JP2019191175A - Imaging device and method - Google Patents
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Abstract
【課題】従来よりも簡単な構成で不均一な被写体面であっても従来よりも高精度に撮像を行うことができるイメージング装置及び方法を提供する。【解決手段】観測すべき物体10における過渡的な表面下散乱光を捕捉して内面光伝搬を画像化するイメージング装置であって、物体表面10S上の観測される所定の観測表面点Poから所定の半径だけ離れた少なくとも1つの表面照射点Ppに照明を照射するための光源1と、観測表面点からの光線の放射輝度を検出するイメージセンサ2と、前記半径を変更するように光源を制御し、半径を変更する前の第1の放射輝度と、半径を変更した後の第2の放射輝度とを受信し、第1の放射輝度と第2の放射輝度との間の差を、物体における表面下散乱光の過渡的な放射輝度として計算することにより、過渡的な放射輝度を捉えた画像を生成するイメージングプロセッサ20とを備える。【選択図】図4APROBLEM TO BE SOLVED: To provide an imaging device and method capable of performing imaging with higher accuracy than before even with a non-uniform subject surface with a simpler configuration than before. An imaging device that captures transient subsurface scattered light in an object to be observed and images the internal light propagation, and a predetermined observation surface point Po on an object surface 10S. , A light source 1 for illuminating at least one surface irradiation point Pp separated by a radius, an image sensor 2 for detecting radiance of light rays from an observation surface point, and a light source controlled to change the radius. And receiving the first radiance before changing the radius and the second radiance after changing the radius, the difference between the first radiance and the second radiance And an imaging processor 20 that generates an image capturing the transient radiance by calculating the transient radiance of the subsurface scattered light in. [Selection diagram] Fig. 4A
Description
本発明は、過渡的表面下散乱を捕捉することによって物体内面の光輸送を画像化するためのイメージング装置及び方法に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus and method for imaging light transport inside an object by capturing transient subsurface scattering.
最近、現実世界のシーンの過渡的な光輸送を捉えるための多くのアプローチが提案されている。これらの過渡画像化方法の多くは、ピコ秒からフェムト秒の範囲で光の時間又は超高速カメラを用いて時間的光輸送を直接サンプリングし、反射及び相互反射を含む大規模な光輸送事象の分離を可能にする。しかしながら、これらの方法は、表面下散乱が、時間的尺度がはるかに小さくその結果として外部からの公然とアクセスできない光学的事象を支配する内面での光輸送を捕捉するために、使用することはできない。 Recently, many approaches have been proposed to capture transient light transport in real-world scenes. Many of these transient imaging methods directly sample temporal light transport using time of light or ultrafast cameras in the picosecond to femtosecond range for large-scale light transport events, including reflection and interreflection. Allows separation. However, these methods cannot be used to capture light transport on the inner surface where subsurface scattering is much smaller in time scale and consequently dominates optical events that are not publicly accessible from the outside. Can not.
最近のいくつかの研究は、表面下散乱の光輸送解析に関するものである。非特許文献1には、その最上の界面としての物体表面に高周波照明を照射した当該表面の側断面を直接観測することにより、表面下散乱によるn回バウンスのイメージング、すなわち、表面下粒子による増分バウンス光のイメージングを実現する方法が発明されている。ここで、予め決定された分析散乱モデルのパラメータは、観測から再帰的に推定されて、n回バウンスを受けた光の寄与を計算する。 Several recent studies have been on light transport analysis of subsurface scattering. In Non-Patent Document 1, by directly observing a side cross section of an object surface irradiated with high-frequency illumination as an uppermost interface, imaging of bounces by subsurface scattering, that is, increment by subsurface particles A method for realizing imaging of bounced light has been invented. Here, the parameters of the analytical scattering model determined in advance are recursively estimated from the observation, and the contribution of light bounced n times is calculated.
非特許文献1の方法は、実際の光の伝播を深く観測するために表面を物理的にスライスすることを必要とし、特定の分析散乱モデルに限定される。その結果、その方法は一般的な表面に適用することができず、未知の材料の均質な表面さえも排除する。 The method of Non-Patent Document 1 requires physical slicing of the surface in order to deeply observe actual light propagation and is limited to specific analytical scattering models. As a result, the method cannot be applied to general surfaces and even eliminates homogeneous surfaces of unknown materials.
非特許文献2では、対象物体の上から見た表面の見え方を深さの異なる数層に復元する方法が提案されている。物体表面は様々なピッチの高周波照明で捉えられ、その直接成分画像はその後、各深度に対応する既知のカーネルでぼけ補正される。この方法では、離散的な深さでテクスチャが目立つ特別なものを除いて、内面の詳細な光輸送を捉えるための使用を妨げる以下のいくつかの前提がある。第一に、外部光源で捕捉された表面下の光輸送は、それらが使用する放射伝達モデル(非特許文献3参照)では表現できず、散乱媒体(すなわち表面)に浸された光源にしか適用できず、入射光の散乱を説明できない。第二に、彼らの方法が仮定しているものとは異なり、表面下散乱の深さに依存した外観は、独特のテクスチャパターンを生じさせず、その成分周波数も高周波照明と絡み合わないほど明瞭ではない。最近になって、非特許文献4では、テラヘルツ時間領域分光法を用いたサブピコ秒イメージングによる同様の離散層抽出が実証されているが、この方法は特別なイメージングハードウェアを必要とするという問題点があった。 Non-Patent Document 2 proposes a method of restoring the appearance of a surface viewed from above a target object into several layers having different depths. The object surface is captured with high-frequency illumination at various pitches, and its direct component image is then deblurred with known kernels corresponding to each depth. This method has several assumptions that prevent its use for capturing detailed light transport on the inner surface, except for the special ones where texture is noticeable at discrete depths. First, subsurface light transport captured by an external light source cannot be represented by the radiative transfer model they use (see Non-Patent Document 3), but only applies to light sources immersed in scattering media (ie, the surface). And the scattering of incident light cannot be explained. Secondly, unlike what their method assumes, an appearance that depends on the depth of subsurface scattering does not give rise to a unique texture pattern, and its component frequency is so clear that it does not entangle with high frequency illumination. is not. Recently, Non-Patent Document 4 has demonstrated similar discrete layer extraction by subpicosecond imaging using terahertz time-domain spectroscopy, but this method requires special imaging hardware. was there.
また、特許文献1には、空間符号化法等で表される縞模様をプロジェクタ等の照射手段により測定対象に照射し、3次元座標を、反射光がイメージング手段によって観測される位置に基づいて三角測量法により計算する三次元形状測定装置が開示されている。このような装置では、三次元座標の測定精度は測定対象物の材質に大きく依存する。また、縞模様を用いるため構成が複雑になるという不都合がある。 Further, in Patent Document 1, a striped pattern represented by a spatial encoding method or the like is irradiated on a measurement object by an irradiation unit such as a projector, and three-dimensional coordinates are calculated based on a position where reflected light is observed by an imaging unit. A three-dimensional shape measuring apparatus for calculating by a triangulation method is disclosed. In such an apparatus, the measurement accuracy of the three-dimensional coordinates greatly depends on the material of the measurement object. In addition, there is an inconvenience that the configuration is complicated due to the use of a striped pattern.
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来よりも簡単な構成で、不均一な被写体面であっても従来よりも高精度に撮像を行うことができるイメージング装置及び方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an imaging apparatus and method that solves the above-described problems and that can perform imaging with higher accuracy than before even with a non-uniform subject surface with a simpler configuration than before. It is in.
本発明の一態様に係るイメージング装置は、
観測すべき物体における過渡的な表面下散乱光を捕捉して内面光伝搬を画像化するイメージング装置であって、
前記物体の物体表面上の観測される所定の観測表面点から所定の半径だけ離れた少なくとも1つの表面照射点に照明を照射するための光源と、
前記観測表面点からの光線の放射輝度を検出するイメージセンサと、
前記半径を変更するように前記光源を制御し、前記半径を変更する前の第1の放射輝度と、前記半径を変更した後の第2の放射輝度とを受信し、前記第1の放射輝度と前記第2の放射輝度との間の差を、前記物体における表面下散乱光の過渡的な放射輝度として計算することにより、当該過渡的な放射輝度を捉えた画像を生成するイメージングプロセッサと
を備える。
An imaging apparatus according to an aspect of the present invention includes:
An imaging device that captures transient subsurface scattered light in an object to be observed and images internal light propagation,
A light source for illuminating at least one surface illumination point that is separated by a predetermined radius from a predetermined observed surface point on the object surface of the object;
An image sensor for detecting the radiance of light from the observation surface point;
Controlling the light source to change the radius, receiving a first radiance before changing the radius and a second radiance after changing the radius, and receiving the first radiance. And an imaging processor for generating an image capturing the transient radiance by calculating a difference between the second radiance and the second radiance as a transient radiance of subsurface scattered light in the object, Prepare.
また、本発明の別の一態様に係るイメージング方法は、
観測すべき物体における過渡的な表面下散乱光を捕捉して内面光伝搬を画像化するイメージング方法であって、
前記物体の物体表面上の所定の観測表面点から所定の半径だけ離れた少なくとも1つの表面照射点に光源の照明を照射するステップと、
前記観測表面点からの光線の放射輝度を検出するステップと、
前記半径を変更するように前記光源を制御し、前記半径を変更する前の第1の放射輝度と、前記半径を変更した後の第2の放射輝度とを受信し、前記第1の放射輝度と前記第2の放射輝度との間の差を、前記物体における表面下散乱光の過渡的な放射輝度として計算することにより、当該過渡的な放射輝度を捉えた画像を生成するステップと
を含む。
An imaging method according to another aspect of the present invention includes:
An imaging method that captures transient subsurface scattered light in an object to be observed and images internal light propagation,
Illuminating at least one surface illumination point that is a predetermined radius away from a predetermined observation surface point on the object surface of the object;
Detecting the radiance of light rays from the observation surface point;
Controlling the light source to change the radius, receiving a first radiance before changing the radius and a second radiance after changing the radius, and receiving the first radiance. Generating an image capturing the transient radiance by calculating a difference between the second radiance and the second radiance as a transient radiance of subsurface scattered light in the object. .
本発明に係るイメージング装置及び方法によれば、従来よりも簡単な構成のイメージング装置及び方法を提供することができ、物体表面が不均一であっても従来よりも高精度にイメージングを実行することができる。 According to the imaging apparatus and method of the present invention, it is possible to provide an imaging apparatus and method having a simpler configuration than before, and to perform imaging with higher accuracy than before even if the object surface is non-uniform. Can do.
以下、本発明にかかる実施形態について図面を参照して説明する。なお、同一又は同様の構成要素については同一の符号を付している。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the same or similar component.
1.はじめに.
表面下の散乱は、外部の界面に近い表面内部の光の輸送であり、実世界の表面の外観に大きな影響を与える。入射光が表面下に侵入すると、媒体内の粒子(例えば顔料)を複数回反射する。表面媒体自体による吸収に加えて、これらのバウンスのそれぞれが吸収及び散乱を引き起こし、界面から再出現する光の独特の色及び方向をもたらす。
1. Introduction.
Subsurface scattering is the transport of light inside the surface close to the external interface and has a significant impact on the appearance of real-world surfaces. When incident light penetrates below the surface, particles (eg, pigment) in the medium are reflected a plurality of times. In addition to absorption by the surface medium itself, each of these bounces causes absorption and scattering, resulting in a unique color and direction of light re-emerging from the interface.
光が長く移動すればするほど、バウンスは増大する。表面下散乱面の外観を一連の画像に復元できる場合、それぞれが限られた範囲の距離(すなわち、経路長)又は確率的に比例して限られた数のバウンスを表面に持ってきた光を捉えるので、その結果は界面下の観測できない内部表面構造について多くを教授できる。 The longer the light travels, the greater the bounce. If the appearance of the subsurface scattering surface can be restored to a series of images, each has a limited range of distances (ie path lengths) or light that has stood a limited number of bounces in proportion to the surface. As a result, the results can teach a lot about the unobservable internal surface structure below the interface.
図1は、本発明の一実施形態のイメージング装置により撮影された投光写真(基準)、中心点の可変リング光画像、可変リング光画像及び過渡画像を含む写真を示す図である。本実施形態では、図1に示す以下のイメージング法を提案する。イメージング法は、境界内の光路長と比例して限られた数のバウンスを表面内の粒子(すなわち、表面における過渡的な光輸送)一組の光の画像に復元することを可能にする。これらの過渡画像はまとめて表面の内部構造と色を明らかにする。 FIG. 1 is a diagram illustrating a photograph including a projected photograph (reference), a variable ring light image of a central point, a variable ring light image, and a transient image, which is taken by an imaging apparatus according to an embodiment of the present invention. In the present embodiment, the following imaging method shown in FIG. 1 is proposed. The imaging method allows a limited number of bounces in proportion to the optical path length within the boundary to be restored to a set of images of particles within the surface (ie, transient light transport at the surface). These transient images collectively reveal the internal structure and color of the surface.
なお、本明細書において、「可変リング光」とは、例えば中心点である観測表面点Po(図2B、図2C等参照)からの半径rを変化可能なリング形状の光をいう。 In this specification, “variable ring light” refers to ring-shaped light capable of changing the radius r from the observation surface point Po (see FIG. 2B, FIG. 2C, etc.), which is the center point.
イメージング経路長又はバウンス復元光は、主にシーンワイドなグローバル光輸送解析の一部として相互反射のために研究されてきた。表面下散乱は、表面内の光輸送に関するものであるため相互反射とは異なり、はるかに大規模な三次元シーンジオメトリではなく、統計的に分布した粒子によって支配される。前述したように、過去の従来技術の方法はしばしば相互反射に特有の周波数及び幾何学的特性に依存し、過去の従来技術の方法は表面下散乱を復元するために適用することができない。 Imaging path length or bounce reconstructed light has been studied for interreflection mainly as part of a scene-wide global light transport analysis. Unlike surface reflection, subsurface scattering is dominated by statistically distributed particles, rather than much larger three-dimensional scene geometry, as it relates to light transport within the surface. As mentioned above, past prior art methods often rely on the frequency and geometric characteristics unique to interreflection, and past prior art methods cannot be applied to restore subsurface scattering.
本発明に係る実施形態では、実世界の半透明表面の外観を構成する、表面下散乱復元、経路長(及び比例的にバウンスする)に依存する光の復元のための第1の方法を提案する。非常に高速な光がシーン内で伝搬する様子を、一定時間ごとに直接撮像しようとすると、高い時間分解能を有する特殊なカメラを用いる必要があり、フェムト秒単位で物体表層内などで散乱光が伝搬する様子を撮像することは困難であった。本手法では、光の伝搬を直接的に時間分解するのではなく、その定常状態について、光の伝搬距離を仮想的に制御することにより、その伝搬過程を復元する点が特長である。物体表面下における光の伝搬距離がその光の物体表面における入射点と観測点の間の表面距離(最短経路長)より短くなりえないことに着目している。物体の上から正射照射法で照射されて見られるとき、当該物体表面は、インパルス照明と呼ばれる光を用いて、単一表面点に入射する光の半空間及び最短経路長を画定し、ここで、前記インパルス照明は、入射点から距離r(すなわち、半径r)で観測される。 Embodiments according to the present invention propose a first method for light restoration depending on subsurface scattering reconstruction, path length (and proportional bounce), which constitutes the appearance of a real world translucent surface. To do. In order to directly capture the state of very high-speed light propagating in a scene, it is necessary to use a special camera with high temporal resolution, and scattered light is emitted in the surface of the object in femtosecond units. It was difficult to image the state of propagation. The feature of this method is that the propagation process of light is virtually controlled by controlling the propagation distance of light in the steady state, instead of directly resolving the propagation of light. It is noted that the propagation distance of light under the object surface cannot be shorter than the surface distance (shortest path length) between the incident point and the observation point on the object surface of the light. When viewed from above an object with an orthographic illumination method, the object surface uses light called impulse illumination to define the half-space and the shortest path length of light incident on a single surface point, where Thus, the impulse illumination is observed at a distance r (ie, radius r) from the incident point.
本発明者らは、インパルス照明の距離rを変えながら同じ表面点を観測することによって表面下光輸送の光路長がこの距離rより短くなりえないことを利用する。任意の表面点でインパルス照明を使用する代わりに、インパルス照明で照らされた表面距離rのすべての各表面点の周りの半径rのリング光を使用する。本発明者らは可変リング光画像を得ることができ、その各々は異なる半径のリング光で捕捉された各表面点の外観を符号化する。 The present inventors make use of the fact that the optical path length of subsurface light transport cannot be shorter than this distance r by observing the same surface point while changing the distance r of the impulse illumination. Instead of using impulse illumination at any surface point, a ring light of radius r around every surface point of surface distance r illuminated by impulse illumination is used. We can obtain variable ring light images, each of which encodes the appearance of each surface point captured with a different radius of ring light.
本発明者らは、わずかに異なる半径の2つのリング光画像の差をとることが各表面点で観測される光路長を制限することを示す。言い換えれば、可変リング光画像として捕捉された定常状態の外観から、本発明者らは、様々な程度の表面下散乱を有する表面外観、すなわち、表面下の光輸送の過渡画像を計算する。また、経路長制限過渡画像も表面の近似的及び比例的制限付きn回バウンス画像として解釈できることをシミュレーションと解析的近似に基づいて実証的に証明する。 We show that taking the difference between two ring light images with slightly different radii limits the optical path length observed at each surface point. In other words, from the steady state appearance captured as a variable ring light image, we calculate a surface appearance with varying degrees of subsurface scattering, ie, a transient image of subsurface light transport. It is also proved empirically based on simulation and analytical approximation that the path length limited transient image can also be interpreted as an approximate and proportionally limited bounce image of the surface.
本発明者らは、表面点(観測画像領域内の照射画素)の数をNとすると、N個のインパルス照明画像を取り込むことによって可変リング光イメージングを実行する。図1に示すように、可変リング光画像と過渡画像を、それらの放射輝度差から合成的に計算する。合成及び実世界の複雑な表面の両方に可変リング光イメージングを適用した場合の広範な実験結果を示す。その結果は、本発明者らが提案した方法が表面下散乱を首尾よく復元することを示し、そして復元した過渡画像がその色変化と一般的不均一表面に対する横方向と深さ方向構成を含む内部表面構造を明らかにする。本発明者らはさらに、過渡画像の違いが異なる深さにおける表面の色を明らかにすることを示す。 The present inventors execute variable ring light imaging by capturing N impulse illumination images, where N is the number of surface points (irradiated pixels in the observation image region). As shown in FIG. 1, a variable ring light image and a transient image are synthetically calculated from their radiance differences. Extensive experimental results are shown when variable ring optical imaging is applied to both synthetic and real-world complex surfaces. The results show that the method proposed by the inventors successfully restores subsurface scattering, and the restored transient image includes its color change and transverse and depth configurations for a general non-uniform surface. Clarify the internal surface structure. We further show that differences in transient images reveal surface color at different depths.
本発明者らが提案した方法は単純で通常のプロジェクタ(照明照射装置)と撮像カメラだけを必要とする。従来技術に係る方法に対する利点の1つは、物体がモデルフリーであることで、表面下の光輸送について制限的な仮定がないことである。本発明者らの知る限りでは、当該提案した方法は、通常の撮像部品を使用して定常状態の外観の外部観測から内面構造の連続的変動の高密度復元を可能にする最初のものである。可変リング光イメージングは、表面下の散乱を解読し、その結果として表面の内側を視覚的にプロービングするための前例のない手段を提供することによって、過去の過渡イメージング方法、特にシーン全体のグローバル光輸送のバウンス復元方法を補完する。本発明者らが提案した方法は、現実世界のシーンや素材のより豊かな放射分析の理解に新たな道を切り開くものである。 The method proposed by the present inventors is simple and requires only a normal projector (illumination irradiation apparatus) and an imaging camera. One advantage over prior art methods is that the object is model free and there are no limiting assumptions about subsurface light transport. To the best of our knowledge, the proposed method is the first to enable high-density restoration of continuous variation of internal structure from external observation of steady state appearance using normal imaging components. . Variable ring light imaging deciphers subsurface scattering and consequently provides an unprecedented means for visually probing the interior of a surface, thereby enabling past transient imaging methods, particularly global light for the entire scene. Complement the bounce restoration method of transportation. The method proposed by the present inventors opens a new path to understanding a richer radiometric analysis of real-world scenes and materials.
2.比較例.
上述したように、非特許文献1の方法では、実際の光の伝播を深く観測するために表面を物理的にスライスする必要があり、特定の分析散乱モデルに限られる。結果として、その方法は、未知の材料の均質なものを含む一般的な表面にも適用することができない。一方、本発明者らが提案した方法は、イメージング設定が観測すべき物体の観測表面に対するいかなる修正も必要とせず、それが当該対象物体に対してモデルフリーであり、任意の表面への適用を可能にすると仮定する。
2. Comparative example.
As described above, in the method of Non-Patent Document 1, it is necessary to physically slice the surface in order to deeply observe actual light propagation, and the method is limited to a specific analytical scattering model. As a result, the method cannot be applied to general surfaces including a homogeneous one of unknown material. On the other hand, the method proposed by the present inventors does not require any modification to the observation surface of the object whose imaging setting is to be observed, and it is model-free for the target object and can be applied to any surface. Assume that it is possible.
最近になって、非特許文献4には、テラヘルツ時間領域分光法を用いたサブピコ秒イメージングによる同様の離散層抽出が実証されている。対照的に、本発明者らが提案した方法はモデルフリーであり、表面下光輸送のいかなる周波数特性も想定せず、プロジェクタのイメージングセットアップを用いて、特に表面範囲にわたってかつその色を含むその深さに沿った両方における連続的な外観変化を通常のカメラで復元することを目的とする。当該提案した方法は、本発明者らの知る限りでは最初の知見であって、表面下散乱の過渡光輸送へのアクセスを提供する。結果として得られる境界経路長画像、又は比例近似n回バウンス画像は、広範囲の用途で使用される可能性がある。本発明者らが証明するように、本方法はそれらの色を含む複雑な内部表面下構造を明らかにすることができる。また本方法は、例えば、逆散乱によって表面の材料組成を決定するために潜在的に使用され得る(非特許文献5及び6を参照のこと)。従って、当該提案した方法は、実世界の表面外観の理解に重要な意味を持つと考えています。 Recently, Non-Patent Document 4 demonstrates similar discrete layer extraction by subpicosecond imaging using terahertz time domain spectroscopy. In contrast, the method proposed by the inventors is model-free, does not assume any frequency characteristics of subsurface light transport, and uses projector imaging setups, especially its depth over the surface range and including its color. The aim is to restore the continuous appearance change in both along the length with a normal camera. The proposed method is the first finding to the inventors' knowledge and provides access to transient light transport of subsurface scattering. The resulting boundary path length image, or proportional approximation n times bounce image, can be used in a wide range of applications. As we demonstrate, the method can reveal complex internal subsurface structures including their colors. The method can also potentially be used, for example, to determine the material composition of a surface by backscattering (see Non-Patent Documents 5 and 6). Therefore, we believe that the proposed method has important implications for understanding the real world surface appearance.
3.種々のリング光イメージング.
このセクションでは、本発明者らの新しいイメージング手法の研究結果と理論的基盤を説明する。本方法の仮定を明確にした後、最初に当該提案された方法の基礎となる主な観測、すなわち単一のインパルス照明を用いてその入射点から所与の距離で観測される光の表面下散乱の経路長のより少ないバウンスについて議論する。次に、可変リング光を照明として導入し、それらの違いが光路長をどのようにバウンドさせるかについて説明する。従って、本方法によれば、表面内の過渡的な光輸送、つまり表面下散乱の段階的進行を符号化することを特徴としている。
3. Various ring optical imaging.
In this section, we will explain our research results and theoretical basis of our new imaging technique. After clarifying the assumptions of the method, first the main observations underlying the proposed method, i.e. below the surface of light observed at a given distance from the point of incidence using a single impulse illumination. Discuss bounces with less scattering path length. Next, variable ring light is introduced as illumination, and how these differences bounce the optical path length will be described. Therefore, according to the present method, the transient light transport in the surface, that is, the stepwise progression of subsurface scattering is encoded.
3.1.準備.
微視的スケール、すなわち画像画素よりも小さいが波長よりも大きい表面は、媒体と粒子とからなる。入射光線は、外側の界面を透過した後、媒体内を直進し、懸濁粒子にぶつかるたびに、最終的に界面から再び現れるまで散乱する。これらのバウンスのそれぞれは、そのエネルギーの一部が吸収されている間に光線の方向を変える。媒質と粒子の両方による吸収の度合いは波長によって異なり、光線はその移動経路に応じて固有の色を蓄積する。表面点の外観は、表面下でさまざまな回数のバウンスを受けた光線から構成される。
3.1. Preparation.
A microscopic scale, ie a surface that is smaller than an image pixel but larger than a wavelength, consists of media and particles. Incident light passes through the outer interface and then travels straight through the medium and scatters until it finally reappears from the interface each time it hits a suspended particle. Each of these bounces redirects the light beam while some of its energy is absorbed. The degree of absorption by both the medium and the particles varies with wavelength, and the light beam accumulates a unique color depending on its movement path. The appearance of surface points consists of rays that have bounced various times below the surface.
この表面下散乱により、光は表面内のジグザグ経路を進む。その結果、光線の表面距離、すなわちその入口点と出口点との間の表面上のユークリッド距離は、その光路長、すなわち光線が表面内を移動した実際の幾何学的距離と同じにはならない。光路長は、光路長と媒体の屈折率との積であることに留意されたい。入射光は、境界面の真下を真っ直ぐ進んだ可能性がある。又は、境界面から再び出る前に表面全体を深く伝播した可能性がある。 This subsurface scattering causes the light to follow a zigzag path in the surface. As a result, the surface distance of the ray, i.e. the Euclidean distance on the surface between its entry and exit points, is not the same as its optical path length, i.e. the actual geometric distance the ray traveled through the surface. Note that the optical path length is the product of the optical path length and the refractive index of the medium. Incident light may have traveled straight below the interface. Or it may have propagated deeply across the entire surface before leaving the interface again.
正射影カメラと指向性の光が互いに同一直線上にあり、両方とも対象表面に垂直であるイメージング設定を検討する。以下の理論的考察は、非平行視線及び照明に有効であり、実際には、カメラ及び光源は、各過渡画像に対応する経路長範囲を拡大縮小するだけなので、表面に対して傾けることができる。それにもかかわらず、理論的にも実践的にも単純化するために、ここでは、同一直線上での垂直イメージングのセットアップを想定する。 Consider an imaging setup where the orthographic camera and the directional light are collinear with each other and both are perpendicular to the surface of interest. The following theoretical considerations are valid for non-parallel gaze and illumination, and in fact the camera and light source can be tilted with respect to the surface because they only scale the path length range corresponding to each transient image . Nevertheless, to simplify both theoretically and practically, we will assume a vertical imaging setup here.
関心のある対象物体の表面は、対象物体の外側界面での相互反射を安全に無視するために平坦であると仮定する。平坦でない表面に対する表面距離は、平坦な表面に対する幾何学的距離に対応する測距距離に対応する。 Assume that the surface of the target object of interest is flat in order to safely ignore the interreflection at the outer interface of the target object. The surface distance for a non-planar surface corresponds to a ranging distance corresponding to the geometric distance for a flat surface.
3.2.インパルスの表面下散乱.
画像内の単一の画素に対応する表面点Ppを所定時間照射する指向性光源を考え、これをインパルス照明と呼ぶ。実際には、インパルス照明はプロジェクタ画素と画像画素間の対応と最も細かい解像度を調整することによって達成される。本発明者らが使用するのは通常プロジェクタ画素で、これは後の実際の実験ではおよそ4画素である。
3.2. Impulse subsurface scattering.
A directional light source that irradiates a surface point Pp corresponding to a single pixel in an image for a predetermined time is referred to as impulse illumination. In practice, impulse illumination is achieved by adjusting the correspondence between projector pixels and image pixels and the finest resolution. We usually use projector pixels, which are approximately 4 pixels in later actual experiments.
図2Aは、表面下散乱の等輝度線を示し、図2Bは、入射点と観測点との間の表面距離によって自然に制限される様々な経路長を移動した光線からなる表面下散乱の表面外観を示す。図2Cは表面下散乱の表面外観を示し、可変リング光を用いて、すなわち、異なる半径の観測表面点Poを中心とする所定の半径の円形リング形状インパルス照明で表面を照明することを示す。図2Dは、可変リング形状の表面照射点Ppと観測表面点Poを示す平面図である。本実施形態では、対象物体10の物体表面10S上の観測表面点Poを中心とした異なる半径の可変リング光を用いて、表面照射点Ppを照らし、徐々に増加する対の半径について観測された放射輝度の差を計算することによって、各半径における観測表面点Poで観測される光の経路長を制限することができる。図2A〜図2Dにおいて、Ppは、対象物体10の物体表面10S上のインパルス表面照射点を表し、Poは、物体表面10S上の観測表面点を表す。 FIG. 2A shows a subsurface scattering isoluminance line, and FIG. 2B shows a subsurface scattering surface consisting of light rays that have traveled through various path lengths that are naturally limited by the surface distance between the incident and observation points. Appearance is shown. FIG. 2C shows the surface appearance of subsurface scattering, illuminating the surface with variable ring light, i.e. with circular ring-shaped impulse illumination of a given radius centered on an observation surface point Po of a different radius. FIG. 2D is a plan view showing the surface irradiation point Pp and the observation surface point Po having a variable ring shape. In the present embodiment, the surface irradiation point Pp is illuminated using variable ring light with different radii centered on the observation surface point Po on the object surface 10S of the target object 10, and a gradually increasing pair of radii is observed. By calculating the difference in radiance, the path length of the light observed at the observation surface point Po at each radius can be limited. 2A to 2D, Pp represents an impulse surface irradiation point on the object surface 10S of the target object 10, and Po represents an observation surface point on the object surface 10S.
図2Aは、物体10内部の表面下散乱放射における輝度分布の等輝度線(等照度線ともいう)を示す。インパルス表面照射点Ppから距離rにおける観測表面点Poの放射輝度は、距離rの界面から再び現れる前に物体表面10Sを通って移動した各光線の放射輝度L(r)の合計E(r)である。物体表面10S上の距離rにおける界面個々の光線
ここで、Lp(r)は、物体表面10S上の距離rで観測する光線の経路長の集合であり、iはi番目の光線を表す。 Here, Lp (r) is a set of path lengths of light beams observed at a distance r on the object surface 10S, and i represents the i-th light beam.
ここで、
この観測の証明は簡単である。物体表面10S上の2点間の最短経路はそれらの間の測地線である。これは本発明者らの平らな表面の表面距離rとして定義され、観測された光は表面から再出現するためにもっと短い距離を進むことはできない。この性質を明示的にするために、式(2)を次式で書き直す。 The proof of this observation is simple. The shortest path between two points on the object surface 10S is a geodesic line between them. This is defined as the surface distance r of our flat surface, and the observed light cannot travel a shorter distance because it reappears from the surface. In order to make this property explicit, equation (2) is rewritten as
3.3リング光表面下散乱.
光路長のより少ないバウンスが与えられると、インパルス照明を用いた表面点の観測は、おそらく、本発明者らは、制限された光路長の光(すなわち過渡光)を抽出させる。次のセクションでこの過渡画像計算をどのように正確に達成するかを説明する前に、まずインパルス照明を使用することの基本的な問題について説明する。単一インパルス照明を使用することは、2つの理由で非効率的である。第一に、表面下散乱の放射輝度は光路長と共に指数関数的に減衰し、インパルス表面下散乱から計算された過渡光は忠実度が低い。第二に、特に不均一な表面に対するこれらの過渡光の光路は、距離rにおけるどの表面点がインパルス照明に使用されるかに応じて異なる。
3.3 Scattering under the ring light surface.
Given a bounce with less path length, observation of a surface point using impulse illumination will probably allow us to extract light of a limited path length (ie, transient light). Before discussing exactly how to achieve this transient image calculation in the next section, we first describe the basic problem of using impulse illumination. Using single impulse illumination is inefficient for two reasons. First, the radiance of subsurface scattering decays exponentially with the optical path length, and transient light calculated from impulse subsurface scattering has low fidelity. Second, the path of these transients, especially for non-uniform surfaces, depends on which surface point at distance r is used for impulse illumination.
本発明者らは、本発明者らが可変リング光と呼ぶ特別な光源観測構成によってこれらの非効率性を解決する。可変リング光は、異なる半径の一組のリング形状照明パターンを指す。図2Cに示すように、関心のある観測表面点Poから距離rである、すべての表面照射点Ppをインパルス照明することを検討する。観測表面点Poの正規化された放射輝度は、各インパルス光源によるすべての放射輝度値の線形結合として次式で表される。 We solve these inefficiencies with a special light source observation configuration that we call variable ring light. Variable ring light refers to a set of ring-shaped illumination patterns of different radii. As shown in FIG. 2C, consider performing impulse illumination of all surface irradiation points Pp that are at a distance r from the observation surface point Po of interest. The normalized radiance of the observation surface point Po is expressed by the following equation as a linear combination of all radiance values from each impulse light source.
ここで、Kはインパルス発光点の数、すなわち、図2Cの右図に示すように距離rにある画像画素に対応するプロジェクタ画素である。正規化された可変リング光放射輝度と非正規化されたインパルス照明放射輝度の両方を表すことによって、混乱を避けるために表記Eを用いているが、すべてのkについてrk=rなので、この表記上の上書きは直観的になる。リング形状照明は、パラメータKによってSNRを改善し、パラメータKは、より大きい半径rと共に増加する。 Here, K is the number of impulse light emitting points, that is, the projector pixels corresponding to the image pixel at the distance r as shown in the right diagram of FIG. 2C. The notation E is used to avoid confusion by representing both the normalized variable ring light radiance and the denormalized impulse illumination radiance, but this is because r k = r for all k. The overwriting on the notation becomes intuitive. Ring shaped illumination improves the SNR by the parameter K, which increases with a larger radius r.
観測表面点Poを中心としたリング形状照明の下で捕捉された表面下散乱もまた、観測点の空間的近傍における全ての可能な光路を効果的に平均化する。これは、入射インパルス照明の単一の任意の選択された点に依存しないので、観測された表面点を囲む内部構造のよりロバストな観測をもたらす。リング形状照明の中心以外の任意の点(すなわち観測表面点)は、異なる距離の重畳したインパルス表面下散乱を有することになることに留意されたい。本発明者らが考えるのは中心点の放射輝度だけである。実際には、後で実験結果の節で詳述するように、各観測表面点Poの周りの可変リング光を用いて、すなわち様々な半径のリング形状照明を仮想的に構築することができる。 Subsurface scattering captured under ring-shaped illumination centered on the observation surface point Po also effectively averages all possible light paths in the spatial vicinity of the observation point. This results in a more robust observation of the internal structure surrounding the observed surface point, as it does not depend on a single arbitrary selected point of incident impulse illumination. Note that any point other than the center of the ring-shaped illumination (ie, the observation surface point) will have superimposed subsurface impulse scattering at different distances. The inventors consider only the radiance at the center point. In practice, as will be described in detail later in the experimental results section, it is possible to virtually construct ring-shaped illuminations with variable radii around each observation surface point Po, ie with various radii.
3.4.リング光画像からの過渡画像.
半径rよりも距離Δrだけ大きい半径(r+Δr)のリング形状照明を用いて物体表面10Sを放射することを考えと、次式を得る。
3.4. Transient image from ring light image.
Considering that the object surface 10S is radiated using a ring-shaped illumination having a radius (r + Δr) larger than the radius r by a distance Δr, the following equation is obtained.
これら2つの組の式(4)及び(6)における光線の実際の具体化は、それらが同じ観測表面点Poで観測されたとしても、入射点がわずかに異なるので、互いに素である。代わりに、2組の式(4)及び(6)が、表面距離(r+Δr)より長い経路長を有するすべての光についてほぼ重なると仮定する。 The actual realization of the rays in these two sets of equations (4) and (6) is disjoint because the incident points are slightly different even if they are observed at the same observation surface point Po. Instead, assume that the two sets of equations (4) and (6) overlap approximately for all light with a path length longer than the surface distance (r + Δr).
この重要な仮定は、表面距離rでインパルス照明を用いて同じ観測表面点Poで観測された表面距離(r+Δr)よりも長い経路長を有する光線の放射輝度が、表面距離(r+Δr)でインパルス照明を有するものと同じであることを意味する。言い換えれば、唯一の違いは、2つの組のより少ないバウンスによって、表面距離(r+Δr)より短い経路長の光線である。光線は、同じ経路長について観測された表面点からのそれらの入射点に関係なく同じスペクトル放射輝度を蓄積するので、この特性は均質表面に対して正確に当てはまる。厳密に言えば、光線が与えられた光路長に対して経験するバウンス数は変化するが、統計的に言えば(すなわち、狭い分散で平均的に)、本発明者らは安全にこれが正しいと仮定する。 This important assumption is that the radiance of a ray having a path length longer than the surface distance (r + Δr) observed at the same observation surface point Po using impulse illumination at the surface distance r becomes impulse illumination at the surface distance (r + Δr). Means the same as having In other words, the only difference is a ray with a path length shorter than the surface distance (r + Δr) due to less bounce of the two sets. Since the rays accumulate the same spectral radiance regardless of their point of incidence from the observed surface points for the same path length, this property applies exactly for homogeneous surfaces. Strictly speaking, the number of bounces a ray experiences for a given path length varies, but statistically speaking (ie, on average with narrow dispersion), we safely say that this is correct. Assume.
式(7)が成り立つとき、同じ観測表面点Poであるが、わずかに異なる半径のリング形状照明で照明された正規化観測放射輝度の差は、次式で表される。 When equation (7) holds, the difference between the normalized observation radiances of the same observation surface point Po, but illuminated by ring-shaped illumination with slightly different radii is expressed by the following equation.
ここで、次式で表される。 Here, it is represented by the following formula.
なお、式(9)の左辺の算術記号
物体表面10Sが容積的に不均一である場合、すなわち空間と深さの両方に分布する異なる材料領域からなる場合、2つの間の経路長差は追加の材料領域における表面下散乱の積分を含むことができるので、式(7)は必ずしも成り立たない。しかしながら、2つの観測間の表面距離(r+Δr)よりも長い経路長を有する光のスペクトル放射輝度の相違点は、半径増分Δrを、深さ方向又は空間方向のいずれかの方向で図1の別個の材料領域の最小サイズより十分に小さく保つことによって最小化できる。この場合、境界を定められた経路長の復元分解能は、個別の材料領域よりも小さくなる。言い換えれば、可変リング光画像の差から回収された過渡光輸送の離散的な復元分解能は、表面容積の材料組成よりも細かい。その結果、過渡画像は、固有の表面構造を明らかにするのに十分なほど十分に細かい重要な表面下散乱イベントを依然として捕捉することになる。より長い光路長の光の放射輝度は指数関数的に減衰し、従って、いずれの場合でも矛盾の明るさは通常小さいことに注意することも重要である。 If the object surface 10S is volumetrically non-uniform, i.e. consists of different material regions distributed both in space and depth, the path length difference between the two includes the integration of subsurface scattering in the additional material regions. Therefore, equation (7) does not necessarily hold. However, the difference in the spectral radiance of light having a path length longer than the surface distance (r + Δr) between the two observations is that the radial increment Δr is different from that of FIG. 1 in either the depth direction or the spatial direction. Can be minimized by keeping it sufficiently smaller than the minimum size of the material region. In this case, the resolving resolution of the delimited path length is smaller than the individual material regions. In other words, the discrete restoration resolution of transient light transport recovered from the difference in the variable ring light image is finer than the material composition of the surface volume. As a result, the transient image will still capture important subsurface scattering events that are fine enough to reveal the unique surface structure. It is also important to note that the radiance of light with longer path lengths decays exponentially, so in any case the brightness of the contradiction is usually small.
図3Aは、図の左側にミツバ(非特許文献7参照)を用いてレンダリングされた合成マルチカラー積層表面の側面図を示し、図の右上にミツバによってレンダリングされた有界画像又は経路長画像を示す。図3Bは、図の右上にミツバによってレンダリングされた有界画像又は経路長画像と共に、ミツバによって左側にレンダリングされた球状物体を含む表面の側面図を示す。図3A及び図3Bはまた、各図の右下の行にある2つの合成不均一面についての可変リング光画像及び経路長制限レンダリングから計算された過渡画像を示す。それ以外の場合、それらはより長い光路長に対して指数関数的に暗くなるので、各過渡画像はその複雑な構造を示すために独立してその明るさにおいて正規化される。図3A及び3Bにおいて、可変リング光過渡画像は、その理論から予想される矛盾及びレンダリングノイズ及びエイリアシング(赤いビーズの場合は白い輝きの周囲の暗い縁)から生じる矛盾を除いて、レンダリングされた経路長画像と視覚的に一致する。 FIG. 3A shows a side view of a composite multi-color laminated surface rendered using a mitsuba (see Non-Patent Document 7) on the left side of the figure, and a bounded image or path length image rendered by the mitsuba on the upper right side of the figure. Show. FIG. 3B shows a side view of a surface containing a spherical object rendered on the left side by the mituba, with a bounded or path length image rendered by the mituba on the top right of the figure. 3A and 3B also show the transient images calculated from the variable ring light image and path length limited rendering for the two composite non-uniform surfaces in the lower right row of each figure. Otherwise, they become exponentially darker for longer path lengths, so that each transient image is independently normalized in its brightness to show its complex structure. In FIGS. 3A and 3B, the variable ring light transient image shows the rendered path except for the inconsistencies expected from the theory and the inconsistencies resulting from rendering noise and aliasing (dark edges around white glitter in the case of red beads). Visually matches the long image.
ここで、ミツバ製レンダラを用いてこれらの合成面をレンダリングした(非特許文献7参照)。可変リング光イメージングのために、本発明者らは最初に各画素中心を向いた表面に直交する理想化された単一光線光源を用いてインパルス照明画像をレンダリングする。これらのインパルス照明画像を再構築することによって、本発明者らは、画素増分の様々な半径の可変リング光画像を計算し、過渡画像を計算するために隣接する半径の可変リング光画像の差をとる。 Here, these composite surfaces were rendered using a Mitsuba renderer (see Non-Patent Document 7). For variable ring light imaging, we first render an impulse illumination image with an idealized single light source orthogonal to the surface facing each pixel center. By reconstructing these impulse illumination images, we calculate a variable ring light image with various radii in pixel increments, and the difference between adjacent variable ring light images with adjacent radii to calculate a transient image. Take.
ミツバは限られたバウンスレンダリングのみを含み、各バウンスは表面に統計的に分散された粒子ではなくサンプリングされたレンダリングノードでのみ発生する。ミツバで経路長制限レンダリングを実現するために、レンダリングでの最長光路長を制限するように双方向経路トレースインテグレータ(統合器)を変更しました。これらの上限を定められた光路長の光の画像の差を計算することによって、本発明者らは、グラウンドトゥルースと見なすことができる範囲を定められた光路長の画像を得る。 Mitsuba contains only limited bounce rendering, and each bounce only occurs at sampled render nodes, not particles that are statistically distributed on the surface. In order to achieve path length limited rendering in Mitsuba, the bidirectional path trace integrator has been changed to limit the maximum optical path length in rendering. By calculating the difference between the light images having the optical path lengths with these upper limits, the present inventors obtain an image with the optical path length having a predetermined range that can be regarded as ground truth.
残念ながら、特に複雑で不均一な表面に対して、また経路長に制限を設けて表面下散乱をレンダリングすることは、それらがそれらの光輸送を適切にシミュレートするためにほとんど非現実的に多数のサンプルを必要とするので、困難である。この場合、経路長制限レンダリングに262,144個のサンプルを使用した。これはレンダリングに1日かかりますが、それでも過度のノイズを被る。このため、レンダリングはノイズが多く、可変リング光イメージングの結果もノイズが多くなる。 Unfortunately, rendering subsurface scattering, especially for complex and uneven surfaces, and with path length limitations, is almost impractical for them to properly simulate their light transport. This is difficult because it requires a large number of samples. In this case, 262,144 samples were used for path length limited rendering. This takes a day to render but still suffers from excessive noise. For this reason, rendering is noisy and the result of variable ring optical imaging is also noisy.
ただし、図3A及び図3Bの結果は、復元された過渡画像が、両方の表面で経路長制限のレンダリングとよく一致することを示しています。重ね合わせたカラー表面では、各過渡画像内の積分された光の色は一致し、浸漬された赤いビーズ(bead)のある表面では、ビーズからの光伝播(その表面での鏡面反射により赤色のビーズから広がる白色光)ビードの中で跳ね返った後に赤い光がビードから出ることによって、経路長を制限されたレンダリングでの白熱光(white glow)は、ダークノイズとの対比のために見ることは困難であるが、それらは存在する。 However, the results in Figures 3A and 3B show that the restored transient images are in good agreement with the path length limited rendering on both surfaces. For superimposed color surfaces, the integrated light colors in each transient image match, and for surfaces with immersed red beads, light propagation from the beads (red due to specular reflection on the surface). White light from the beads) The white light in the path length limited rendering is not seen for contrast with dark noise because the red light comes out of the bead after bouncing in the bead. Although difficult, they exist.
赤いビーズの表面には小さいながらも目立った矛盾がある。ここでは、経路長制限レンダリングの最初のいくつかの画像に完全な内部の赤いビーズが表示されないのに対し、可変リング光の結果には最初の過渡画像からの赤いビーズ全体の光が含まれる。可変リング光画像の場合、ビーズは球形であるため、ビーズからの赤色光は、より大きい半径(r+Δr)にはあまり寄与しないので、最初のいくつかの過渡画像は赤色光を有している。 There is a small but noticeable contradiction on the surface of the red beads. Here, the first few images of path length limited rendering do not show the full interior red beads, whereas the variable ring light results include the entire red bead light from the first transient image. In the case of a variable ring light image, since the beads are spherical, the red light from the beads does not contribute much to the larger radius (r + Δr), so the first few transient images have red light.
対照的に、光は赤いビーズに到達していないため、最初のいくつかの経路長制限レンダリングでは、赤い光が徐々に観測されるだけである。この予想される違いと、基本的にレンダリングノイズとエイリアシングから生じる矛盾以外に、これらの合成結果は、可変リング光イメージングが過渡的な表面下の光輸送を捕捉することを示す。散乱体が表面体積中に均一に分布している表面が均質である場合、経路に沿った粒子の数は光路長に正比例する。 In contrast, since the light has not reached the red beads, only the red light is observed gradually in the first few path length limited renderings. Apart from this expected difference and the inconsistency that basically arises from rendering noise and aliasing, these combined results show that variable ring optical imaging captures transient subsurface light transport. If the surface where the scatterers are uniformly distributed in the surface volume is homogeneous, the number of particles along the path is directly proportional to the optical path length.
物体表面10Sがその組成において不均一であっても、統計的に言えば、バウンス数は経路長と共に単調に増加する。結果として、光線が経験する平均のバウンス数は光路長に比例すると安全に仮定することができる。結果として、異なる半径の2つのリング照明画像の放射輝度の差が、平均バウンス光の数を制限する。 Even if the object surface 10S is non-uniform in composition, the bounce number increases monotonically with the path length. As a result, it can be safely assumed that the average bounce number experienced by the light beam is proportional to the optical path length. As a result, the difference in radiance between two ring illumination images of different radii limits the number of average bounce lights.
しかしながら、限界は平均的であり、所与の経路長に対する光のバウンス数の分散が大きい場合、可変リング光画像は表面下散乱の進行を排除することができない。ただし、一般的な実世界の表面では、この分散は通常小さいである。補足資料では、リング光観測のn回バウンス光の放射輝度の比のモンテカルロシミュレーションとその解析的近似を使用した理論解析に基づいた実証的証拠を提供する。復元された過渡画像が、境界を定められたn回バウンス光にほぼ対応すると仮定する。 However, the limits are average, and variable ring light images cannot rule out the progression of subsurface scattering when the variance in the number of bounces of light for a given path length is large. However, on general real world surfaces, this variance is usually small. The supplementary material provides empirical evidence based on a theoretical analysis using Monte Carlo simulation of the radiance ratio of n-bounce light of ring light observation and its analytical approximation. Assume that the reconstructed transient image roughly corresponds to the bounded bounce light.
4.実施形態に係るイメージング装置.
図4Aは、本発明による実施形態のイメージング装置100の概略ブロック図である。
4). An imaging apparatus according to an embodiment.
FIG. 4A is a schematic block diagram of the imaging apparatus 100 according to the embodiment of the present invention.
図4Aを参照すると、観測対象の対象物体10がテーブル11上に配置されており、対象物体10はその上面に平坦又は不均一な物体表面10Sを有している。物体表面10S上で、観測表面点Poと、観測表面点Poから半径r又は(r+pΔr)(p=1,2,…、pmax)だけ離れた表面照射点Ppとを選択する。 Referring to FIG. 4A, a target object 10 to be observed is arranged on a table 11, and the target object 10 has a flat or non-uniform object surface 10S on its upper surface. On the object surface 10S, an observation surface point Po and a surface irradiation point Pp separated from the observation surface point Po by a radius r or (r + pΔr) (p = 1, 2,..., P max ) are selected.
照射レンズ等の光源1は、望遠レンズ等のレンズ3を介して物体表面10S上の各表面照射点Ppを照明するために設けられている。撮影カメラ等の画像センサ2は、望遠レンズ等のレンズ4を介して物体表面10Sからの光線を検知するために設けられており、入射した光線の画像信号をイメージング装置100の画像入力インターフェース22に出力する。 A light source 1 such as an irradiation lens is provided to illuminate each surface irradiation point Pp on the object surface 10S via a lens 3 such as a telephoto lens. The image sensor 2 such as a photographing camera is provided to detect a light beam from the object surface 10S via the lens 4 such as a telephoto lens, and an image signal of the incident light beam is input to the image input interface 22 of the imaging apparatus 100. Output.
イメージング装置100は、イメージングプロセッサ20と、光源コントローラ21と、画像入力インターフェース22と、画像メモリ23と、出力インターフェース24とを含んで構成されている。イメージングプロセッサ20は、画像入力インターフェース22と、画像メモリ23と、出力インターフェース24とを備える。 The imaging apparatus 100 includes an imaging processor 20, a light source controller 21, an image input interface 22, an image memory 23, and an output interface 24. The imaging processor 20 includes an image input interface 22, an image memory 23, and an output interface 24.
光源コントローラ21は、イメージングプロセッサ20の制御に従って光源1の動作を制御し、レンズ3を介して光源1が物体表面10S上の各面点を照明するように構成される。画像入力インターフェース22は、画像信号を入力する。イメージングプロセッサ20は、図5〜図11の処理を実行することにより、画像センサ2からの画像信号をAD変換し、入力画像信号をAD変換して画像データをイメージングプロセッサ20に出力する。これらの画像データは、リング形状照明又は非リング光照明により、所定の信号及びデータ変換を行う出力インターフェース24を介してLED(Light Emitting Diode)ディスプレイ等のディスプレイ5に出力される。ディスプレイ5は、リング形状照明又は非リング光照明の下で捕捉された表面下散乱の捕捉された過渡画像を表示する。 The light source controller 21 is configured to control the operation of the light source 1 according to the control of the imaging processor 20, and the light source 1 illuminates each surface point on the object surface 10 </ b> S via the lens 3. The image input interface 22 inputs an image signal. The imaging processor 20 performs the processing of FIGS. 5 to 11 to AD convert the image signal from the image sensor 2, AD convert the input image signal, and output the image data to the imaging processor 20. These image data are output to a display 5 such as an LED (Light Emitting Diode) display via an output interface 24 that performs predetermined signal and data conversion by ring-shaped illumination or non-ring light illumination. The display 5 displays a captured transient image of subsurface scattering captured under ring-shaped illumination or non-ring light illumination.
図4Aの光源1の代わりに、図4Bの光源1Aを設けてもよい。図4Bは、2次元形状に配置された複数のLED6によって構成された光源1Aの正面図である。図4Bに示すように、光源1Aは、二次元状に配列された複数のLED6によって構成されている。 Instead of the light source 1 of FIG. 4A, the light source 1A of FIG. 4B may be provided. FIG. 4B is a front view of a light source 1A configured by a plurality of LEDs 6 arranged in a two-dimensional shape. As shown in FIG. 4B, the light source 1A is composed of a plurality of LEDs 6 arranged two-dimensionally.
図5は、図4Aのイメージング装置100により実行される、1つの照明画素(リング形状ではない照明)を用いたイメージング処理のフローチャートである。例えば、リング形状照明を用いた実施形態から変形した実施形態である。 FIG. 5 is a flowchart of an imaging process using one illumination pixel (illumination not having a ring shape), which is executed by the imaging apparatus 100 in FIG. 4A. For example, it is an embodiment modified from the embodiment using ring-shaped illumination.
図5のステップS1において、まず、イメージングプロセッサ20は、物体表面10S上の表面点が光源1の画素に対応するように定義された観測表面点Poを1つ選択する。ステップS2において、光源コントローラ21は、光源1を制御して、選択された観測位置からリング形状照明の半径rに対応する所定距離だけ面照射点Ppにインパルス照明を照射させる。ここで、表面照射点Ppは、表面照射点Ppの候補から選択される。そして、画像入力インターフェース22は、選択された観測表面点Poから画像信号の放射輝度L(r)を入力してイメージングプロセッサ20に出力し、イメージングプロセッサ20は放射輝度L(r)のデータを画像メモリ23に画像に格納する。 In step S <b> 1 of FIG. 5, first, the imaging processor 20 selects one observation surface point Po defined so that the surface point on the object surface 10 </ b> S corresponds to the pixel of the light source 1. In step S2, the light source controller 21 controls the light source 1 to irradiate the surface irradiation point Pp with a predetermined distance corresponding to the radius r of the ring-shaped illumination from the selected observation position. Here, the surface irradiation point Pp is selected from candidates for the surface irradiation point Pp. Then, the image input interface 22 inputs the radiance L (r) of the image signal from the selected observation surface point Po and outputs it to the imaging processor 20, and the imaging processor 20 outputs the data of the radiance L (r) as an image. The image is stored in the memory 23.
ステップS3では、パラメータpに1を設定する。そして、ステップS4において、光源コントローラ21は、光源1を制御して、選択された光源からリング形状照明の半径(r+pΔr)に対応する所定距離だけ離れた表面照射点Ppにインパルス照明を照射させる。観測表面点Poにおいて、画像入力インターフェース22は、選択された観測表面点Poから画像信号の放射輝度L(r+pΔr)を入力し、イメージングプロセッサ20は、放射輝度L(r+pΔr)を画像メモリ23に格納する。ステップS5において、イメージングプロセッサ20は、過渡画像の選択された観測点Poにおける放射輝度Ltとして、放射輝度L(r+(p−1)Δr)と放射輝度L(r+pΔr)との放射輝度差を計算する。画像メモリ23に記憶する。 In step S3, 1 is set to the parameter p. In step S4, the light source controller 21 controls the light source 1 to irradiate the surface irradiation point Pp away from the selected light source by a predetermined distance corresponding to the radius (r + pΔr) of the ring-shaped illumination. At the observation surface point Po, the image input interface 22 inputs the radiance L (r + pΔr) of the image signal from the selected observation surface point Po, and the imaging processor 20 stores the radiance L (r + pΔr) in the image memory 23. To do. In step S5, the imaging processor 20 calculates a radiance difference between the radiance L (r + (p−1) Δr) and the radiance L (r + pΔr) as the radiance Lt at the selected observation point Po of the transient image. To do. Store in the image memory 23.
ステップS6では、パラメータpが最大値pmaxと等しいか否かを判断する。ステップS6でNOの場合には、ステップS7へ進む。ステップS7では、パラメータpを1つインクリメントし、ステップ4に戻る。一方、ステップS6でYESであれば、ステップS8に進み、物体表面10S上の全ての観測表面点Poが選択されたか否かが判断される。ステップS8でNOの場合、ステップS9に進み、イメージングプロセッサ20は、物体表面10S上の次の1つの観測表面点Poをラスタ走査方式で選択して、ステップS2に戻る。一方、ステップS8でYESの場合、ステップS10に進み、イメージングプロセッサ20は、全ての観測表面点Poにおける半径毎の放射輝度Ltを収集することにより、物体表面10S上に複数の過渡画像を形成し、複数pmax個の半径について形成された過渡画像を出力インターフェース24を介してディスプレイ5に出力する。そして、図5のイメージング処理は終了する。 In step S6, it is determined whether or not the parameter p is equal to the maximum value pmax . If NO in step S6, the process proceeds to step S7. In step S7, the parameter p is incremented by 1, and the process returns to step 4. On the other hand, if “YES” in the step S6, the process proceeds to a step S8 to determine whether or not all the observation surface points Po on the object surface 10S are selected. If NO in step S8, the process proceeds to step S9, and the imaging processor 20 selects the next one observation surface point Po on the object surface 10S by the raster scanning method, and returns to step S2. On the other hand, if “YES” in the step S8, the process proceeds to a step S10, and the imaging processor 20 forms a plurality of transient images on the object surface 10S by collecting the radiance Lt for each radius at all the observation surface points Po. The transient images formed for a plurality of p max radii are output to the display 5 via the output interface 24. Then, the imaging process in FIG. 5 ends.
図5に示されるように、イメージング処理は、非リング形状照明によって複数pmax個の半径について形成された過渡画像を提供することができる。 As shown in FIG. 5, the imaging process can provide a transient image formed for multiple p max radii with non-ring shaped illumination.
図6は、図4Aのイメージング装置100によって実行される、リング形状の複数の照明画素(リング形状照明)を用いたイメージング処理のフローチャートである。図6のイメージング処理は、図5のイメージング処理と比較して以下の点で相違するが、その他の構成同じである。
(1)ステップS2の代わりにステップS2Aを実行する。
(2)ステップS4の代わりにステップS4Aを実行する。
以下、図6と図5との相違点について説明する。実施形態において、リング形状照明とは円形リング形状の照明を意味する。
FIG. 6 is a flowchart of an imaging process using a plurality of ring-shaped illumination pixels (ring-shaped illumination), which is executed by the imaging apparatus 100 of FIG. 4A. The imaging process of FIG. 6 differs from the imaging process of FIG. 5 in the following points, but the other configurations are the same.
(1) Step S2A is executed instead of step S2.
(2) Step S4A is executed instead of Step S4.
Hereinafter, differences between FIG. 6 and FIG. 5 will be described. In the embodiment, the ring-shaped illumination means a circular ring-shaped illumination.
ステップS2Aにおいて、光源コントローラ21は、光源1を制御して、選択された1つの観測表面点Poからのリング形状照明の半径に対応する距離rの面照射点Ppにリング形状照明を照射させる。画像入力インターフェース22は、選択された観測表面点Poから画像信号の放射輝度L(r)を入力し、イメージングプロセッサ20は放射輝度L(r)を画像メモリ23に格納する。ステップS4Aにおいて、光源コントローラ21は光源1を成魚して、選択された1つの観測表面点Poからわずかに大きい距離(r+pΔr)で表面照射点Pp上にリング形状照明を照射する。そして、画像入力インターフェース22は、選択された観測表面点Poからの画像信号の放射輝度L(r+pΔr)を入力する。イメージングプロセッサ20は、放射輝度L(r+pΔr)を画像メモリ23に格納する。 In step S <b> 2 </ b> A, the light source controller 21 controls the light source 1 to irradiate the surface illumination point Pp at a distance r corresponding to the radius of the ring illumination from the selected one observation surface point Po. The image input interface 22 inputs the radiance L (r) of the image signal from the selected observation surface point Po, and the imaging processor 20 stores the radiance L (r) in the image memory 23. In step S4A, the light source controller 21 grows the light source 1 and irradiates the ring-shaped illumination on the surface irradiation point Pp at a slightly larger distance (r + pΔr) from the selected one observation surface point Po. Then, the image input interface 22 inputs the radiance L (r + pΔr) of the image signal from the selected observation surface point Po. The imaging processor 20 stores the radiance L (r + pΔr) in the image memory 23.
図6に示されるように、イメージング処理は、リング形状照明によって複数pmax個の半径について形成された過渡画像を提供することができる。 As shown in FIG. 6, the imaging process can provide a transient image formed for a plurality of p max radii by ring-shaped illumination.
図19A及び図19Bは、図6のイメージング処理を補足説明するための図である。ここで、図19Aは観測表面点Poから半径r+(p−1)Δrの位置にある複数の表面照射点Ppに対するリング光照射時の観測表面点Poの放射輝度L(r+(p−1)Δr)を示す。また、図19Bは観測表面点Poから半径r+pΔrの位置にある複数の表面照射点Ppに対するリング光照射時の観測表面点Poの放射輝度L(r+pΔr)を示す。図19A及び図19Bに示すように、図6のイメージング処理では、過渡画像の選択された観測点Poにおける放射輝度Ltとして、放射輝度L(r+(p−1)Δr)と放射輝度L(r+pΔr)との放射輝度差を計算し、走査した全ての観測表面点Poにおける半径毎の放射輝度Ltを収集することにより、物体表面10S上に複数の過渡画像を形成し、複数pmax個の半径について形成された過渡画像を得ることができる。 19A and 19B are diagrams for supplementary explanation of the imaging process of FIG. Here, FIG. 19A shows the radiance L (r + (p−1) of the observation surface point Po at the time of ring light irradiation with respect to the plurality of surface irradiation points Pp located at the radius r + (p−1) Δr from the observation surface point Po. Δr). FIG. 19B shows the radiance L (r + pΔr) of the observation surface point Po at the time of ring light irradiation with respect to a plurality of surface irradiation points Pp located at a radius r + pΔr from the observation surface point Po. As shown in FIGS. 19A and 19B, in the imaging process of FIG. 6, as the radiance Lt at the selected observation point Po of the transient image, the radiance L (r + (p−1) Δr) and the radiance L (r + pΔr). ) And the radiance Lt for each radius at all scanned observation surface points Po are collected, thereby forming a plurality of transient images on the object surface 10S, and a plurality of p max radii. A transient image formed for can be obtained.
図7は、図4Aのイメージング装置100により実行される、1つの照明画素を用いて仮想的にリング形状照明(仮想リング形状照明)を形成するイメージング処理のフローチャートである。図7のイメージング処理は、図6のイメージング処理と比較して以下の点で相違するが、その他の構成同じである。
(1)ステップS2Aの代わりにステップS2Bを実行する。
(2)ステップS4Bの代わりにステップS4Bを実行する。
以下、図7と図6との相違点について説明する。
FIG. 7 is a flowchart of an imaging process executed by the imaging apparatus 100 of FIG. 4A to virtually form ring-shaped illumination (virtual ring-shaped illumination) using one illumination pixel. The imaging process of FIG. 7 differs from the imaging process of FIG. 6 in the following points, but the other configurations are the same.
(1) Step S2B is executed instead of step S2A.
(2) Step S4B is executed instead of Step S4B.
Hereinafter, differences between FIG. 7 and FIG. 6 will be described.
ステップS2Bにおいて、イメージングプロセッサ20は、図8に示す仮想リング形状照明及び放射輝度L(r)検出のサブルーチン処理を実行する。ステップ4Bにおいて、イメージングプロセッサ20は、図9に示す仮想リング形状照明及び放射輝度L(r+(p−1)Δr)検出のサブルーチン処理を実行する。 In step S2B, the imaging processor 20 executes a virtual ring-shaped illumination and radiance L (r) detection subroutine process shown in FIG. In step 4B, the imaging processor 20 executes a virtual ring-shaped illumination and radiance L (r + (p−1) Δr) detection subroutine shown in FIG.
図8は、仮想リング形状照明及び放射輝度L(r)検出のサブルーチン処理(図7のステップS2B)のフローチャートである。 FIG. 8 is a flowchart of the subroutine processing (step S2B in FIG. 7) of virtual ring shape illumination and radiance L (r) detection.
図8のステップS21において、パラメータmに1が設定され、ステップS22において、イメージングプロセッサ20は、選択された1つの観測表面点Poからの、仮想リング形状照明の半径rに等価な距離の1つの面照射点Pp(m)を選択する。そして、ステップS23において、光源コントローラ21は、光源1を制御して、選択された面照射点Pp(m)にインパルス照明を照射し、画像入力インターフェース22は、観測された画像信号の放射輝度L(r,m)を入力する。そして、イメージングプロセッサ20は、その放射輝度L(r,m)を画像メモリ23に格納する。次に、ステップS24において、物体表面10S上でリング形状照明を形成する全ての面照射点Pp(m)が選択されたか否かが判断され、ステップS24でNOであればステップS25に戻り、その後パラメータmを1つインクリメントしてステップS22に進む。一方、ステップS24でYESの場合、ステップS26に進み、イメージングプロセッサ20は、リング形状照明の全放射輝度L(r,m)の合計値を放射輝度L(r)として計算する。そして、制御フローはメインルーチンに戻る。 In step S21 of FIG. 8, the parameter m is set to 1, and in step S22, the imaging processor 20 selects one of the distances equivalent to the radius r of the virtual ring-shaped illumination from the selected observation surface point Po. A surface irradiation point Pp (m) is selected. In step S23, the light source controller 21 controls the light source 1 to irradiate the selected surface irradiation point Pp (m) with impulse illumination, and the image input interface 22 displays the radiance L of the observed image signal. Enter (r, m). Then, the imaging processor 20 stores the radiance L (r, m) in the image memory 23. Next, in step S24, it is determined whether or not all surface irradiation points Pp (m) that form ring-shaped illumination on the object surface 10S have been selected. If NO in step S24, the process returns to step S25, and thereafter The parameter m is incremented by one and the process proceeds to step S22. On the other hand, if YES in step S24, the process proceeds to step S26, and the imaging processor 20 calculates the total value of the total radiance L (r, m) of the ring-shaped illumination as the radiance L (r). Then, the control flow returns to the main routine.
図9は、仮想リング形状照明及び放射輝度L(r+(p−1)Δr)検出のサブルーチン処理(図7のステップS4B)のフローチャートである。 FIG. 9 is a flowchart of the virtual ring-shaped illumination and the subroutine process (step S4B in FIG. 7) for detecting the radiance L (r + (p−1) Δr).
図9のステップS31において、パラメータmに1が設定された後、ステップS32において、イメージングプロセッサ20は、選択された1つの観測表面点Poからの、仮想リング形状照明の半径(r+(p−1)Δr)に等価な距離にある1つの面照射点Pp(m)を選択する。そして、ステップS33において、光源コントローラ21は光源1を制御して、選択された面照射点Pp(m)にインパルス照明を照射し、画像入力インターフェース22は放射輝度L(r+(p−1)Δr,m)を入力する。そして、イメージングプロセッサ20は、観測表面点Poからの画像信号の画像信号を取得し、放射輝度L(r+(p−1)Δr,m)を画像メモリ23に格納する。次に、ステップS34において、物体表面10S上にリング形状を形成する全ての面照射点Pp(m)が選択されたか否かを判定する。ステップS34でNoの場合、ステップS35に進み、パラメータmを1つインクリメントして、ステップS32に戻る。一方、ステップS34でYESの場合、ステップS36に進み、イメージングプロセッサ20は、全ての放射輝度値L(r+(p−1)Δr,m)の合計値を、放射輝度L(r+(p−1)Δr)として計算する。そして、制御フローはメインルーチンに戻る。 After the parameter m is set to 1 in step S31 of FIG. 9, in step S32, the imaging processor 20 determines the radius (r + (p−1) of the virtual ring-shaped illumination from one selected observation surface point Po. ) One surface irradiation point Pp (m) at a distance equivalent to Δr) is selected. In step S33, the light source controller 21 controls the light source 1 to irradiate the selected surface irradiation point Pp (m) with impulse illumination, and the image input interface 22 outputs the radiance L (r + (p−1) Δr. , M). Then, the imaging processor 20 acquires the image signal of the image signal from the observation surface point Po, and stores the radiance L (r + (p−1) Δr, m) in the image memory 23. Next, in step S34, it is determined whether all the surface irradiation points Pp (m) that form a ring shape on the object surface 10S have been selected. If No in step S34, the process proceeds to step S35, the parameter m is incremented by 1, and the process returns to step S32. On the other hand, if “YES” in the step S34, the process proceeds to a step S36, and the imaging processor 20 calculates the total value of all the radiance values L (r + (p−1) Δr, m) as the radiance L (r + (p−1). ) Δr). Then, the control flow returns to the main routine.
図20〜図22は図7のイメージング処理の補足説明図であって、図20は図7のステップS1〜S9において物体表面10S上の複数の観測表面点Poをラスタ走査方式で走査するときの複数の観測表面点Poを示す平面図である。また、図21は図7のイメージング処理の補足説明図であって、第1の半径r+(p−1)Δrによって決定される各表面照射点Ppが照射されたときの、所定の各観測表面点Poの第1の放射輝度を収集してその正規化値を計算する手順を示す平面図である。さらに、図22は図7のイメージング処理の補足説明図であって、第2の半径r+pΔrによって決定される各表面照射点Ppが照射されたときの、所定の各観測表面点Poの第2の放射輝度を収集してその正規化値を計算する手順を示す平面図である。 20 to 22 are supplementary explanatory diagrams of the imaging process of FIG. 7, and FIG. 20 illustrates a case where a plurality of observation surface points Po on the object surface 10S are scanned by the raster scanning method in steps S1 to S9 of FIG. It is a top view showing a plurality of observation surface points Po. FIG. 21 is a supplementary explanatory diagram of the imaging process of FIG. 7, and each predetermined observation surface when each surface irradiation point Pp determined by the first radius r + (p−1) Δr is irradiated. It is a top view which shows the procedure which collects the 1st radiance of the point Po, and calculates the normalization value. Further, FIG. 22 is a supplementary explanatory diagram of the imaging process of FIG. 7, and the second of each predetermined observation surface point Po when each surface irradiation point Pp determined by the second radius r + pΔr is irradiated. It is a top view which shows the procedure which collects radiance and calculates the normalization value.
図20に示すように、観測表面点Poをラスタ走査方式で走査しながら、図21に示すように、第1の半径r+(p−1)Δrによって決定される各表面照射点Ppが照射されたときの、所定の各観測表面点Poの第1の放射輝度を収集してその正規化値を計算し、次いで、図22に示すように、第2の半径r+pΔrによって決定される各表面照射点Ppが照射されたときの、所定の各観測表面点Poの第2の放射輝度を収集してその正規化値を計算する。さらに、図7のステップS10に示すように、全ての観測表面点Poにおける半径毎の放射輝度Ltを収集することにより、物体表面10S上に複数の過渡画像を形成し、複数pmax個の半径について形成された過渡画像を得る。 As shown in FIG. 20, each surface irradiation point Pp determined by the first radius r + (p−1) Δr is irradiated as shown in FIG. 21 while scanning the observation surface point Po by the raster scanning method. The first radiance of each predetermined observation surface point Po is collected and its normalized value is calculated. Then, as shown in FIG. 22, each surface irradiation determined by the second radius r + pΔr The second radiance of each predetermined observation surface point Po when the point Pp is irradiated is collected and its normalized value is calculated. Further, as shown in step S10 of FIG. 7, by collecting the radiance Lt for each radius at all observation surface points Po, a plurality of transient images are formed on the object surface 10S, and a plurality of p max radii are formed. A transient image formed for is obtained.
以上説明したように、図7〜図9に示されるように、イメージング処理は、仮想リング形状照明によって複数pmax個の半径に対して形成された過渡画像を提供することができる。 As described above, as illustrated in FIGS. 7 to 9, the imaging process can provide a transient image formed for a plurality of p max radii by virtual ring-shaped illumination.
図7〜図9のイメージング処理では、観測表面点Poを走査しながら、当該観測表面点Poを中心とする半径rを変化させることで、放射輝度のデータを収集しているが、本発明はこれに限らず、以下のように放射輝度のデータを収集してもよい。
(変形例1)表面観測点Ppを走査しながら、観測表面点Poからの半径rが表面観測点Ppとなる同一半径rのリング形状照明を用いて放射輝度のデータを収集し、次いで、異なる半径r+Δrのリング形状照明を用いて放射輝度のデータを収集してもよい。
(変形例2)表面観測点Ppを走査しながら、観測表面点Poからの半径rが表面観測点Ppとなる異なる半径r,r+Δrのリング形状照明を用いて、放射輝度のデータを収集してもよい。
In the imaging processes of FIGS. 7 to 9, radiance data is collected by changing the radius r around the observation surface point Po while scanning the observation surface point Po. However, the present invention is not limited to this, and radiance data may be collected as follows.
(Variation 1) While scanning the surface observation point Pp, radiance data is collected by using ring-shaped illumination having the same radius r so that the radius r from the observation surface point Po is the surface observation point Pp, and then different. Radiance data may be collected using ring-shaped illumination of radius r + Δr.
(Modification 2) While scanning the surface observation point Pp, radiance data is collected using ring-shaped illuminations having different radii r and r + Δr where the radius r from the observation surface point Po becomes the surface observation point Pp. Also good.
図10は、図4Aのイメージング装置100により実行される、1つの照明画素を用いてより効率の高いリング形状照明(仮想リング形状照明)を形成するイメージング処理のフローチャートである。 FIG. 10 is a flowchart of an imaging process executed by the imaging apparatus 100 of FIG. 4A to form more efficient ring-shaped illumination (virtual ring-shaped illumination) using one illumination pixel.
図10のステップS41において、まず、イメージングプロセッサ20は、物体表面10S上の表面点から1つの表面照射点Ppを選択し、ステップS42において、光源1を制御してインパルス照明を照射させる。選択された表面照射点Ppにおいて、画像入力インターフェース22が全画像の画像信号の画像データを入力し、イメージングプロセッサ20が全画像の画像信号の画像データを画像メモリ23の画像データテーブルに格納する。次に、ステップS43において、物体表面10S上の全ての表面照射点Ppを選択したか否かを判断する。ステップS43でNOの場合、ステップS44に進み、イメージングプロセッサ20は、物体表面10S上の次の1つの表面照射点Ppをラスタ走査方式で選択し、ステップS42に戻る。一方、ステップS43でYESであればステップS45に進み、イメージングプロセッサ20は、物体表面10S上の表面点の中から1つの観測表面点Poを選択し、ステップS46でパラメータpに1を設定した後、ステップS47に進む。 In step S41 of FIG. 10, first, the imaging processor 20 selects one surface irradiation point Pp from the surface points on the object surface 10S, and controls the light source 1 to irradiate impulse illumination in step S42. At the selected surface irradiation point Pp, the image input interface 22 inputs image data of image signals of all images, and the imaging processor 20 stores the image data of image signals of all images in the image data table of the image memory 23. Next, in step S43, it is determined whether or not all surface irradiation points Pp on the object surface 10S have been selected. If NO in step S43, the process proceeds to step S44, and the imaging processor 20 selects the next one surface irradiation point Pp on the object surface 10S by the raster scanning method, and returns to step S42. On the other hand, if “YES” in the step S43, the process proceeds to a step S45, and the imaging processor 20 selects one observation surface point Po from the surface points on the object surface 10S, and sets 1 to the parameter p in a step S46. The process proceeds to step S47.
ステップS47にて、イメージングプロセッサ20は、入力された観測表面点Poが仮想的に面照射点下で捕捉された場合の放射輝度L(r)と放射輝度L(r+pΔr)を画像メモリ23の画像データテーブルから抽出する。そして、放射輝度L(r)の平均値と放射輝度L(r+pΔr)の平均値との差(仮想リング形状照明)を放射輝度Ltとして計算する。そして、ステップS48において、パラメータpが最大値pmaxと等しいか否かを判断する。ステップS48でNOであればステップS49に進み、その後パラメータpを1つインクリメントしてステップS47に戻る。 In step S47, the imaging processor 20 calculates the radiance L (r) and the radiance L (r + pΔr) in the image memory 23 when the input observation surface point Po is virtually captured under the surface irradiation point. Extract from the data table. Then, the difference (virtual ring shape illumination) between the average value of the radiance L (r) and the average value of the radiance L (r + pΔr) is calculated as the radiance Lt. In step S48, it is determined whether or not the parameter p is equal to the maximum value pmax . If “NO” in the step S48, the process proceeds to a step S49, and then the parameter p is incremented by 1, and the process returns to the step S47.
一方、ステップS48でYESであればステップS50に進み、対象表面10S上の全ての観測表面点Poを選択したか否かを判断する。ステップS50でNOの場合、ステップS51に進み、イメージングプロセッサ20は、物体表面10S上の次の観測表面点Poをラスタ走査方式で1つ選択し、ステップS47に戻る。一方、ステップS50でYESの場合、ステップS52に進み、イメージングプロセッサ20は、全ての観測表面点Poにおいて半径毎の放射輝度Ltを収集することにより、物体表面10S上に複数の過渡画像を形成し、複数pmax個の半径について形成された過渡画像を、出力インターフェース24を介してディスプレイ5に出力する。 On the other hand, if “YES” in the step S48, the process proceeds to a step S50 to determine whether or not all the observation surface points Po on the target surface 10S are selected. If NO in step S50, the process proceeds to step S51, and the imaging processor 20 selects one next observation surface point Po on the object surface 10S by the raster scanning method, and returns to step S47. On the other hand, if YES in step S50, the process proceeds to step S52, and the imaging processor 20 forms a plurality of transient images on the object surface 10S by collecting the radiance Lt for each radius at all the observation surface points Po. The transient images formed for a plurality of p max radii are output to the display 5 via the output interface 24.
図10に示されるように、イメージング処理は、予め放射輝度値を測定しておいて、過渡画像を形成するために必要な放射輝度値を読み出して過渡画像を形成することで、図6〜7のものよりも高い効率で仮想リング形状照明によって複数pmax個の半径について形成された過渡画像を提供することができる。 As shown in FIG. 10, the imaging process measures the radiance value in advance, reads out the radiance value necessary for forming the transient image, and forms the transient image. Can provide transient images formed for multiple p max radii with virtual ring-shaped illumination with higher efficiency than
上記の図6〜図10では、イメージング装置100は、実際の又は仮想の円形リング形状照明を使用しているが、完全なリング形状照明の代わりに、リング形状照明の一部(すなわち、円弧状照明)を使用してもよい。上記の図5〜図10において、イメージング装置100は、放射輝度L(r)及びL(r+pΔr)を使用し、この場合、放射輝度L(r)及びL(r+pΔr)の各々は、単色放射輝度又はRGBカラー放射輝度であってもよい。 6-10 above, the imaging device 100 uses real or virtual circular ring-shaped illumination, but instead of full ring-shaped illumination, a portion of the ring-shaped illumination (i.e., arcuate shape). Lighting) may be used. 5 to 10, the imaging apparatus 100 uses radiances L (r) and L (r + pΔr). In this case, each of the radiances L (r) and L (r + pΔr) is a monochromatic radiance. Or RGB color radiance may be sufficient.
図5〜図7のステップS9及び図10のステップS51では、物体表面10S上でラスタ走査方式で観測表面点Poを走査したが、観測表面点Poを所定の走査方式で走査して全領域を走査してもよい。 In step S9 of FIGS. 5 to 7 and step S51 of FIG. 10, the observation surface point Po is scanned on the object surface 10S by the raster scanning method, but the observation surface point Po is scanned by the predetermined scanning method to cover the entire area. You may scan.
図11は、図4Aのイメージング装置100により実行されるマルチカラー積層物体の色復元処理のフローチャートである。 FIG. 11 is a flowchart of the color restoration processing of the multi-color layered object executed by the imaging apparatus 100 of FIG. 4A.
図11のステップS61において、まず、イメージングプロセッサ20は、図5〜図7及び図10のうちの1つのイメージング処理を実行することにより、物体表面10S上の複数のカラー過渡画像CTI(p−1,p)(p=1,2,…,pmax)を取り込む。そして、ステップS62にて、イメージングプロセッサ20は、複数のカラー過渡画像CTI(p−1,p)(p=1,2,…,pmax)の平均色度(Xave,Yave)を計算する。ステップS63において、イメージングプロセッサ20は、選択された複数のカラー過渡画像の平均色度(Xave,Yave)が所定のしきい値だけ異なるように、異なる複数色を有するいくつかのカラー過渡画像を選択する。次に、ステップS64において、イメージングプロセッサ20は、選択した複数の層に対応する色の異なる複数のカラー過渡画像をディスプレイ5に出力して表示する。 In step S61 of FIG. 11, first, the imaging processor 20 executes a plurality of color transient images CTI (p−1) on the object surface 10S by executing one of the imaging processes of FIGS. , P) (p = 1, 2,..., P max ). In step S62, the imaging processor 20 calculates the average chromaticity (X ave , Y ave ) of the plurality of color transient images CTI (p−1, p) (p = 1, 2,..., P max ). To do. In step S63, the imaging processor 20 sets several color transient images having different colors such that the average chromaticities (X ave , Y ave ) of the selected color transient images differ by a predetermined threshold. Select. Next, in step S64, the imaging processor 20 outputs a plurality of color transient images having different colors corresponding to the selected plurality of layers to the display 5 and displays them.
図11の色復元プロセスは、図13に示される実験結果を提供することができる。上記の図11において、カラー過渡画像CTI(p−1,p)は、例えばRGB値を有する画像とすることができる。 The color restoration process of FIG. 11 can provide the experimental results shown in FIG. In FIG. 11 described above, the color transient image CTI (p−1, p) can be an image having RGB values, for example.
5.実験結果.
図3A及び3Bの合成表面に加えて、実世界の物体表面の復元された過渡画像を調べることによって、本発明者らは可変リング光の理論を実験的に検証した。その実験結果は、本発明者らの新しいイメージング方法が表面下散乱の過渡画像の復元を可能にすることを実証している。
5. Experimental result.
By examining the reconstructed transient image of the real world object surface in addition to the synthetic surfaces of FIGS. 3A and 3B, we experimentally verified the theory of variable ring light. The experimental results demonstrate that our new imaging method allows the restoration of transient images of subsurface scattering.
5.1.過渡画像における空間光輸送.
USBカメラ(Point Grey Grasshopper3)とDLPプロジェクタ(TI DLP Light Commander)を使用して、可変リング光イメージングを実装する。USBカメラは図4Aの画像センサ2に対応し、DLPプロジェクタは図4Aの光源1に対応する。プロジェクタとカメラを表面から十分に離して配置することで、視線と照射線がおおよそ整列し、ターゲット表面に対して垂直になる。正射影と指向性光を実現するために、カメラとプロジェクタの両方に望遠レンズを使用する。プロジェクタとカメラを調整して、各プロジェクタの画素を画像の画素に関連付ける。本発明者らの実験では、およそ1つのプロジェクタ画素が22画像画素領域に対応する。各プロジェクタ画素についてインパルス照明画像を捕捉し、これらの画像から可変リング光画像を計算する。
5.1. Spatial light transport in transient images.
A variable ring optical imaging is implemented using a USB camera (Point Gray Glasshopper 3) and a DLP projector (TI DLP Light Commander). The USB camera corresponds to the image sensor 2 in FIG. 4A, and the DLP projector corresponds to the light source 1 in FIG. 4A. By arranging the projector and camera sufficiently away from the surface, the line of sight and the irradiation line are approximately aligned and perpendicular to the target surface. In order to achieve orthographic projection and directional light, a telephoto lens is used for both the camera and the projector. Adjust the projector and camera to associate each projector pixel with an image pixel. In our experiments, approximately one projector pixel corresponds to a 22 image pixel area. An impulse illumination image is captured for each projector pixel and a variable ring light image is calculated from these images.
各過渡画像における光の経路長は、可変リング光半径の厚さ及び間隔によって決定される。リング光が厚ければ厚いほど、観測された放射輝度は明るくなり、従って、復元された過渡画像においてより忠実になる。しかしながら、厚いリング光は、経路長の限界を直接増大させる、すなわち、式(9)において半径rは広い範囲を有することになる。このために、経路長のシャープな境界を確保するために、太さを単一のプロジェクタ画素に設定する(例えば、図2C参照)。異なるリング形状光の半径r間の間隔は、本発明者らが1つの過渡像で捕捉する光路長の範囲を制御する。可能な限り最大の光路長の分解能を復元するために、これを1つのプロジェクタ画素に設定する。不均一な表面に対して、本発明者らが説明した式(7)に関する半径rに関する条件は、この単一プロジェクタ画素が最も細かい材料領域よりも十分に小さいことを保証することによって制御することができることに留意されたい。これは、プロジェクタから物体表面10Sまでの距離を変えることによって実現できる。 The light path length in each transient image is determined by the thickness and spacing of the variable ring light radius. The thicker the ring light, the brighter the observed radiance, and therefore more faithful in the restored transient image. However, the thick ring light directly increases the path length limit, ie, the radius r has a wide range in equation (9). For this purpose, the thickness is set to a single projector pixel in order to ensure a sharp boundary of the path length (see, for example, FIG. 2C). The spacing between the different ring-shaped radii r controls the range of optical path lengths we capture in one transient image. This is set to one projector pixel in order to restore the resolution of the maximum possible optical path length. For a non-uniform surface, the condition for radius r for equation (7) that we have described is controlled by ensuring that this single projector pixel is sufficiently smaller than the finest material area. Note that you can. This can be realized by changing the distance from the projector to the object surface 10S.
図12は、2つの物体の平面図、その一部の照明写真、及び光の空間伝搬による過渡画像を示す写真を示し、図13は、2つのマルチカラー層を有する物体の側面図及び平面図、その一部を投光照明した写真、及び表面下深度の色変化による色度を有する過渡画像を含む写真を示す。すなわち、図12及び図13は、表面下での光相互作用の有界積分を符号化し、その表面の体積組成及びその外側界面の外観からは不明瞭であるそれらの色を明らかにし、それらの画素における過渡画像を示す。過渡像の差、すなわち可変リング光像の差の差は、異なる深さにおける表面色を明らかにする。 FIG. 12 shows a plan view of two objects, a partial illumination photograph thereof, and a photograph showing a transient image due to spatial propagation of light, and FIG. 13 is a side view and a plan view of an object having two multi-color layers. 2 shows a photograph including a transient image having a chromaticity due to a color change at a subsurface depth. That is, FIGS. 12 and 13 encode a bounded integral of subsurface optical interaction, revealing their color that is obscured from the volume composition of the surface and the appearance of its outer interface, A transient image in a pixel is shown. The difference between the transient images, i.e. the difference between the variable ring light images, reveals the surface color at different depths.
図12に示すように、空間的に不均一な表面下構造については、対応するリング光半径が増大するにつれて、復元された過渡画像は、興味深い空間的な光伝搬を捕捉する。これらの結果及びその他すべての結果について、各過渡画像の明るさは、より長い光路長の光の減少する放射輝度とは無関係に細部を視覚化するために独立して正規化される。結果は、白色プラスチック粘土に挿入された赤色半透明ビーズの場合、赤色ビーズから鏡面反射する白色光の同心伝搬とそれに続くビーズからの赤色光、そしてピンク色ポリマーに埋め込まれた星型プラスチックの場合は星型の光を示す。光路長が長くなるにつれて、花弁のような光伝播形状を作り出し、相互反射する。これらの表面下構造は、通常の室内光で撮影された最も左の画像に示されているように、外面からは不明瞭である。 As shown in FIG. 12, for spatially non-uniform subsurface structures, the restored transient image captures interesting spatial light propagation as the corresponding ring light radius increases. For these and all other results, the brightness of each transient image is normalized independently to visualize details independent of the diminishing radiance of light of longer path length. The result is that for red translucent beads inserted in white plastic clay, concentric propagation of white light specularly reflected from the red beads, followed by red light from the beads, and star plastic embedded in a pink polymer Indicates a star-shaped light. As the optical path length increases, it creates a light-propagating shape like a petal and interreflects. These subsurface structures are obscured from the outside, as shown in the leftmost image taken with normal room light.
5.2.過渡画像からの色.
物体表面がその深さにわたって変化する表面下構造を持つとき、復元された過渡画像は、その連続的な深度の変化の外観サンプルを提供する。さらに、制限された経路長さの光がその経路に沿って累積色を直接符号化するので、各過渡画像は深さに沿った統合色変動を明らかにするであろう。この過渡光のスペクトル積分は、光路長を徐々に増加させながら光の差を取ることによって、対応する各表面深度における真の色を明らかにすることができることを示唆している。言い換えれば、可変リング光画像の差の差を取ることによって、本発明者らは異なる深さで表面下の色を再構成することができる。
5.2. Color from transient image.
When the object surface has subsurface structures that vary over its depth, the reconstructed transient image provides an appearance sample of that continuous depth change. Furthermore, since the limited path length light directly encodes the accumulated color along that path, each transient image will reveal an integrated color variation along the depth. This spectral integration of transient light suggests that the true color at each corresponding surface depth can be revealed by taking the light difference while gradually increasing the optical path length. In other words, by taking the difference between the variable ring light images, we can reconstruct the subsurface color at different depths.
図13は、様々な色層の深さで作られた表面について、それらの差から復元した過渡画像及び色度値を示す。過渡画像の色度軌跡は表面下散乱のスペクトル積分を明らかにする。本発明者らは手動で等間隔で3つの過渡画像を選択し、それらの各々がおおよそ各層の深さの光路長に対応するようにし、そして各画像の平均色度とそれらの差を計算して各深さで色を復元した。図13の一番右の列に表示されている復元された色は、図13の一番左の画像に表示されている基本的な真実と非常によく一致している。これらの色の変化は単純な外部観測からはアクセスできない。そしてさらに悪いことに、同じ外面色が表面下の無限の色の組み合わせで作られている可能性があることに留意されたい。 FIG. 13 shows transient images and chromaticity values reconstructed from the differences for surfaces made with various color layer depths. The chromaticity trajectory of the transient image reveals the spectral integration of subsurface scattering. We manually select three transient images at regular intervals, each of which roughly corresponds to the optical path length of each layer depth, and calculate the average chromaticity of each image and their difference. The color was restored at each depth. The restored color displayed in the rightmost column of FIG. 13 matches very well with the basic truth displayed in the leftmost image of FIG. These color changes are not accessible from simple external observations. And even worse, note that the same exterior color may be made up of infinite combinations of colors below the surface.
5.3.複雑な実表面の過渡画像.
図14は、可変リング光イメージングがその復元された過渡画像において複雑な固有の表面構造を明らかにし、そこではより深くそしてより長く進行した光がより大きい半径のリング光で捕捉されることを示す。肌にはしわが消え、肌の深みのある赤が現れ、動脈が目立つようになり、大理石のペンダントには、半径が大きくなるにつれて異なる色領域の空間的広がりが現れる。
5.3. Transient image of complex real surface.
FIG. 14 shows that variable ring light imaging reveals a complex intrinsic surface structure in the reconstructed transient image, where deeper and longer traveling light is captured with a larger radius ring light . Wrinkles disappear on the skin, deep red skin appears, arteries become more noticeable, and the marble pendant has a spatial spread of different color areas as the radius increases.
図1及び図14は、複雑な表面下構造及び天然物のものを含む色組成を有する実表面の復元された過渡画像を示す。各実施例の過渡画像は、他の方法では外面からは見えない、その体積測定構造及びその色変化の両方における表面下組成を明らかにする。無色の表面反射及び早期散乱、並びにより大きな半径の過渡画像におけるより長い光路長の複雑な体積伝搬及びより豊かな色彩が注目されるべきである。過渡画像のより多くの結果に対する補足資料は次のセクションで説明される。 1 and 14 show a reconstructed transient image of a real surface having a color composition including complex subsurface structures and natural products. The transient images of each example reveal subsurface composition in both its volumetric structure and its color change that would otherwise not be visible from the outside. It should be noted that colorless surface reflections and early scattering, as well as complex volume propagation and richer colors with longer path lengths in larger radius transient images. Supplementary material for more results of transient images is described in the next section.
HDR(高動的解像度)キャプチャは画像キャプチャ時間を著しく増加させることに留意されたい。これは、合理的な計算時間(すなわち、すべての画像キャプチャ及び計算に対して約1時間)のために64×64の一時的画像に本発明者らを制限する。より大きな表面領域の高解像度画像取得のために、遠方の距離での表面点の平行インパルス照明取得を用いてイメージングをスピードアップすることができるが、同時に照明される点から誤って光を拾うことを避けるために最大リング光半径を制限する。 Note that HDR (High Dynamic Resolution) capture significantly increases image capture time. This limits the inventors to 64 × 64 temporary images for a reasonable computation time (ie about 1 hour for all image capture and computation). For high-resolution image acquisition of larger surface areas, parallel impulse illumination acquisition of surface points at far distances can be used to speed up imaging, but picking up light accidentally from simultaneously illuminated points Limit the maximum ring light radius to avoid.
図15は、2つの物体の平面図、それらの照明写真、及び可変リング光イメージングによる過渡画像を含む写真を示す。図15では、各過渡画像の幅は約800画素である。すなわち、図15は、大きな対象物領域についての可変リング光イメージングの高解像度での結果の例を示す。実施形態では、空間的及び動的範囲の多重化をリング光イメージングと組み合わせることによって、本発明の実装をスピードアップすることができる。 FIG. 15 shows a plan view of two objects, their illumination photographs, and a photograph including a transient image with variable ring optical imaging. In FIG. 15, the width of each transient image is about 800 pixels. That is, FIG. 15 shows an example of a high resolution result of variable ring optical imaging for a large object region. In embodiments, the implementation of the present invention can be speeded up by combining spatial and dynamic range multiplexing with ring optical imaging.
6.過渡的な表面下の散乱を捕捉するための追加の可変リング形状照明イメージング.
6.1.追加の実験結果.
復元された過渡画像は、それらの各画素が表面下の体積を伝播する際に光の統合された相互作用を符号化するので、表面の固有の構造を明らかにする。外面からは認識できない表面下の体積組成とその色は、過渡画像で明らかになる。第1の過渡画像は、しばしば飽和する鏡面反射を含む表面反射を符号化することに留意されたい。リング光の半径が大きく、光路長が長いほど、色が濃くなり、光の空間伝搬が広くなる。境界から画像に入る一時的な光(例えば、ザクロジュースの最後の例では下から明るいハーフリング)は、物体の境界での反射によるものである。サボテンの過渡画像は、その背面から出る光による高周波空間パターンで終わる。これらの結果が示すように、可変リング光イメージングは、天然物のものを含む実世界の表面の体積及び放射構造を精査するための効果的な視覚的ツールを提供する。(例えば、魚、葉、そして魚の卵)。
6). Additional variable ring illumination imaging to capture transient subsurface scattering.
6.1. Additional experimental results.
The reconstructed transient image reveals the unique structure of the surface because each of those pixels encodes the integrated interaction of light as it propagates through the volume below the surface. The subsurface volume composition and its color, which cannot be recognized from the outside, are revealed in the transient image. Note that the first transient image encodes a surface reflection that often includes a specular reflection that saturates. The larger the radius of the ring light and the longer the optical path length, the darker the color and the wider the spatial propagation of light. Temporary light entering the image from the border (eg, bright half-ring from the bottom in the last example of pomegranate juice) is due to reflections at the border of the object. The cactus transient image ends with a high-frequency spatial pattern of light coming out of its back. As these results indicate, variable ring optical imaging provides an effective visual tool for probing the volume and radiative structure of real-world surfaces, including those of natural products. (For example, fish, leaves, and fish eggs).
図16は、2つの物体の平面図、その一部の照明写真、及び可変リング光イメージングによる過渡画像を含む写真である。図17A〜図17Cのそれぞれは、4つの物体それぞれの平面図、その一部の照明付き写真、及び可変リング光イメージングによる過渡画像を含む写真を示す。 FIG. 16 is a plan view of two objects, a partial illumination photograph thereof, and a photograph including a transient image by variable ring optical imaging. Each of FIGS. 17A-17C shows a plan view of each of the four objects, a photograph with a portion of it, and a photograph including a transient image from variable ring optical imaging.
6.2.過渡画像は近似n回バウンス画像であること.
図18Aは、表面下散乱のモンテカルロシミュレーションの代表的な結果を示す。α(n,r)分布、すなわち、半径rのリング光に対するn回バウンス光の比は、ある一定の後に急激に上昇する非ゼロ値を有し、異なる半径rで最後部が重なって素早く落ちる。これらのα(n,r)分布は、単位形状パラメータ及び半径rに比例する異なるスケールパラメータのフレシェ分布で正確に近似することができる。図18Bは、2つのフレシェ分布の差の微分近似が、異なる半径の2つのリング光観測の差が実際にn回バウンス光を符号化すると安全に仮定できることを示す。
6.2. The transient image should be an approximate bounce image.
FIG. 18A shows a representative result of a Monte Carlo simulation of subsurface scattering. The α (n, r) distribution, that is, the ratio of the n-th bounce light to the ring light of radius r has a non-zero value that rises sharply after a certain constant and falls quickly with overlapping at the end at different radii r. . These α (n, r) distributions can be accurately approximated with a unit shape parameter and a Frechet distribution with different scale parameters proportional to the radius r. FIG. 18B shows that a differential approximation of the difference between the two Frechet distributions can safely be assumed that the difference between the two ring light observations of different radii actually encodes the bounce light n times.
ヘニーイー・グリーンスタイン(Henyey−Greenstein)の異方性散乱パラメータg(0.1〜0.9)と、平均光路長(ガウス分布の平均0.1〜0.3)による光路長のさまざまな値の組み合わせについてシミュレーションを行った。このプロットは、n回バウンス光の2つの重要な特性を示す。まず最初に、本発明者らは、分布α(n,r)が半径rに比例するn回バウンスの後にのみ値をとることを確認することができる。これは経験的に、半径rのリング光で観測されたn回バウンス光はパラメータn(r)によって制限されることを示している。第2に、様々な半径rについてパラメータnを横切るα(n,r)分布が急速に低下し、隣接する分布α(n,r+Δr)と著しく重なることが分かる。このn(r)の前の急上昇は、まさに次のような特性を望んでいる。与えられた光路長に対する光のバウンス数は、平均を中心にして高密度で集中している。明確に定義されたより少ないバウンスと、より長い経路長又はより多くのバウンスは、ほとんど無制限である。 Various values of the optical path length according to the anisotropic scattering parameter g (0.1 to 0.9) of Henney-Greenstein and the average optical path length (average of Gaussian distribution 0.1 to 0.3) A simulation was performed on the combination of. This plot shows two important properties of n times bounce light. First of all, we can confirm that the distribution α (n, r) takes a value only after n bounces proportional to the radius r. This shows empirically that the bounce light n times observed with the ring light of radius r is limited by the parameter n (r). Second, it can be seen that the α (n, r) distribution across parameter n for various radii r drops rapidly and overlaps with the adjacent distribution α (n, r + Δr). This rapid rise before n (r) is exactly what the following characteristics are desired. The number of bounces of light for a given optical path length is concentrated with high density around the average. Less well-defined bounces and longer path lengths or more bounces are almost unlimited.
また、パラメータαの形状は一意であり、特に単位形状パラメータを持つフレシェ分布に似ていることがわかる。 Moreover, it can be seen that the shape of the parameter α is unique and particularly similar to a Fréchet distribution having unit shape parameters.
ここで、β(r)は、半径rのリング光に対するn回バウンス光の観測ごとに異なるスカラーであり、s(r)は、半径rに依存するフレシェ分布f(n;s(r))のスケールパラメータである。12個の異なるシミュレーション結果に対して、r=5,6,…,25及びn=1,2,…,50についてそれぞれ分布α(n,r)にフレシェ分布を当てはめ、相対RMSが0.14であることを見つけることによって、この推測を確認する。 Here, β (r) is a scalar different for each observation of the bounce light n times with respect to the ring light having the radius r, and s (r) is a Fréchet distribution f (n; s (r)) depending on the radius r. Scale parameter. For twelve different simulation results, a freche distribution is applied to the distribution α (n, r) for r = 5, 6,..., 25 and n = 1, 2,. Confirm this guess by finding out.
物体表面上の距離r及び(r+Δr)のリング光について観測され、s(r)=s及びs(r+Δr)=s+Δsを表す2つのn回バウンス光比を考える。それぞれがフレシェ分布でモデル化できるので、それらの違いは次式で表される。 Consider two n-bounce light ratios observed for ring light at distance r and (r + Δr) on the object surface and representing s (r) = s and s (r + Δr) = s + Δs. Since each can be modeled with a Fréchet distribution, the difference between them is expressed by the following equation.
ここで、十分に小さい半径Δrに対して、本発明者らは、次式を仮定した。 Here, for a sufficiently small radius Δr, the inventors assumed the following equation.
形状パラメータに関するフレシェ分布の導関数を順微分で近似すると、次式を得る。 When the derivative of the Fréchet distribution with respect to the shape parameter is approximated by forward differentiation, the following equation is obtained.
式(11)及び(12)から、次式を得る。 From the equations (11) and (12), the following equation is obtained.
図18Bは、異なる形状パラメータ(s及び(s+Δs))を有する一対のフレシェ分布、それらの実際の差(f(n;s)−f(n;s+s))、及び導関数を使用した近似を示す。その形状パラメータ
(ここで、Δsは形状パラメータsの約50%である。)を用いた近似式(式(13))は実際の差の形状をよく反映していることが分かる。パラメータn(r+Δr)よりも大きい平均反射に対して、次式を安全に仮定することができる。
FIG. 18B shows a pair of Fréchet distributions with different shape parameters (s and (s + Δs)), their actual difference (f (n; s) −f (n; s + s)), and an approximation using derivatives. Show. Its shape parameter
2つの半径に対するリング光の表面下散乱の差が
ここで、
7.結論.
本発明に係る実施形態では、本発明者らは、外部観測から、表面下散乱光を様々な有界経路長及び比例的にバウンス数に解くための可変リング光イメージングを導入した。本発明者らが提案した方法は、制限的な解析的散乱モデルを仮定せず、表面下散乱を示す任意の実世界表面に適用することができる。理論とその実験的検証は、物体表面下の構造とその色を明らかにするための可変リング光イメージングの有効性を示している。本発明者らが提案した方法は、表面を視覚的に探査し、より豊かな情景を理解するために光の輸送を解読することに大きな意味を持つと考えている。
7). Conclusion.
In an embodiment according to the present invention, the inventors have introduced variable ring optical imaging for solving subsurface scattered light to various bounded path lengths and proportionally bounce numbers from external observations. The method we have proposed does not assume a restrictive analytical scattering model and can be applied to any real world surface exhibiting subsurface scattering. The theory and its experimental verification show the effectiveness of variable ring optical imaging to reveal the structure under the object surface and its color. We believe that the method proposed by the inventors has great significance in visually exploring the surface and deciphering the transport of light in order to understand a richer scene.
以上詳述したように、本発明に係るイメージング装置及びイメージング方法によれば、従来よりも簡単な構成のイメージング装置及び方法を提供することができ、物体表面が不均一であっても従来よりも高精度にイメージングを実行することができる。 As described above in detail, according to the imaging apparatus and imaging method of the present invention, it is possible to provide an imaging apparatus and method having a simpler structure than before, and even if the object surface is non-uniform, Imaging can be performed with high accuracy.
1 光源
1A 光源
2 画像センサ
3,4 レンズ
5 ディスプレイ
6 LED
10 対象物体
10S 物体表面
11 テーブル
20 イメージングプロセッサ
21 光源コントローラ
22 画像入力インターフェース
23 画像メモリ
24 出力インターフェース
100 イメージング装置
Po 観測表面点
Pp 表面照射点
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source 1A Light source 2 Image sensor 3, 4 Lens 5 Display 6 LED
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Target object 10S Object surface 11 Table 20 Imaging processor 21 Light source controller 22 Image input interface 23 Image memory 24 Output interface 100 Imaging apparatus Po Observation surface point Pp Surface irradiation point
Claims (9)
前記物体の物体表面上の観測される所定の観測表面点から所定の半径だけ離れた少なくとも1つの表面照射点に照明を照射するための光源と、
前記観測表面点からの光線の放射輝度を検出するイメージセンサと、
前記半径を変更するように前記光源を制御し、前記半径を変更する前の第1の放射輝度と、前記半径を変更した後の第2の放射輝度とを受信し、前記第1の放射輝度と前記第2の放射輝度との間の差を、前記物体における表面下散乱光の過渡的な放射輝度として計算することにより、当該過渡的な放射輝度を捉えた画像を生成するイメージングプロセッサと
を備えるイメージング装置。 An imaging device that captures transient subsurface scattered light in an object to be observed and images internal light propagation,
A light source for illuminating at least one surface irradiation point separated from a predetermined observation surface point observed on the object surface of the object by a predetermined radius;
An image sensor for detecting the radiance of light from the observation surface point;
Controlling the light source to change the radius, receiving a first radiance before changing the radius and a second radiance after changing the radius, and receiving the first radiance. And an imaging processor for generating an image capturing the transient radiance by calculating a difference between the second radiance and the second radiance as a transient radiance of subsurface scattered light in the object, An imaging apparatus provided.
前記イメージングプロセッサは前記半径を変更するように前記光源を制御し、前記複数の表面照射点に対応する、前記半径を変更する前の複数の第1の放射輝度と、前記複数の表面照射点に対応する、前記半径を変更した後の複数の第2の放射輝度とを受信し、前記複数の第1の放射輝度と前記複数の第2の放射輝度とのそれぞれ対応する複数の差を、前記物体における表面下散乱光の過渡的な複数の放射輝度として計算する
請求項1に記載のイメージング装置。 The light source illuminates at a plurality of surface irradiation points incident on a surface point at a distance determined by a radius from the observation surface point, and the plurality of surface irradiation points have a circular ring shape and a circular ring shape. Forming one of the parts and
The imaging processor controls the light source to change the radius, and corresponds to the plurality of surface irradiation points, a plurality of first radiances before changing the radius, and the plurality of surface irradiation points. A plurality of second radiances after changing the radius, and a plurality of corresponding differences between the plurality of first radiances and the plurality of second radiances, The imaging apparatus according to claim 1, wherein the imaging apparatus calculates a plurality of transient radiances of subsurface scattered light in an object.
請求項1に記載のイメージング装置。 The imaging processor further illuminates from the light source to scan the observation surface point on the object surface and controls the image sensor to produce radiance of each radius at all the observation surface points. The imaging apparatus according to claim 1, wherein a plurality of images capturing the transient radiance of subsurface scattered light in the object is generated by collecting.
前記イメージングプロセッサは、前記半径を変更する前の第1の半径によって決定される距離の表面点を走査するように、前記光源から照明を照射しかつ、前記イメージセンサを制御して前記観測される点で前記第1の半径の複数の放射輝度を収集して前記画像メモリに格納し、
前記イメージングプロセッサは、前記半径を変更した後の第2の半径によって決定される距離の表面点を走査するように、前記光源から照明を照射しかつ、前記イメージセンサを制御して前記観測される点で前記第2の半径の複数の放射輝度を収集して前記画像メモリに格納し、
前記複数の第1の放射輝度の平均値と前記複数の第2の放射輝度の平均値との差を、前記物体における表面下散乱光の過渡的な放射輝度として計算することにより、前記物体における表面下散乱光の過渡的な放射輝度を捉えた複数の画像を生成する
請求項3記載のイメージング装置。 The imaging processor further comprises an image memory;
The imaging processor illuminates from the light source and scans the image sensor to scan the surface point at a distance determined by a first radius before changing the radius. Collecting a plurality of radiances of the first radius at a point and storing them in the image memory;
The imaging processor illuminates from the light source and controls the image sensor to scan the surface point at a distance determined by a second radius after changing the radius and the observation. Collecting a plurality of radiances of the second radius at a point and storing them in the image memory;
By calculating a difference between an average value of the plurality of first radiances and an average value of the plurality of second radiances as a transient radiance of subsurface scattered light in the object, The imaging apparatus according to claim 3, wherein a plurality of images capturing the transient radiance of the subsurface scattered light is generated.
前記イメージングプロセッサは、すべての前記観測表面点を走査するように、前記光源から照明を各照射点で照射しかつ、前記イメージセンサを制御してすべての前記観測表面点で放射輝度を収集して前記画像メモリに格納し、
前記格納されたすべての前記観測表面点での放射輝度から、前記半径を変更する前の第1の半径によって決定される距離における各照射点が照射されたときの、所定の各観測表面点における前記複数の第1の放射輝度を抽出し、
前記格納されたすべての前記観測表面点での放射輝度から、前記半径を変更した後の第2の半径によって決定される距離における各照射点が照射されたときの、前記所定の各観測表面点における前記複数の第2の放射輝度を抽出し、
前記所定の各観測表面点において、前記複数の第1の放射輝度の平均値と前記複数の第2の放射輝度の平均値との差を、前記物体における表面下散乱光の過渡的な放射輝度として計算することにより、前記物体における表面下散乱光の過渡的な放射輝度を捉えた複数の画像を生成する
請求項3に記載のイメージング装置。 The imaging processor further comprises an image memory;
The imaging processor irradiates illumination at each irradiation point from the light source so as to scan all the observation surface points, and controls the image sensor to collect radiance at all the observation surface points. Stored in the image memory,
At each predetermined observation surface point when each irradiation point at a distance determined by the first radius before changing the radius is irradiated from the stored radiance at all the observation surface points Extracting the plurality of first radiances;
Each predetermined observation surface point when each irradiation point is irradiated at a distance determined by a second radius after changing the radius from radiances at all of the stored observation surface points. Extracting the plurality of second radiances at
At each of the predetermined observation surface points, the difference between the average value of the plurality of first radiances and the average value of the plurality of second radiances is expressed as the transient radiance of subsurface scattered light in the object. The imaging apparatus according to claim 3, wherein a plurality of images capturing transient radiance of subsurface scattered light in the object are generated by calculating as follows.
請求項1〜5のうちのいずれか1つに記載のイメージング装置。 The imaging apparatus according to claim 1, wherein the illumination is impulse illumination.
前記光源は、前記観測表面点からの半径によって決定される複数の距離で表面照射点上にリング形状照明を照射し、前記イメージングプロセッサは、前記半径を変化させるように前記光源を制御することによって、前記物体の物体表面上の複数の画素を有する画像データを検出して前記画像メモリに格納し、
前記イメージングプロセッサは、前記画像メモリに格納された画像データから、前記半径を変更する前の複数の第1の放射輝度と、前記半径を変更した後の複数の第2の放射輝度とを抽出し、前記複数の第1の放射輝度と前記複数の第2の放射輝度との差を、前記観測表面点における放射輝度として計算し、
前記イメージングプロセッサはさらに、前記観測表面点を走査するように、前記イメージセンサを制御し、すべての前記観測表面点の各半径に対する複数の放射輝度を収集することにより、前記物体における表面下散乱光の過渡的な放射輝度を捉えた複数の画像を生成する
請求項1〜6のうちのいずれか1つに記載のイメージング装置。 The imaging processor further comprises an image memory;
The light source irradiates a ring-shaped illumination onto a surface illumination point at a plurality of distances determined by a radius from the observation surface point, and the imaging processor controls the light source to change the radius Detecting image data having a plurality of pixels on the object surface of the object and storing the image data in the image memory;
The imaging processor extracts a plurality of first radiances before changing the radius and a plurality of second radiances after changing the radius from the image data stored in the image memory. Calculating a difference between the plurality of first radiances and the plurality of second radiances as a radiance at the observation surface point;
The imaging processor further controls the image sensor to scan the observation surface point and collects a plurality of radiances for each radius of all the observation surface points, thereby subsurface scattered light at the object. The imaging apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein a plurality of images capturing the transient radiance is generated.
前記イメージングプロセッサは、前記物体における表面散乱光の複数の過渡的な放射輝度を捉えた色画像を取得し、前記色画像の複数の平均色度を計算し、前記色画像の平均色度が所定のしきい値によって異なるように、異なる色を有する複数の色画像を選択して出力する
請求項3〜7のうちのいずれか1つに記載のイメージング装置。 The imaging device is provided for performing object color restoration of a multi-color layer based on a plurality of differences in a plurality of color radiances,
The imaging processor obtains a color image capturing a plurality of transient radiances of surface scattered light on the object, calculates a plurality of average chromaticities of the color image, and the average chromaticity of the color image is predetermined. The imaging apparatus according to claim 3, wherein a plurality of color images having different colors are selected and output so as to differ depending on a threshold value of the image.
前記物体の物体表面上の所定の観測表面点から所定の半径だけ離れた少なくとも1つの表面照射点に光源の照明を照射するステップと、
前記観測表面点からの光線の放射輝度を検出するステップと、
前記半径を変更するように前記光源を制御し、前記半径を変更する前の第1の放射輝度と、前記半径を変更した後の第2の放射輝度とを受信し、前記第1の放射輝度と前記第2の放射輝度との間の差を、前記物体における表面下散乱光の過渡的な放射輝度として計算することにより、当該過渡的な放射輝度を捉えた画像を生成するステップと
を含むイメージング方法。 An imaging method that captures transient subsurface scattered light in an object to be observed and images internal light propagation,
Illuminating at least one surface illumination point that is a predetermined radius away from a predetermined observation surface point on the object surface of the object;
Detecting the radiance of light rays from the observation surface point;
Controlling the light source to change the radius, receiving a first radiance before changing the radius and a second radiance after changing the radius, and receiving the first radiance. Generating an image capturing the transient radiance by calculating a difference between the second radiance and the second radiance as a transient radiance of subsurface scattered light in the object. Imaging method.
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