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。