一种用于模拟涂层纹理特征的方法和系统与流程

1.本公开涉及一种用于模拟n层目标涂层的纹理特征的方法和系统。本公开还涉及相应的计算机可读介质。


背景技术：

2.涂料或涂层的外观取决于其颜色和纹理二者。因此，如粗糙度、闪光面积或闪光强度的纹理特征被用于涂料和涂层的比色法中，用于描述、匹配和显色。
3.例如，在汽车应用中，大多数涂料或涂层由多层材料组成，其中每一层都有不同的用途。涂料的整体外观取决于涂料组合物，但也取决于粒子的空间分布，最常见的是异质和多尺度。例如，金属粒子可能会产生镜面反射和闪光效应。这些影响取决于粒子的化学性质、粒子的表面粗糙度和粒子在涂层内的分散以及聚集效应。
4.通常，纹理特征是根据涂层在不同的直接或漫射照明条件下的照片确定的。在颜色匹配中，这些特征用于支持例如通过数据库搜索找到正确的颜色。在颜色开发中，应用统计模型来预测新配方的纹理特征。然而，这些模型需要大量的物理训练数据，并且不允许用于例如从头开始模拟纹理特征，或用于全新的层配置。
5.计算机图形学的一个应用是虚拟原型设计，即完全数字化地设计产品，并仅基于该虚拟产品的计算机生成图像做出设计决策。
6.针对该背景，本公开的目的是提供一种基本上以数字方式(即无需统计训练数据)模拟涂料涂层并支持数字颜色开发的可能性。


技术实现要素：

7.本公开提供了一种用于模拟n层目标涂层的纹理特征的计算机实现的方法，该n层目标涂层的每一层都具有已知的真实几何特性并且由具有已知真实材料特性的已知单独成分组成，该方法至少包括以下步骤：
8.a)经由至少一个通信接口提供已知的真实几何特性和具有已知真实材料特性的已知单独成分，
9.b)由至少一个处理器在虚拟环境中对n层目标涂层进行建模，其中n层目标涂层中的每一层是根据其真实的几何和材料特性创建的；
10.c)由该至少一个处理器中的至少一个处理器虚拟地追踪来自朝向在n层目标涂层的表面上定义的目标区域的一个或多个虚拟光源的光线，以便模拟来自一个或多个虚拟光源的入射光线与n层目标涂层的相互作用；
11.d)由一个或多个接收器虚拟地收集与n层目标涂层相互作用的光线；
12.e)由一个或多个接收器虚拟地确定(测量)从由n层目标涂层重新发射或由n层目标涂层反射的光线的角度、光谱和空间强度分布中的至少一项，
13.f)由该至少一个处理器中的至少一个处理器评估所确定的强度分布，并由输出设备基于评估输出至少一个图像。
14.在本公开的范围内，术语“接收器”描述虚拟环境中的点或区域，该点或区域收集并存储被涂层重新发射或反射的通过接收器的光线的信息。光线的这种信息可以包括光线的光谱、幅度、位置和/或角度信息。在虚拟环境中，接收器可以表示为位于靠近目标涂层上方的二维单元。
15.在本公开的范围内，术语“涂料”、“涂层”和“涂料涂层”同义使用。
16.术语“n层目标涂层”包括一层目标涂层以及多层目标涂层，即n可以是大于或等于1的每个自然数。
17.根据本发明，纹理特征直接从光学模拟确定。因此，本发明不需要任何统计训练数据，而只需要目标涂层下的配方的单独成分的真实物理特性。光学模拟方法(即所提出的方法)旨在支持先进的数字颜色开发。
18.在所提出的方法中可以区分三个主要方法步骤。在与上述步骤a)和b)对应的第一步骤中，在虚拟环境中创建要模拟的涂层(或层堆叠)。在与上述方法步骤c)对应的第二步骤中，光线追踪用于模拟入射光(例如来自直接或漫射虚拟光源)和创建的层堆叠的相互作用。本公开不限于射线光学模拟，因为波光学过程(如例如薄膜干涉或散射过程)如果适用的话可能会补充光线追踪方法。在与上述方法步骤d)到f)对应的第三步骤中，从层堆叠/涂层重新发射(或由层堆叠/涂层反射)的光线由接收器以空间和/或光谱解析方式进行评估并进行后处理以获得纹理特征值。
19.在示例性实施例中，在建模步骤中，关于几何特性，在横向维度上的n层目标涂层的建模限于与步骤c)中的入射光线相互作用的区域。
20.在另一个示例性实施例中，在建模步骤中，关于几何特性，n层目标涂层在纵向维度上(即关于厚度)的建模用由已知真实几何特性给出的精确值建模。
21.在另一实施例中，在建模步骤中，关于材料特性，层成分由它们相应的复折射率来描述。
22.在建模步骤中，涂层的每一层都是根据其几何和材料特性创建的。关于几何特性，将在横向维度(带有目标涂层的样品的宽度和长度)中的建模限制在第二步骤中与入射光线相互作用的区域可能就足够了。相比之下，纵向维度(涂层的厚度)需要用精确值建模，因为层的厚度会显著影响光线-物质的相互作用。层材料分别由它们的复折射率来描述。此外，层-层边界界面处(即层界面处)的光线-物质的相互作用可能被设定为特定的并且甚至可能是理想化的光学特性，类似例如但不限于吸收、朗伯散射、菲涅耳反射或透明度。在射线光学中，层界面处的相互作用通常由菲涅耳方程描述。在这些方程中，两层之间的界面处的反射和透射分别由光线的入射角和两层的层材料的复折射率计算。此外，界面粗糙度可能通过在所述界面处相遇的相应表面的(例如随机)散射特性建模。在一些情况下，假设理想化的界面特性，类似例如将入射光线在镜面方向中100％反射的完美镜子，完美吸收所有入射光线的完美吸收器，或根据朗伯定律在统计上散射入射光线的完美朗伯，降低物理复杂性以及因此的计算工作量可能是有利的。
23.在另一方面，建模步骤包括对彩色/黑色/白色颜料类型和片状颜料类型中的至少一种的颜料进行建模。在此，彩色/黑色/白色颜料由体积散射粒子描述，该粒子由它们的大小、它们的材料、它们的材料密度、它们相对于周围基体材料的体积或重量百分比、它们的角散射分布和它们的透射率来描述。这些特性例如从米氏理论或波光模拟或任何其它适用
的数值方法或理论中获得。例如，由例如银或二氧化钛制成的球形纳米粒子散射可以通过米氏理论准确建模。穿透到具有这种粒子的主体体积(bulk volume)的光线在一定距离之后与特定粒子相互作用，该特定距离由自由平均路径描述，该自由平均路径由分散在主体材料中的这种颜料的量产生。在与所述特定粒子相互作用时，根据所述粒子的角散射分布，射线(或其一部分)在统计上被散射到新的角方向。另一部分光线可能会在不改变方向的情况下被吸收或透射。主体中的粒子可以具有均匀的大小或具有一定的大小分布。该模型假设在主体中均匀地将颜料分散。片状类型颜料由相对于浸入特定层的表面法线的各种几何形状和取向的单个表面建模。在此，类似但不限于双向反射分布函数(brdf)、薄膜涂层、菲涅耳相互作用、完美镜子、完美吸收器或完美透射率的界面特性可归因于表面。例如，与由金属氧化物涂覆的云母薄片的射线相互作用通过薄膜干涉建模，而与铝薄片的相互作用可能通过镜面反射或具有围绕镜面方向的一些角反射锥的brdf来近似。
24.此外，建模步骤包括另外将片状类型颜料设定为特定的横向/纵向、排列、厚度和/或光学特性分布。
25.因此，建模步骤可能涉及对两种不同类型的颜料进行建模：1)彩色或黑色/白色颜料和2)片状类型颜料。彩色/黑色/白色颜料可以通过服从米氏散射或其他用户定义的散射特性的体积散射粒子来描述，该特性可以例如从先前的波光学模拟获得。片状类型颜料(诸如铝、云母等)可以通过浸入特定层中的各种几何形状的几何组件进行建模。然后，将这些浸入几何组件的界面特性设定为片状类型颜料的期望的光谱光学特性，例如薄膜干涉、不同平滑度的镜子、特定的双向散射分布。虽然可以对每种颜料类型的光学特性、浓度和大小进行建模，但可以将片状颜料另外设定为特定的横向和/或纵向排列、厚度和光学特性分布(例如，不同的薄膜厚度分布)。
26.在光线追踪步骤中，光线从朝向涂层表面中/上定义的目标区域的一个或多个虚拟光源追踪。射线可以被建模为服从预先给定的光谱、角度和/或空间分布。因此，至少一个光源可以是具有例如d65光谱分布的直接或漫射光源。d65表示国际照明委员会定义的常用标准光源。光源定义了光谱分布。
27.在第三步骤中，与涂层相互作用的射线由一个或多个接收器收集。这些接收器可以测量/确定从涂层重新发射(或由涂层反射)的光线的角度、光谱和/或空间强度分布。
28.根据所提出的方法的一个实施例，在用于纹理分析的步骤e)中，评估光线的角度和/或空间强度分布并且获得至少一个灰度图像。
29.在另一个应用中，也可以以光谱解析方式接收该信息(例如，获得彩色图像，或更一般地，获得关于涂层空间反射率的光谱信息)。这意味着在用于纹理分析的步骤e)中，确定光线的强度的光谱分布并且获得至少一个彩色图像。
30.选择至少一个图像的虚拟像素大小以获得微米级分辨率(即μm级分辨率)是有利的。这允许明确地区分由片状类型颜料和(较暗)背景引起的亮斑。
31.根据另一方面，所提出的方法进一步包括借助于已知的后处理方法对至少一个图像进行后处理以推断纹理特征的步骤。类似于真实样品的测量图像，来自虚拟涂层的这些模拟图像可以通过本领域已知的不同方法进行后处理以推断纹理特征。例如，灰度图像的纹理可以通过最近邻灰度空间相关矩阵(haralick等人，ieee transactions on systems,man,and cybernetics 3(6),1973)或通过自相关方法(例如，kaizer等人，波士顿大学研究
实验室，波士顿大学，波士顿，马萨诸塞州，技术说明121期，1955年)，通过从纹理元素的几何特性中提取纹理(特征)的几何方法，或通过其它方法在统计上进行描述。对不同纹理分析方法的回顾例如在模式识别和计算机视觉手册(第2.1章，纹理分析，由mihran tuceryan和anil k.jain编写)中给出。
32.本公开进一步涉及一种用于模拟n层目标涂层的纹理特征的系统，该n层目标涂层的每一层具有已知的真实几何特性并且由具有已知真实材料特性的已知单独成分组成，该系统包括：
33.a)至少一个计算设备；
34.b)计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储在在功能上耦合到至少一个计算设备的计算机可读存储介质上的计算机可执行代码，并且在运行时使至少一个计算设备执行计算过程，该计算过程包括以下步骤：
35.b1)经由至少一个通信接口提供已知的真实几何特性和具有已知真实材料特性的已知单独成分，
36.b2)对虚拟环境中的n层目标涂层进行建模，其中，n层目标涂层中的每一层是根据其真实的几何和材料特性创建的，
37.b3)虚拟地追踪来自朝向在n层目标涂层的表面上定义的目标区域的一个或多个虚拟光源的光线，以便模拟来自一个或多个虚拟光源的入射光线与n层目标涂层的相互作用；
38.b4)虚拟地收集与n层目标涂层相互作用的光线；
39.b5)虚拟地确定(测量)从由n层目标涂层重新发射或由n层目标涂层反射的光线的角度、光谱和空间强度分布中的至少一项，
40.b6)评估所确定的强度分布并基于评估经由输出设备输出至少一个图像。
41.根据所提出的系统的一种可能的实施例，该系统进一步包括：
42.c)颜色数据库，其包括单独成分及其材料特性和用于涂层组合物的配方以及相关的比色数据；
43.其中，计算设备在功能上耦合到颜色数据库。
44.已知单独成分的已知真实材料特性可以从颜色数据库接收。
45.计算设备可以进一步包括输入设备和输出设备。计算设备经由合适的通信连接至少在功能上耦合到输入设备和输出设备。
46.计算设备可以包括或者可以与一个或多个输入单元通信，诸如触摸屏、音频输入、移动输入、鼠标、键盘输入等。此外，计算设备可以包括或者可以与一个或多个输出设备通信，诸如音频输出、视频输出、屏幕/显示输出等。
47.本发明的实施例可以与计算机系统一起使用或结合在计算机系统中，该计算机系统可以是独立单元或者包括经由网络(诸如例如互联网或内联网)与位于例如云中的中央计算机通信的一个或多个远程终端或设备。因此，在此描述的计算设备和相关组件可以是本地计算机系统或远程计算机或在线系统或其组合的一部分。在此描述的数据库和软件可以存储在计算机内部存储器中或非暂态计算机可读介质中。
48.所提出的系统的所有组件都彼此通信连接，即它们彼此联网。这种通信连接可以是直接连接或间接连接。每个通信连接可以是有线或无线连接。可以使用每种合适的通信
技术。系统的不同组件(诸如计算设备和数据库)每一个都可以包括用于彼此通信的一个或多个通信接口。这种通信可以使用有线数据传输协议来执行，诸如光纤分布式数据接口(fddi)、数字用户线(dsl)、以太网、异步传输模式(atm)或任何其它有线传输协议。可替代地，通信可以通过使用多种协议(诸如通用分组无线电服务(gprs)、通用移动电信系统(umts)、码分多址(cdma)、长期演进(lte)、无线通用串行总线(usb)和/或任何其它无线协议)中的任一种的无线通信网络以无线方式进行。相应的通信可以是无线和有线通信的组合。
49.本公开进一步涉及一种用于模拟n层目标涂层的纹理特征的计算机程序产品，该n层目标涂层的每一层具有已知的真实几何特性并且由具有已知真实材料特性的已知单独成分组成，计算机程序产品包括存储在在功能上耦合到至少一个计算设备的计算机可读存储介质上的计算机可执行代码，并且在运行时使该至少一个计算设备执行计算过程，该计算过程包括以下步骤：
50.1)经由至少一个通信接口接收已知的真实几何特性和具有已知真实材料特性的已知单独成分，
51.2)在虚拟环境中针对n层目标涂层进行建模，其中，n层目标涂层中的每一层是根据其真实的几何和材料特性创建的；
52.3)虚拟地追踪来自朝向在n层目标涂层的表面上定义的目标区域的一个或多个虚拟光源的光线，以便模拟来自一个或多个虚拟光源的入射光线与n层目标涂层的相互作用；
53.4)虚拟地收集与n层目标涂层相互作用的光线，
54.5)虚拟地确定(测量)从由n层目标涂层重新发射或由n层目标涂层反射的光线的角度、光谱和空间强度分布中的至少一项，
55.6)评估所确定的强度分布并基于评估经由输出设备输出至少一个图像。
56.此外，提供了一种用于模拟n层目标涂层的纹理特征的非暂态计算机可读介质，该n层目标涂层的每一层具有已知的真实几何特性并且由具有已知真实材料特性的已知单独成分组成，计算机可读介质存储指令，当由一个或多个处理器执行时该指令使机器：
57.1)经由至少一个通信接口接收已知的真实几何特性和具有已知真实材料特性的已知单独成分，
58.2)在虚拟环境中针对n层目标涂层进行建模，其中，n层目标涂层中的每一层是根据其真实的几何和材料特性创建的，
59.3)虚拟地追踪来自朝向在n层目标涂层的表面上定义的目标区域的一个或多个虚拟光源的光线，以便模拟来自一个或多个虚拟光源的入射光线与n层目标涂层的相互作用，
60.4)虚拟地收集与n层目标涂层相互作用的光线，
61.5)虚拟地确定(测量)从由n层目标涂层重新发射或由n层目标涂层反射的光线的角度、光谱和空间强度分布中的至少一项，
62.6)评估所确定的强度分布并基于评估经由输出设备输出至少一个图像。
63.本发明的其它方面将通过所附权利要求中特别描述的元素和组合来实现和获得。应当理解，前述一般描述和以下详细描述均仅是示例性和说明性的，而不是对所描述的本发明的限制。
附图说明
64.图1示出根据所提出方法的一个实施例的虚拟创建的涂层处的示意性截面图；
65.图2示出根据所提出的方法的另一实施例的示意性说明的在由漫射光源虚拟照明的进一步虚拟创建的涂层处的从上方看的倾斜视图；
66.图3a示出基于测量的光学值的涂层图像的示例；
67.图3b示出通过所提出方法的另一个实施例获得的虚拟创建和照明的涂层的图像的示例。
68.图4示意性地示出所提出的系统的实施例。
具体实施方式
69.图1示出了n层目标涂层100(即根据所提出方法的实施例创建的层堆叠)的示例的横截面。这里所示的n层目标涂层100是3层涂层，即三层，即在基板110的顶部提供三层涂层。每一层具有已知的真实几何特性并且由具有已知真实材料特性的已知单独成分组成。3层目标涂层由至少一个处理器在虚拟环境中建模，其中3层目标涂层中的每一层都是根据其真实的几何和材料特性创建的。在建模步骤中，关于几何特性，在横向维度上对3层目标涂层的建模可能被限制在随后的光线追踪步骤中与入射光线相互作用的区域。
70.3层目标涂层设置在基板110的顶部。直接在基板110的顶部的是第一涂层(第一层)111，没有片状类型颜料，但具有彩色和/或白色/黑色颜料。在第一涂层111的顶部，提供具有变化的大小、位置和取向的浸入片状类型颜料114的第二涂层(第二层)112。在第二涂层112的顶部，提供作为第三涂层(第三层)113的透明涂层。透明涂层113不包括片状类型颜料。相邻层之间的界面116和117以及基板110和第一层111之间的界面105由较暗的重叠区域突出显示。界面确保相邻层在模拟中处于光学接触，即相邻层之间没有气隙。
71.在建模步骤中，关于几何特性，纵向维度(厚度)中的3层目标涂层的建模可以用已知真实几何特性给出的精确值建模。
72.关于材料特性，层成分由它们相应的复折射率来描述。可以从颜色数据库提供或取得这些材料特性。
73.在建模步骤中，涂层的每一层111、112、113是根据其几何和材料特性创建的。关于几何特性，将横向维度(提供有目标涂层100的样品的宽度和长度)中的建模限制到在随后的光线追踪步骤中与入射光线相互作用的区域可能就足够了。相比之下，纵向维度(涂层100的厚度)需要用精确值建模，因为层111、112、113的厚度显著影响光线-物质相互作用。层材料分别被描述为它们的复折射率。此外，层-层边界的界面116和117处的光线-物质相互作用可以设定为特定的光学特性，类似例如但不限于吸收、朗伯散射、菲涅耳反射、根据任意散射分布函数的散射或透明度。
74.建模步骤可能涉及对两种不同类型的颜料进行建模：1)彩色或黑色/白色颜料和2)片状类型颜料。
75.第一层111的彩色/黑色/白色颜料由体积散射粒子描述。第一层111的彩色/黑色/白色颜料可以通过服从米氏散射或其他用户定义的散射特性的体积散射粒子来描述，该特性可以例如从先前的波光学模拟获得。第二层112的片状颜料114(诸如铝、云母等)由浸入基底涂层中的各种几何形状的几何表面建模，两者一起形成第二层112。这些浸入表面的界
面特性被设定为片状类型颜料的期望的光谱光学特性，例如薄膜干涉、不同平滑度的镜子、特定的双向散射分布。此外，第二层112的片状类型颜料另外设定为特定的横向/纵向排列、厚度和/或光学特性分布，例如变化的薄膜厚度分布。第二层112的浸入片状类型颜料被示为暗阴影114并且在此浮置在第二层112的上部区域中。
76.图2示出根据所提出方法的另一实施例的虚拟地创建的目标涂层200的示例的从上方看的倾斜视图，该目标涂层200被漫射光源220虚拟地照射。漫射光源220被示出，即建模为半透明半球。涂层200被施加在基板210的顶部并且被源自光源220的光线穿透。视觉上靠近涂层200的表面上方定位的接收器230在光线与涂层200相互作用之后收集光线。接收器230确定从涂层200重新发射或由涂层200反射的光线的强度的角度分布、光谱分布和空间分布中的至少一项。对于纹理分析，评估光线的角度和空间强度分布并获得灰度图像。图3b中示出一个示例性图像。可替代地，也可以以光谱解析的方式接收用于纹理分析的信息，例如以获得彩色图像，或更一般地，获得关于涂层200的空间反射率的光谱信息。
77.彼此垂直的箭头201和202指示坐标系，其中箭头201平行于涂层200的表面取向并且箭头202垂直于涂层200的表面(即在涂层的深度200中)取向。
78.选择图像的虚拟像素大小以获得(微米)μm级分辨率是有利的。这确保可以识别单个片状颜料并与背景形成对比。对于更大的像素，来自薄片和背景的缓解效应被平均，并且无法检测到纹理。小得多的像素增加了计算工作量和所需的跟踪光线数量，以获得具有可接受的低噪声水平的图像。
79.这种高分辨率可以明确地区分由片状颜料和较暗背景引起的亮斑。
80.类似于真实涂层的测量图像，如图3b中所示的模拟图像可以通过本领域已知的不同方法进行后处理以推断纹理特征。
81.图3a示出真实涂层的测量图像示例。图3b示出通过所提出方法的实施例获得的模拟涂层的模拟图像的示例。两个图像都可以以相同的方式(即通过相同的方法)进行后处理来推断纹理特征。
82.图4示意性地示出所提出的系统的实施例。系统400被配置为模拟n层目标涂层的纹理特征，该n层目标涂层的每一层具有已知的真实几何特性并且由具有已知真实材料特性的已知单独成分组成。这种n层目标涂层的示例在图1和图2中示出。系统400包括计算设备410。系统400进一步包括计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储在计算机可读存储介质上的计算机可执行代码。在这里所示的示例中，计算机可读存储介质415被加载到计算设备410的内部存储器中。因此，计算机可读存储介质415在功能上耦合到计算设备410。计算机可读存储的任何其它功能耦合介质415和计算设备410是可能的。计算机可读存储介质415在运行时使计算装置410执行计算过程，该计算过程包括以下步骤：
83.b1)经由至少一个通信接口接收已知的真实几何特性和具有已知真实材料特性的已知单独成分，
84.b2)在虚拟环境中对n层目标涂层进行建模，其中，n层目标涂层中的每一层是根据其真实的几何和材料特性创建的，
85.b3)虚拟地追踪来自朝向在n层目标涂层的表面上定义的目标区域的一个或多个虚拟光源的光线，以便模拟来自一个或多个虚拟光源的入射光线与n层目标涂层的相互作用；
86.b4)虚拟地收集与n层目标涂层相互作用的光线；
87.b5)虚拟地确定从由n层目标涂层重新发射或由n层目标涂层反射的光线的角度、光谱和空间强度分布中的至少一项，
88.b6)评估所确定的强度分布并基于评估经由输出设备430输出至少一个图像。
89.在这里所示的示例中，所提出的系统400还包括颜色数据库420，该颜色数据库420包括单独成分及其材料特性和用于涂层组合物的配方以及相关的比色数据。计算设备410在功能上耦合到颜色数据库420并且可以从颜色数据库420取得已知真实几何特性和具有已知真实材料特性的已知单独成分。计算设备410进一步包括(或至少在功能上耦合到)输入设备435和输出设备430。输入设备435可以是触摸屏、音频输入、移动输入、鼠标、键盘输入等。输出设备430可以是音频输出、视频输出、屏幕/显示输出等。
90.参考符号列表
91.100 目标涂层
92.110 基板
93.111 第一层
94.112 第二层
95.113 第三层
96.114 片状类型颜料
97.116 层-层界面
98.117 层-层界面
99.200 目标涂层
100.201、202 指示坐标系的箭头
101.210 基板
102.220 光源
103.230 接收器
104.400 系统
105.410 计算设备
106.415 计算机可读存储介质
107.420 颜色数据库
108.430 输出设备
109.435 输入设备。