个像素坐标所对应的像 素编码、反射方向矢量集合、三维坐标和法线， 根据所述LED准直光源的编号及三维坐标，确定所述像素所对应的采样点的入射方向 矢量，根据所述入射方向矢量，法线和反射方向矢量，计算所述采样点的入射方向的天顶角 和方位角和反射方向的天顶角和方位角； 5206, 采用相对测量方法，比较标准样品和所述待测样品的图像方立方体像素值，确定 所述待测样品上的所有采样点的多光谱双向反射分布函数。9. 根据权利要求8所述的多光谱双向反射分布函数测量方法，其特征在于，所述步骤 S205包括： S2051，在逐个打开每个所述LED准直光源时，所述成像光谱仪阵列单元获取所述LED 准直光源在一个已知形状和尺寸的镜面球体上的反射影像图像，根据所述样品支架上设置 的镜面球体的入射反射关系以及所述成像光谱仪的内参和外参，确定所述每个LED准直光 源的三维坐标。
【专利摘要】本发明涉及任意形状样品多光谱双向反射分布函数的测量方法和系统，其中，该系统包括球形支架、样品支架、光源阵列单元、投影仪阵列单元、成像光谱仪阵列单元和中央控制服务器，通过投影仪阵列单元向待测样品投射格雷码图像，然后光源阵列单元向待测样品投射不同方向的准直光束，成像光谱仪阵列单元采集待测样品的多光谱图像，中央控制服务器通过处理待测样品表面的格雷码图像获得待测样品上的每个采样点的三维坐标和法线，通过处理不同方向光照条件下的多光谱图像获得待测样品的多光谱双向反射分布函数；本发明能够测量任意形状待测样品的多光谱双向反射分布函数数据。
【IPC分类】G01N21/55
【公开号】CN104897616
【申请号】CN201510275516
【发明人】李红松, 丁刚毅, 廖宁放, 吴文敏, 马建东
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月26日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光学测量仪器，具体是一种多光谱双向反射分布函数测量系统及 方法。
【背景技术】
[0002] 双向反射分布函数（BidirectionalReflectanceDistributionFunction，简称BRDF)指的是物体表面微面元沿着出射的光谱辐射亮度dk(单位为WAm2*Sr?ym))与沿 着入射方向入射到被测表面的光谱辐照度dEi(单位SwAm2*ym))的比值，如图1所示， 其公式表示如下：
[0004] 式中0i和巾i分别表示入射方向的天顶角和方位角，0 1和<i>r分别表示反射方 向的天顶角和方位角，入射光波长为X。双向反射分布函数是一个具有五个维度的函数。
[0005] 通常用全向反射度计来测量双向反射分布函数，其包括光源、样品夹持装置、探测 器和精密转角装置。中国科学院安徽光机所的魏庆农等建立了一套全自动双向反射分布函 数测量系统，可以测量半球空间内几乎所有角度下的偏振双向反射分布函数。中国科学院 长春光机所的金锡峰等完成的测量系统同样可以实现对双向反射分布函数的测量。国内其 他全向反射度计的研宄单位主要包括哈尔滨工业大学、西安电子科技大学和北京航空航天 大学等。这些全向反射度计主要用于研宄典型材质的散射特性和其与材质光学特性的关 系。大多数这类全向反射度计使用激光光源，只能得到若干个离散波长散射光的测量值；少 数这类仪器通过使用宽谱光源和分光光度计可以测量宽谱双向反射分布函数。但是这类全 向反射度计只能测量特制的平面样品，不能测量任意形状曲面样品。
[0006] 基于成像原理的方法可以用来测量任意形状曲面样品。现有技术中，可以采用固 定点光源，通过移动一台CCD摄像机从若干预先标定的位置和角度对同一物体拍摄了多幅 照片，在已知物体几何形状数据的情况下，通过逆向绘制算法获得了具有均匀材质的曲面 物体的双向反射分布函数；还可以利用一个转臂在一个平面内旋转光源，通过一个固定的 相机对球形样品拍摄照片实现双向反射分布函数的测量；还可以通过将非各向同性的材料 按不同表面纹理方向切割为条状样品，并将这些条状样品依次粘贴在一个柱体上，实现了 对非各向同性物体4维双向反射分布函数的测量。斯坦福大学的SphericalGantry包括 两个可以旋转的机械臂以改变光源和相机相对于样品的位置。北京航空航天大学的马宗泉 等建立的多相机多光源阵列测量系统可以对任意形状物体均匀材质的双向反射分布函数 进行测量。这种方法的优点是测量效率高，可以测量任意形状的样品，缺点是只支持RGB颜 色通道上的数据采集，光谱分辨率不高。同时这类测量平台往往需要与一个三维重建系统 配合工作，以获得任意形状样品表面的采样点的法线数据，导致测量效率较低。
[0007] 综上，当前已有的双向反射分布函数测量系统大多只能测量平面样品的多光谱双 向反射分布函数或任意形状样品在RGB三个通道上的双向反射分布函数。没有可以测量任 意形状样品的多光谱双向反射分布函数测量仪器。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题是如何测量任意形状的样品的多光谱双向反射分布 函数。
[0009] 为此目的，本发明提出了一种能够测量任意形状样品的多光谱双向反射分布函数 的多光谱双向反射分布函数测量系统及方法。
[0010] 本发明提供一种多光谱双向反射分布函数测量系统，包括：
[0011] 球形支架，用于固定LED准直光源、成像光谱仪和投影仪；
[0012] 样品支架，设置于所述球形支架的中心位置，用于承载待测样品；
[0013] 光源阵列单元，包括多个所述LED准直光源，多个所述LED准直光源均匀分布于所 述球形支架上，并且每个所述LED准直光源的光轴指向所述球形支架的中心，所述光源阵 列单元用于从不同方向向所述待测样品投射准直光束；
[0014] 投影仪阵列单元，包括多个所述投影仪，多个所述投影仪均匀分布于所述球形支 架上，并且每个所述投影仪的光轴指向所述球形支架的中心，所述投影仪阵列单元用于向 所述待测样品表面投射格雷码图像；
[0015] 成像光谱仪阵列单元，包括多个所述成像光谱仪，多个所述成像光谱仪均匀分布 于所述球形支架上，并且每个所述成像光谱仪的光轴指向所述球形支架的中心，所述成像 光谱仪阵列单元用于采集所述待测样品在被所述投影仪投射格雷码图像时或所述LED准 直光源照射时的样品图像；
[0016] 中央控制服务器，用于发送控制信号到所述光源阵列单元、所述成像光谱仪阵列 单元和所述投影仪阵列单元，并根据所述成像光谱仪阵列单元采集的样品图像，计算每个 采样点的三维坐标，根据所述三维坐标计算相应采样点的法线，根据每个三维坐标和对应 的法线计算所述待测样品上的所有采样点的多光谱双向反射分布函数。
[0017] 可选地，所述投影仪阵列单元还包括投影控制服务器，所述投影控制服务器用于 接收所述同步测量信号，并向所述投影仪输出一组格雷码图像，每个所述投影仪向所述待 测样品依次投射所述格雷码图像；
[0018] 所述成像光谱仪阵列单元还包括光谱仪控制服务器，所述光谱仪控制服务器用于 向所有所述成像光谱仪发送同步触发信号，以使所述成像光谱仪同步采集样品图像；
[0019] 所述中央控制服器，还用于向所述投影控制服务器和所述光谱仪控制服务器发出 同步测量信号，
[0020] 为所述样品图像中的每个像素生成关于成像光谱仪、投影仪和格雷码图像的编码 (C，p，g)，其中c为成像光谱仪的编号，P为投影仪的编号，g为所述像素对应的格雷码，
[0021] 确定不同的样品图像对应的同一个采样点的像平面坐标集合（Xl，yi)、 (x2，y2)、……、（Xm，ym)，其中，m为可以观察到这个采样点的成像光谱仪数量，
[0022] 根据所述成像光谱仪的CCD相机的内参和外参以及所述采样点的像平面坐标集 合，确定所述采样点对应不同所述样品图像反射方向矢量集合5、A........t，
[0023] 计算所述反射方向矢量集合的交点，所述交点的坐标即为所述采样点的三维坐 标；
[0024] 所述中央控制服务器，还用于根据所述采样点的三维坐标的集合计算所述采样点 的法线，
[0025] 将每个所述采样点的像素编码、像平面坐标集合、反射方向矢量集合、三维坐标和 法线保存在一个数据结构中。
[0026] 可选地，所述成像光谱仪阵列单元还包括图像采集同步控制器；
[0027] 所述光源阵列单元还包括光源控制服务器；
[0028] 所述多光谱双向反射分布函数测量系统还包括：
[0029] 其中，所述中央控制服务器，还用于向所述光源控制服务器发出光源控制信号，
[0030] 所述光源控制服务器，用于根据所述光源控制信号控制逐个开关所述LED准直光 源；
[0031] 所述中央控制服务器，还用于每次打开一个LED准直光源时向所述图像采集同步 控制器发出图像立方采集信号；
[0032] 所述图像采集同步控制器，用于根据所述图像立方采集信号，向所述成像光谱仪 发送采集N个波长下的同步触发信号，并将N个样品图像合成为一个图像立方体，
[0033] 所述中央控制服务器，还用于为每个图像立方体中的每个像素生成编码（c，1)，其 中c为成像光谱仪的编号，1为LED准直光源的编号，
[0034] 根据图像立方体的像素坐标检索所述数据结构，获得每个像素的坐标所对应的像 素编码、反射方向矢量集合、三维坐标和法线；并根据所述LED准直光源的编号及三维坐 标，确定所述像素所对应的采样点的入射方向矢量，根据所述入射方向矢量，法线和反射方 向矢量，计算所述采样点的入射方向的天顶角和方位角和反射方向的天顶角和方位角，
[0035] 采用相对测量方法，比较标准样品和所述待测样品的图像方立方体像素值，确定 所述待测样品上的所有采样点的多光谱双向反射分布函数。
[0036] 可选地，所述成像光谱仪包括可调滤波器；
[0037] 可选地，所述成像光谱仪阵列单元，在逐个打开每个所述LED准直光源时，获取所 述LED准直光源在一个已知形状和尺寸的镜面球体上的反射图像，根据所述样品支架上设 置的镜面球体的入射反射关系以及所述成像光谱仪的内参和外参，确定所述每个LED准直 光源的三维坐标。
[0038] 本发明还提供一种采用上述多光谱双向反射分布函数测量系统进行测量的方法， 包括：
[0039] S1，确定所述待测样品表面的所述采样点的三维坐标和法线；
[0040] S2,根据所述三维坐标和法线，测量待测样品表面每个所述采样点的多光谱双向 反射分布函数数据。 [0041] 可选地，所述步骤S1包括：
[0042] S101，所述中央控制服器向所述投影控制服务器和所述光谱仪控制服务器发出同 步测量信号；
[0043] S102,所述投影控制服务器接收所述同步测量信号，向所述投影仪输出一组格雷 码图像，每个所述投影仪向所述待测样品依次投射所述格雷码图像；
[0044] S103,所述光谱仪控制服务器向所有所述成像光谱仪发送同步触发信号，以使所 述成像光谱仪采集被投射了所述格雷码图像的样品图像；
[0045]S104,为所述样品图像中的每个像素生成关于成像光谱仪、投影仪和格雷码图像 的编码（c，p，g)，其中c为成像光谱仪的编号，p为投影仪的编号，g为所述像素对应的格雷 码；
[0046]S105,确定不同的所述样品图像对应的同一个采样点的像平面坐标集合（Xpy)、 (x2，y2)、……、（Xm，ym)，其中，m为可以观察到这个采样点的成像光谱仪的数量；
[0047] S106,根据所述成像光谱仪的CCD相机的内参和外参以及所述采样点的 像平面坐标集合，确定所述采样点对应不同所述样品图像的反射方向矢量集合 Vj\ 卩2、 ??????、Vm，
[0048]S107，计算所述反射方向矢量集合的交点，所述交点的坐标即为所述采样点的三 维坐标；
[0049] S108,根据所述采样点的三维坐标的集合计算所述采样点的法线；
[0050] S109,将每个所述采样点的所述像素编码、像平面坐标集合、反射方向矢量集合、 三维坐标和法线保存在一个数据结构中。
[0051] 可选地，所述步骤S2包括：
[0052]S201，所述中央控制服务器向所述光源控制服务器发出光源控制信号；
[0053]S202,所述光源控制服务器根据所述光源控制信号控制逐个开关所述LED准直光 源；
[0054] S203,每次打开一个LED准直光源时，所述中央控制服务器向所述图像采集同步 控制器发出图像立方采集信号，
[0055] 所述图像采集同步控制器根据所述图像立方采集信号，向所述成像光谱仪发送采 集N个波长下的同步触发信号；
[0056] 所述图像采集同步控制器将N个样品图像合成为一个图像立方体；
[0057]S204,为每个图像立方体中的每个像素生成编码（c，1)，其中c为成像光谱仪的编 号，1为LED准直光源的编号；
[0058]S205,根据图像立方体的像素坐标检索所述数据结构，获得每个像素坐标所对应 的像素编码、反射方向矢量集合、三维坐标和法线；
[0059] 根据所述LED准直光源的编号及三维坐标，确定所述像素所对应的采样点的入射 方向矢量，根据所述入射方向矢量，法线和反射方向矢量，计算所述采样点的入射方向的天 顶角和方位角和反射方向的天顶角和方位角；
[0060] S206,采用相对测量方法，比较标准样品和所述待测样品的图像方立方体像素值， 确定所述待测样品上的所有采样点的多光谱双向反射分布函数。
[0061] 可选地，所述步骤S205包括：
[0062]S2051，在逐个打开每个所述LED准直光源时，所述成像光谱仪阵列单元获取所述 LED准直光源在一个已知形状和尺寸镜面球体上的反射影像图像，，根据所述样品支架上设 置的镜面球体的入射反射关系以及所述成像光谱仪的内参和外参，确定所述每个LED准直 光源的三维坐标。
[0063] 本发明所公开的多光谱双向反射分布函数测量系统包括球形支架、样品支架、光 源阵列单元、投影仪阵列单元、成像光谱仪阵列单元和中央控制服务器，通过投影仪阵列单 元向待测样品投射格雷码图像，然后光源阵列单元向待测样品投射不同方向的准直光束， 成像光谱仪阵列单元采集待测样品的多光谱图像，中央控制服务器通过处理待测样品表面 的格雷码图像获得待测样品上的每个采样点的三维坐标和法线，通过处理不同方向光照条 件下的多光谱图像获得待测样品的多光谱双向反射分布函数；本发明能够测量任意形状待 测样品的多光谱双向反射分布函数数据。
【附图说明】
[0064] 通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理 解为对本发明进行任何限制，在附图中：
[0065]图1示出了本发明的多光谱双向反射分布函数测量系统的其中一个实施例的系 统结构示意图；
[0066] 图2示出了本发明的多光谱双向反射分布函数测量系统的其中一个实施例的光 源阵列示意图；
[0067]图3示出了本发明的多光谱双向反射分布函数测量系统的其中一个实施例的LED 准直光源示意图；
[0068]图4示出了本发明的多光谱双向反射分布函数测量系统的其中一个实施例的成 像光谱仪阵列单元示意图；
[0069]图5示出了本发明的多光谱双向反射分布函数测量系统的其中一个实施例的成 像光谱仪结构示意图；
[0070]图6示出了本发明的多光谱双向反射分布函数测量系统的其中一个实施例的投 影仪阵列单元示意图；
[0071] 图7示出了本发明的多光谱双向反射分布函数测量方法的其中一个实施例的其 中一个流程示意图；
[0072] 图8示出了本发明的多光谱双向反射分布函数测量方法的其中一个实施例的其 中一个流程示意图；
[0073] 图9示出了本发明的多光谱双向反射分布函数测量方法的其中一个实施例的其 中一个流程示意图。
【具体实施方式】
[0074] 为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实 施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施 例及实施例中的特征可以相互组合。
[0075] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可 以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开 的具体实施例的限制。
[0076] 本发明提供一种多光谱双向反射分布函数测量系统，如图1所示，包括：
[0077] 球形支架4,用于固定LED准直光源、光谱仪和投影仪；
[0078] 样品支架5,设置于球形支架4的中心位置，用于承载待测样品；
[0079]光源阵列单元1，如图2所示，包括多个LED准直光源11，多个LED准直光源11均 勾分布于球形支架4上，并且每个LED准直光源11的光轴指向球形支架4的中心，光源阵 列单元1用于从不同方向向待测样品投射准直光束。
[0080] 投影仪阵列单元3,如图6所示，包括多个投影仪31，多个投影仪31均匀分布于球 形支架4上，并且每个投影仪31的光轴指向球形支架4的中心，投影仪阵列单元3用于向 待测样品表面投射格雷码图像。
[0081] 成像光谱仪阵列单元2,如图4所示，包括多个成像光谱仪21，多个成像光谱仪21 均勾分布于球形支架4上，并且每个成像光谱仪21的光轴指向球形支架4的中心，成像光 谱仪阵列单元2用于采集待测样品的图像。
[0082] 中央控制服务器6,用于发送控制信号到光源阵列单元1、成像光谱仪阵列单元2 和投影仪阵列单元3,并根据成像光谱仪阵列单元2采集的样品图像，计算每个采样点的三 维坐标，根据三维坐标计算相应采样点的法线，根据每个三维坐标和对应的法线计算待测 样品上的所有采样点的多光谱双向反射分布函数。
[0083] 本发明所公开的多光谱双向反射分布函数测量系统包括球形支架4、样品支架5、 光源阵列单元1、投影仪阵列单元3、成像光谱仪阵列单元2和中央控制服务器6 ;该系统通 过投影仪阵列单元3向待测样品投射格雷码图像，然后光源阵列单元1向待测样品投射不 同方向的准直光束，成像光谱仪阵列单元2采集待测样品的多光谱图像，中央控制服务器6 通过处理待测样品表面的格雷码图像获得待测样品上的每个采样点的三维坐标和法线，通 过处理不同方向光照条件下的多光谱图像获得待测样品的多光谱双向反射分布函数；由于 本发明的LED准直光源11、投影仪31和成像光谱仪21均匀分布于球形支架44上，所以通 过测量计算可以获得待测样品上任意一点的三维坐标和法线，从而使本发明能够测量任意 形状的待测样品的多光谱双向反射分布函数数据。
[0084] 在具体实施时，球形支架4可以由不同长度的钢制支杆组成，该钢制支杆通过螺 栓连接；该球形支架4的球面由多个三角形近似组成，每根支杆的长度由三角形曲面细分 算法确定，本领域人员应该知道该三角形曲面细分算法是已知且公开的，在此不一一赘述。 该球形支架4的钢制支杆用阳极氧化发黑，降低球形支架4的反光，有利于提高采集数据的 质量。
[0085] 在具体实施时，样品支架5位于球形支架4的中心，并且喷涂有黑色亚光漆，降低 样品支架5的反光，有利于提高采集数据的质量；进一步地，样品支架5设 置有高度调节装 置，以便根据待测样品的大小来调节待测样品的高度，以确保待测样品处于球形支架4中 心位置。
[0086] 具体地，光源阵列单元1还包括：
[0087] 光源控制服务器12,用于与中央控制服务器6通过局域网相连，接收中央控制服 务器6发送的光源控制信号，并将光源控制信号转化成光源序列号、亮度信号和颜色信号；
[0088] 光源同步控制器13,用于接收光源控制服务器12发送的光源序列号、亮度信号和 颜色信号，控制任意一个LED准直光源11的亮度和颜色；
[0089] LED驱动电源14,用于为LED准直光源11供电；
[0090] LED准直光源11还包括光源控制器116,光源控制器116根据光源同步控制器13 发送的光源序列号、亮度信号和颜色信号，控制LED准直光源11的开关。
[0091] 进一步地，如图3所示，LED准直光源11，包括圆形灯座111、LED灯112、光阑113、 准直镜114、准直镜筒115和光源控制器116。该灯座111的中心位置设置有LED光源卡座， 卡座用于连接电源线；该电源线的另一端连接到光源控制器116 ;LED灯112为全彩LED灯， 可以由光源控制器116调节输出的亮度和颜色；准直镜筒115中设置有光阑113,准直镜筒 115出光口处设置准直镜114,光阑113位置与准直镜114的焦平面重合，LED灯112的出 射光经过准直镜筒115中的光阑和准直镜后从准直镜筒出光口处以平行光出射。LED准直 光源11的光源控制器116根据输入的光源控制信号，控制LED灯112的亮度和颜色。光源 控制服务器12通过其RS232接口连接光源同步控制器13,并发送光源序列号、亮度值和颜 色值。光源同步控制器13的信号输出端与每个LED准直光源11的光源控制器116连接， 发送亮度和颜色控制信号。LED驱动电源14与每个LED准直光源11的光源控制器116连 接，提供电能；光源控制服务器12可以根据中央控制服务器6发来的光源控制信号来控制 光源，还可以通过软件接口设置LED准直光源11的各项参数，便于根据实际情况来调节光 源。
[0092] 具体地，成像光谱仪阵列单元2还包括：
[0093] 光谱仪控制服务器22,用于接收中央控制服务器6的图像采集控制信号，以及发 出同步采集信号控制每台成像光谱仪21同步采集图像，并将采集后的图像保存到硬盘；
[0094] 图像采集同步控制器23,用于根据光谱仪控制服务器22发送的波长控制信号，控 制每台成像光谱仪21所采集的图像波长。
[0095] 成像光谱仪21还包括：相互连接的可调滤波器211、滤波器驱动系统212、C⑶相 机213和采集控制系统214,其中，
[0096] 可调滤波器211用于接收预设波长的LED准直光源11发出的光；
[0097] 滤波器驱动系统212用于驱动可调滤波器211 ;
[0098] C⑶相机213用于成像；
[0099] 采集控制系统214接收图像采集同步控制器23发送的同步触发信号，并接收波长 控制信号，用于根据波长信号设置可调滤波器211透过的预设波长。
[0100] 进一步地，如图5所示，成像光谱仪21，包括可调滤波器211、滤波器驱动系统212、 CCD相机213和采集控制系统214。采集控制系统214的同步触发信号输入端连接图像采 集同步控制器23的触发信号输出端；采集控制系统214的波长信号输入端连接图像采集同 步控制器23的波长控制信号输出端，根据接收的波长控制信号改变可调滤波器211的透射 波长。采集控制系统214的数据输出端连接成像光谱仪控制服务器22的图像采集输入端。
[0101] 进一步地，光谱仪控制服务器22通过局域网连接中央控制服务器6 ;图像采集服 务器22的串行端口连接图像采集同步控制器23的信号输入端；图像采集服务器22的图像 采集输入端连接成像光谱仪21所含采集控制系统214的数据输出端。
[0102] 图像采集同步控制器23将其信号输入端的同步触发信号转换为采集控制系统 214的同步触发信号，发送到采集控制系统214的同步触发信号输入端；将其信号输入端的 波长控制信号装换为采集控制系统214的波长控制信号，发送到采集控制系统214的波长 信号输入端。
[0103] 具体地，投影仪阵列单元3,还包括：投影控制服务器32 ;
[0104] 投影控制服务器32接收中央控制服务器6发送的投影控制信号，并根据投影控制 信号，使投影仪31输出格雷码图像，以及使格雷码图像依次从多个方向投射到待测样品表 面。
[0105] 本实施例中的中央控制服器，还用于向投影控制服务器32和光谱仪控制服务器 22发出同步测量信号；
[0106] 投影控制服务器32,用于接收同步测量信号，并向投影仪31输出一组格雷码图 像，每个投影仪31向待测样品依次投射格雷码图像；
[0107] 光谱仪控制服务器22,用于向所有成像光谱仪21发送同步触发信号，以使成像光 谱仪21采集被投射了格雷码图像的样品图像，样品图像的数量为成像光谱仪21的数量与 所投射的格雷码图像的数量之乘积；
[0108] 所述中央控制服器，还用于向所述投影控制服务器和所述光谱仪控制服务器发出 同步测量信号，
[0109] 为样品图像中的每个像素生成关于成像光谱仪21、投影仪31和格雷码图像的编 码（c，p，g)，其中c为成像光谱仪21的编号，p为投影仪31的编号，g为像素对应的格雷 码，
[0110] 确定不同的样品图像对应的同一个采样点的像平面坐标集合（Xl，yi)、 (x2，y2)、……、（Xm，ym)，其中，m为可以观察到这个采样点的成像光谱仪的数量，
[0111] 根据成像光谱仪21的CCD相机213的内参和外参以及采样点的像平面坐标集合， 确定采样点对应不同样品图像的反射方向矢量集合A、A、......、元!，
[0112] 计算反射方向矢量集合的交点，交点的坐标即为采样点的三维坐标，
[0113] 根据采样点的三维坐标的集合计算采样点的法线，
[0114] 将每个采样点的像素编码、像平面坐标集合、反射方向矢量集合、三维坐标和法线 保存在一个数据结构中。
[0115] 成像光谱仪阵列单元还包括图像采集同步控制器；
[0116] 光源阵列单元还包括光源控制服务器，
[0117] 其中，中央控制服务器6,还用于向光源控制服务器12发出光源控制信号，
[0118] 光源控制服务器12,用于根据光源控制信号控制逐个开关LED准直光源11，
[0119] 中央控制服务器6,还用于每次打开一个LED准直光源11时向图像采集同步控制 器23发出图像立方采集信号，
[0120] 图像采集同步控制器23,用于根据图像立方采集信号，向成像光谱仪21发送采集 N个波长下的同步触发信号，其中N为大于1的正整数，并将N个样品图像合成为一个图像 立方体，
[0121] 中央控制服务器6,还用于为每个图像立方体中的每个像素生成编码（c，1)，其中 c为成像光谱仪21的编号，1为LED准直光源11的编号，并确定每个图像立方体中的每个 像素的坐标（x，y)，
[0122] 根据图像立方体的像素坐标检索数据结构，获得每个像素的坐标所对应的像素编 码、反射方向矢量集合、三维坐标和法线；并根据LED准直光源11的编号及三维坐标，确定 像素所对应的采样点的入射方向矢量，根据入射方向矢量，法线和反射方向矢量，计算采样 点的入射方向的天顶角和方位角和反射方向的天顶角和方位角，
[0123] 采用相对测量方法，比较标准样品和待测样品的图像方立方体像素值，确定待测 样品上的所有采样点的多光谱双向反射分布函数。
[0124] 进一步地，标准样品可以选取形状为球形，并且材质均匀的物品，且标准样品的双 向反射分布函数值已知，标准样品的材质可以包括硫酸钡和四氟乙烯。采用相对测量方法， 不需要测量待测样品上的每个点，即可确定测量待测样品的多谱双向反射分布函数，这种 方法能够提高测量效率。
[0125] 另外，需要说明的是，上述中央控制服务器6所执行的操作和相应功能，也可以由 用户个人服务器完成，中央控制服务器6主要用于数据采集。
[0126] 在具体实施时，成像光谱仪包括可调滤波器；
[0127] 在具体实施时，成像光谱仪阵列单元2,在逐个打开每个LED准直光源11时，获取 LED准直光源在一个已知形状和尺寸镜面球体上的反射图像，根据样品支架5上设置的镜 面球体的入射反射关系以及成像光谱仪的内参和外参，确定每个LED准直光源11的三维坐 标。
[0128] 基于同一发明构思，本发明还提供一种采用上述多光谱双向反射分布函数测量系 统 进行测量的方法，如图7所示，包括以下步骤：
[0129] S1，确定待测样品表面的采样点的三维坐标和法线；
[0130] S2,根据三维坐标和法线，测量待测样品表面每个采样点的多光谱双向反射分布 函数数据。
[0131] 本实施例采用了上述多光谱双向反射分布函数测量系统进行测量，该系统包括有 球形支架4,并在球形支架4上设置有均匀分布的投影仪31和成像光谱仪21，采用投影仪 31向待测样品投射格雷码图像，成像光谱仪21采集图像的方式从而能够实现步骤S1的确 定待测样品表面采样点的三维坐标和法线。
[0132] 进一步地，根据步骤S1所确定的待测样品表面采样点的三维坐标和法线，再确定 出待测样品表面每个采样点的多光谱双向反射分布函数数据。
[0133] 在具体实施时，如图8所示，步骤S1包括：
[0134] S101，中央控制服器向投影控制服务器32和光谱仪控制服务器22发出同步测量 信号；
[0135] S102,投影控制服务器32接收同步测量信号，向投影仪31输出一组格雷码图像， 每个投影仪31向待测样品依次投射格雷码图像；
[0136] S103,光谱仪控制服务器22向所有成像光谱仪21发送同步触发信号，以使成像光 谱仪21采集被投射了格雷码图像的样品图像；
[0137] S104,为样品图像中的每个像素生成关于成像光谱仪21、投影仪31和格雷码图像 的编码（c，p，g)，其中c为成像光谱仪21的编号，p为投影仪31的编号，g为像素对应的格 雷码；
[0138] S105,确定不同样品图像对应的同一个采样点的像平面坐标集合（Xl，yi)、 (x2，y2)、……、（Xm，ym)，其中m为可以观察到这个采样点的成像光谱仪的数量；
[0139] S106,根据成像光谱仪21的C⑶相机213的内参和外参以及采样点的像平面坐标 集合，确定采样点对应不同样品图像的反射方向矢量集合5、％........
[0140] 此处需要说明的是，在步骤S106之前需要对成像光谱仪21阵列单元2进行几何 标定。通过采用现有技术中的多相机联合标定方法计算来确定成像光谱仪21所采集的待 测样品图像的每个像素的二维坐标与待测样品上的采样点的三维坐标之间的映射关系，其 中在计算过程中涉及的成像光谱仪21的CCD相机213的内参数和外参数与相机几何标定 方法（即多相机联合标定方法）中的内参数和外参数定义是一致的。
[0141] S107,计算反射方向矢量集合的交点，交点的坐标即为采样点的三维坐标；
[0142] S108,根据采样点的三维坐标的集合计算采样点的法线方向矢量；
[0143] S109,将每个采样点的像素编码、像平面坐标集合、反射方向矢量集合、三维坐标 和法线保存在一个数据结构中。
[0144] 需要说明的是，投射到待测样品表面上的格雷码图像会在成像光谱仪21像平面 上任意一个像素上产生一组明暗编码，通过识别可以将该明暗编码转换为一个由0和1组 成的序列。因此，对采集到的待测样品图像中的任意一个像素生成一组编码（C，p，g)，其中 c是成像光谱仪21的编号；p是投影仪31的编号；g是这个像素上对应的格雷码，该编码 是一个由0和1组成的序列。待测样品表面的一个采样点在不同成像光谱仪21采集的图 像中会有不同的编码C，因此每个编码（c，p,g)中C不同，但是（p,g)部分相同，由于可以 通过这组编码，从多台成像光谱仪21采集的待测样品图像中分别识别到物体表面的同一 个采样点，确定这个采样点在多台成像光谱仪21上的像平面坐标（Xpyj、（x2,y2)、......、 为可以观察到这个采样点的成像光谱仪的数量。根据已知的成像光谱仪21的相 机内参数和外参数，就可以得到这些像素对应的反射方向矢量5、A........I。这些 反射方向矢量都指向该采样点。最后通过求解这些反射方向矢量的交点，即可获得该采样 点的三维坐标。在获取到待测样品表面采样点的三维坐标后，根据现有技术的计算方法即 可以计算该采样点的法线方向。待测样品的其他采样点的三维坐标和法线方向的确定方法 与此相同，在此不再赘述。
[0145] 步骤S1的目的是为了进行三维重建，所有采样点的数据结构的集合即是三维重 建的结果。
[0146] 在具体实施时，如图9所示，步骤S2包括：
[0147] S201，中央控制服务器6向光源控制服务器12发出光源控制信号；
[0148] S202,光源控制服务器12根据光源控制信号控制逐个开关LED准直光源11 ;
[0149] S203,每次打开一个LED准直光源11时，中央控制服务器6向图像采集同步控制 器23发出图像立方采集信号，
[0150] 图像采集同步控制器23根据图像立方采集信号，向成像光谱仪21发送采集N个 波长下的同步触发信号，
[0151] 图像采集同步控制器23将N个样品图像合成为一个图像立方体；
[0152] 可见，假如LED准直光源11的个数为L个，其中L为大于1的正整数，由于LED准 直光源11每开关一次，每台成像光谱仪21采集一个图像立方体，C台成像光谱仪21将采 集C个图像立方体，L个LED准直光源11将总共投射L次光束，则最终采集的图像立方体 的数量为CXL;
[0153]S204,为每个图像立方体中的每个像素生成编码（c，1)，其中c为成像光谱仪21的 编号，1为LED准直光源11的编号，
[0154] S205,根据图像立方体的像素坐标检索数据结构，获得每个像素坐标所对应的像 素编码、反射方向矢量集合、三维坐标和法线；
[0155] 根据LED准直光源11的编号及三维坐标，确定像素所对应的采样点的入射方向矢 量，根据入射方向矢量，法线和反射方向矢量，计算采样点的入射方向的天顶角和方位角和 反射方向的天顶角和方位角；
[0156] 需要说明的是，步骤S205的目的是为了将步骤S109中进行三维重建得到的关于 待测样品上的采样点的三维坐标、法线方向矢量和反射方向矢量等数据与图像立方体的像 素点能够相对应；
[0157] 对于待测样品的每个采样点，通过检索其像素编码（c，p，g)，得到该采样点在多 台成像光谱仪21处的反射方向矢量6、........I和法线方向矢量h通过检索其像 素编码（c，i)，由光源编号1可以计算该采样点的入射方向矢量『，根据入射方向矢量r、 法线方向矢量S和反射方向矢量P，可以计算出该采样点的入射方向的天顶角和方位角 (9i，巾i)和反射方向的天顶角和方位角（9r，伞r);
[0158] S206,采用相对测量方法，比较标准样品和待测样品的图像方立方体像素值，确定 待测样品上的所有采样点的多光谱双向反射分布函数；
[0159] 在具体实施时，图像立方体中的像素值与光谱辐射亮度成正比，利用现有技术中 的相对测量方法，通过比较标准样品和待测样品的图像立方体像素值，可以计算出待测样 品表面所有采样点的多光谱双向反射分布函数，
[0160] 进一步地，标准样品可以选取形状为球形，并且材质均匀的物品，且标准样品的双 向反射分布函数值已知，标准样品的材质可以包括硫酸钡和四氟乙烯，
[0161] 最终计算出的待测样品上所有采样点的三维坐标、法线方向矢量和双向反射分布 函数数据的集合即为该待测样品的多光谱双向反射分布函数数据。
[0162] 在具体实施时，步骤S205可以包括：
[0163] S2051，在逐个打开每个LED准直光源11时，成像光谱仪阵列单元2获取LED准直 光源11在一个已知形状和尺寸的镜面球体上的反射影像图像，，根据样品支架5上设置的 镜面球体的入射反射关系以及成像光谱仪21的内参和外参，确定每个LED准直光源11的 三维坐标（图中未示出）。
[0164] 本发明能够实现对多光谱双向反射分布函数的高精度测量，并用采用本发明的方 法对于待测样品的多光谱双向反射分布函数测量效率也较高，在多次实验过程中，本发明 确定待测样品的几何三维数据，仅需要几十秒的时间，而测量待测样品的双向反射分布函 数数据仅需十几秒即可完成，相较于现有技术，效率提高了很多。
[0165] 在本发明中，术语"多个"指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
[0166] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种多光谱双向反射分布函数测量系统，其特征在于，包括： 球形支架，用于固定LED准直光源、成像光谱仪和投影仪； 样品支架，设置于所述球形支架的中心位置，用于承载待测样品； 光源阵列单元，包括 多个所述LED准直光源，多个所述LED准直光源均匀分布于所述球 形支架上，并且每个所述LED准直光源的光轴指向所述球形支架的中心，所述光源阵列单 元用于从不同方向向所述待测样品投射准直光束； 投影仪阵列单元，包括多个所述投影仪，多个所述投影仪均匀分布于所述球形支架上， 并且每个所述投影仪的光轴指向所述球形支架的中心，所述投影仪阵列单元用于向所述待 测样品表面投射格雷码图像； 成像光谱仪阵列单元，包括多个所述成像光谱仪，多个所述成像光谱仪均匀分布于所 述球形支架上，并且每个所述成像光谱仪的光轴指向所述球形支架的中心，所述成像光谱 仪阵列单元用于采集所述待测样品在被所述投影仪投射格雷码图像时或所述LED准直光 源照射时的样品图像； 中央控制服务器，用于发送控制信号到所述光源阵列单元、所述成像光谱仪阵列单元 和所述投影仪阵列单元，并根据所述成像光谱仪阵列单元采集的样品图像，计算每个采样 点的三维坐标，根据所述三维坐标计算相应采样点的法线，根据每个三维坐标和对应的法 线计算所述待测样品上的所有采样点的多光谱双向反射分布函数。2. 根据权利要求1所述的多光谱双向反射分布函数测量系统，其特征在于， 所述投影仪阵列单元还包括投影控制服务器，所述投影控制服务器用于接收所述同步 测量信号，并向所述投影仪输出一组格雷码图像，每个所述投影仪向所述待测样品依次投 射所述格雷码图像； 所述成像光谱仪阵列单元还包括光谱仪控制服务器，所述光谱仪控制服务器用于向所 有所述成像光谱仪发送同步触发信号，以使所述成像光谱仪同步采集样品图像； 所述中央控制服器，还用于向所述投影控制服务器和所述光谱仪控制服务器发出同步 测量信号， 为所述样品图像中的每个像素生成关于成像光谱仪、投影仪和格雷码图像的编码（c， P，g)，其中c为成像光谱仪的编号，p为投影仪的编号，g为所述像素对应的格雷码， 确定不同的样品图像对应的同一个采样点的像平面坐标集合（Xl，yi)、（x2，y 2)、……、 (xm，ym)，其中，m为可以观察到这个采样点的成像光谱仪的数量， 根据所述成像光谱仪的CCD相机的内参和外参以及所述采样点的像平面坐标集合，确 定所述采样点对应不同所述样品图像的反射方向矢量集合5、A........元， 计算所述反射方向矢量集合的交点，所述交点的坐标即为所述采样点的三维坐标， 根据所述采样点的三维坐标的集合计算所述采样点的法线， 将每个所述采样点的像素编码、像平面坐标集合、反射方向矢量集合、三维坐标和法线 保存在一个数据结构中。3. 根据权利要求1所述的多光谱双向反射分布函数测量系统，其特征在于， 所述成像光谱仪阵列单元还包括图像采集同步控制器； 所述光源阵列单元还包括光源控制服务器； 其中，所述中央控制服务器，还用于向所述光源控制服务器发出光源控制信号， 所述光源控制服务器，用于根据所述光源控制信号控制逐个开关所述LED准直光源， 所述中央控制服务器，还用于每次打开一个LED准直光源时向所述图像采集同步控制 器发出图像立方采集信号， 所述图像采集同步控制器，用于根据所述图像立方采集信号，向所述成像光谱仪发送 采集N个波长下的同步触发信号，并将N个样品图像合成为一个图像立方体， 所述中央控制服务器，还用于为每个图像立方体中的每个像素生成编码（c，1)，其中c 为成像光谱仪的编号，1为LED准直光源的编号， 根据图像立方体的像素坐标检索所述数据结构，获得每个像素坐标所对应的像素编 码、反射方向矢量集合、三维坐标和法线；并根据所述LED准直光源的编号及三维坐标，确 定所述像素所对应的采样点的入射方向矢量，根据所述入射方向矢量，法线和反射方向矢 量，计算所述采样点的入射方向的天顶角和方位角和反射方向的天顶角和方位角， 采用相对测量方法，比较标准样品和所述待测样品的图像方立方体像素值，确定所述 待测样品上的所有采样点的多光谱双向反射分布函数。4. 根据权利要求1至3中任一项所述的多光谱双向反射分布函数测量系统，其特征在 于，所述成像光谱仪包括可调滤波器。5. 根据权利要求1至3中任一项所述的多光谱双向反射分布函数测量系统，其特征在 于， 所述成像光谱仪阵列单元，在逐个打开每个所述LED准直光源时，获取所述LED准直光 源在一个已知形状和尺寸的镜面球体上的反射图像，根据所述样品支架上设置的所述镜面 球体的入射反射关系以及所述成像光谱仪的内参和外参，确定所述每个LED准直光源的三 维坐标。6. 采用权利要求1-5任一所述的多光谱双向反射分布函数测量系统进行测量的方法， 其特征在于，包括： S1，确定所述待测样品表面的所述采样点的三维坐标和法线； S2,根据所述三维坐标和法线，测量待测样品表面每个所述采样点的多光谱双向反射 分布函数数据。7. 根据权利要求6所述的多光谱双向反射分布函数测量方法，其特征在于，所述步骤 Sl包括： S101，所述中央控制服器向所述投影控制服务器和所述成像光谱仪控制服务器发出同 步测量信号； 5102, 所述投影控制服务器接收所述同步测量信号，向所述投影仪输出一组格雷码图 像，每个所述投影仪向所述待测样品依次投射所述格雷码图像； 5103, 所述成像光谱仪控制服务器向所有所述成像光谱仪发送同步触发信号，以使所 述成像光谱仪采集被投射了所述格雷码图像的样品图像； 5104, 为所述样品图像中的每个像素生成关于成像光谱仪、投影仪和格雷码图像的编 码（c，p，g)，其中c为成像光谱仪的编号，p为投影仪的编号，g为所述像素对应的格雷码； 5105, 确定不同的样品图像对应的同一个采样点的像平面坐标集合（Xl，yi)、 (x2，y2)、……、（xm，ym)，其中，m为可以观察到这个采样点的成像光谱仪的数量； 5106, 根据所述成像光谱仪的CCD相机的内参和外参以及所述采样点的像平面坐标集 合，确定所述采样点对应不同所述样品图像的反射方向矢量集合5、6........ 5107, 计算所述反射方向矢量集合的交点，所述交点的坐标即为所述采样点的三维坐 标； 5108, 根据所述采样点的三维坐标的集合计算所述采样点的法线； 5109, 将每个所述采样点的像素编码、像平面坐标集合、反射方向矢量集合、三维坐标 和法线保存在一个数据结构中。8. 根据权利要求6所述的多光谱双向反射分布函数测量方法，其特征在于，所述步骤 S2包括： S201，所述中央控制服务器向所述光源控制服务器发出光源控制信号； 5202, 所述光源控制服务器根据所述光源控制信号控制逐个开关所述LED准直光源； 5203, 每次打开一个LED准直光源时，所述中央控制服务器向所述图像采集同步控制 器发出图像立方采集信号， 所述图像采集同步控制器根据所述图像立方采集信号，向所述成像光谱仪发送采集N 个波长下同步触发信号， 所述图像采集同步控制器将N个样品图像合成为一个图像立方体； 5204, 为每个图像立方体中的每个像素生成编码（c，1)，其中c为成像光谱仪的编号，1 为LED准直光源的编号； 5205, 根据图像立方体的像素坐标检索所述数据结构，获得每个像素坐标所对应的像 素编码、反射方向矢量集合、三维坐标和法线， 根据所述LED准直光源的编号及三维坐标，确定所述像素所对应的采样点的入射方向 矢量，根据所述入射方向矢量，法线和反射方向矢量，计算所述采样点的入射方向的天顶角 和方位角和反射方向的天顶角和方位角； 5206, 采用相对测量方法，比较标准样品和所述待测样品的图像方立方体像素值，确定 所述待测样品上的所有采样点的多光谱双向反射分布函数。9. 根据权利要求8所述的多光谱双向反射分布函数测量方法，其特征在于，所述步骤 S205包括： S2051，在逐个打开每个所述LED准直光源时，所述成像光谱仪阵列单元获取所述LED 准直光源在一个已知形状和尺寸的镜面球体上的反射影像图像，根据所述样品支架上设置 的镜面球体的入射反射关系以及所述成像光谱仪的内参和外参，确定所述每个LED准直光 源的三维坐标。
【专利摘要】本发明涉及任意形状样品多光谱双向反射分布函数的测量方法和系统，其中，该系统包括球形支架、样品支架、光源阵列单元、投影仪阵列单元、成像光谱仪阵列单元和中央控制服务器，通过投影仪阵列单元向待测样品投射格雷码图像，然后光源阵列单元向待测样品投射不同方向的准直光束，成像光谱仪阵列单元采集待测样品的多光谱图像，中央控制服务器通过处理待测样品表面的格雷码图像获得待测样品上的每个采样点的三维坐标和法线，通过处理不同方向光照条件下的多光谱图像获得待测样品的多光谱双向反射分布函数；本发明能够测量任意形状待测样品的多光谱双向反射分布函数数据。
【IPC分类】G01N21/55
【公开号】CN104897616
【申请号】CN201510275516
【发明人】李红松, 丁刚毅, 廖宁放, 吴文敏, 马建东
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月26日
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