CN101351825B - 角度外观色彩的真实感视频显示 - Google Patents

Abstract

一种计算机实现的方法，用于在彩色显示设备上显示油漆涂层的真实感色彩，所述方法包括下列步骤：(A)从数据库中识别油漆涂层在至少三个不同角度处的L^*、a^*b^*色彩值；(B)将该至少三个角度的L^*、a^*b^*色彩值转换为三色X、Y、Z值；(C)通过计算机实施方式推导三色X、Y、Z值中的每一个相对于非镜面角的连续函数方程，并计算要显示的角度的范围；(D)计算显示物体所需要的非镜面角的范围；(E)在非镜面角的范围上根据三色值计算R、G、B值并确定R、G、B值的最大饱和度，并使R、G、B值的最大饱和度进入正使用的彩色显示设备允许的范围；(F)确定要模拟的油漆涂层的统计纹理函数；以及(G)将该统计纹理函数施加到步骤(E)的R、G、B值，并在彩色显示设备上显示色彩像素，以示出该油漆涂层的真实感色彩。

Description

角度外观色彩的真实感视频显示

对相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119要求于2005年10月28号提交的美国临时申请序列号60/731620的优先权。

技术领域

本发明涉及在诸如视频监视器的彩色显示设备上提供物体上的角度外观(gonioapparent)色彩的真实感色彩显示，所述物体诸如汽车车体或者一部件，比如不仅包括色彩还包括色变(color travel)，薄片(flake)以及表面纹理的挡泥板或者门板。

背景技术

计算机色彩选择方法是本领域中已知的，如Marchand等人的US2004/0093112A1中所揭示的。WO2004/044850中揭示了汽车色彩的电子显示。计算机实现的匹配油漆色彩的方法也是已知的，如Rodrigues等人的US2005/0128484A1中所揭示的。Kulczycka的US6717584中揭示了使得在计算机生成的物体上的油漆可视化的方法和系统。然而，需要一种计算机实现的处理，其中可以精确地显示涂层组分的色彩，该显示的涂料组分的色彩将有效地具有与在诸如汽车挡泥板或者门之类的物体上的相同的外观，所述汽车挡泥板或者门具有弯曲的和不规则的表面，当光掠过物体时这些表面不仅显示色彩而且显示色变，由诸如铝薄片、涂敷的薄片(coated flake)等片状颜料带来的涂层纹理和表面纹理。前述的处理都没有在通常为视频屏幕显示器的彩色显示设备上提供这种参数。

需要一种计算机实现的处理，其将提供合并了上面所列参数的真实感视频图像，而不用配制涂料并将该涂料施加到基板上来确定这些参数的反复试验，对于设计一种期望的油漆色彩这种反复试验是耗费时间并且昂贵的过程。

本发明的新型处理提供了一种计算机实现的方法以在彩色显示设备上提供油漆涂层的真实感色彩。

发明内容

一种计算机实现的方法，用于在彩色显示设备上显示油漆涂层的真实感色彩，所述方法包括下列步骤：

(A)从包含油漆涂层在至少三个不同角度处的L^*、a^*b^*色彩值的数据库中或者通过测量油漆涂层在至少三个角度处的所述色彩值，识别油漆涂层在该至少三个角度处的所述色彩值；

(B)将该至少三个角度的L^*、a^*b^*色彩值转换为三色X、Y、Z值；

(C)通过计算机实施使用单色曲线拟合或者金属色曲线拟合技术，推导三色X、Y、Z值中的每个相对于非镜面角(aspecular angle)的连续函数方程，并计算要显示的角度的范围；

(D)计算在所选择的物体、光源、和观看者的方位下显示被着色(render)的物体所需要的非镜面角的范围；

(E)在非镜面角的范围上根据三色值计算R、G、B值并确定最大R、G、B值，如果最大R、G、B值都小于用于观看从R、G、B值得到的色彩的彩色显示设备所允许的最大R、G、B值则前进到步骤(F)，如果R、G、B值大于或者等于所使用的彩色显示设备允许的最大R、G、B值，则回到步骤(B)并将X、Y、Z值乘以小于1的归一化系数，并且重复步骤(C)、(D)和(E)来确定防止色彩的R、G、B值等于或者超过对于正使用的彩色显示设备所允许的R、G、B值的最大归一化系数；

(F)从可搜索的数据库确定统计纹理函数，或者从要模拟的油漆涂层的仪器测量生成纹理函数；以及

(G)将该统计纹理函数(statistical texture function)应用到步骤(E)的R、G、B值来修正所述值，并基于该修正的R、G、B值在彩色显示设备上显示色彩像素，以示出该油漆涂层的真实感色彩。

附图说明

图1显示了在监视器上显示涂层成分的真实感色彩的计算机实现的处理的总体处理流程图。

具体实施方式

通过阅读下列详细描述，本领域技术人员将更容易理解本发明的特征和优点。应当理解，为了清楚起见而在分开的实施例的环境中在上文和下文描述的本发明的特定特征，也可以在单个实施例中组合地提供。相反，为了简要起见而在单个实施例的环境中描述的本发明的不同特征也可以分开地或者以任何子组合提供。此外，除非上下文另有说明，单数的引用也可以包括复数(例如，“一”可以指一个，或者一个或多个)。

除非明确指出，本申请中指定的各种范围内的数值的使用是作为近似来陈述的，好像陈述的范围内的最小和最大值之前都有词语“大约”。以这种方式，陈述的范围之上和之下的略微变化可以用于获得与该范围内的值基本相同的结果。另外，这些范围的公开意图是作为包括最小值和最大值之间的每个值的连续范围。

这里提到的所有专利、专利申请和出版物在此整体引入以供参考。

本发明的计算机实现的方法广泛地致力于在彩色显示设备上显示由各种材料制成的很多种物体的真实感的色彩，特别是包括金属薄片颜料或者特殊效果颜料的色彩，所述各种材料诸如金属、塑料、增强塑料、木头以及其他建筑材料等。可被显示的典型的物体例如运载工具；运动装备，诸如棒球棍、机动雪橇；各种类型的建筑物体，诸如门，建筑物外部、房间内部等。该方法还可以用于为油漆色彩匹配、色彩开发、色彩式样设计(styling)等开发可选色彩。

作为这里所使用的，“运载工具”包括汽车；卡车；半拖车；拖拉机；摩托车；拖车；ATV(全地形汽车)；轻型货车；重载搬运机(heavyduty mover)，诸如推土机、移动起重机、和堆土机；飞机；小船；轮船；以及涂装了涂层成分的其他模式的运输工具。

典型的运载工具主体或者其一部分可以由钢板、塑料或者复合基板形成，并且通常与平坦表面一起具有弯曲和有时候复杂的表面。特别地，具有涂层的弯曲表面具有取决于观看角度和光照角度的不同外观。涂层的颜料内容例如金属薄片颜料、镀过的金属薄片颜料和其他干涉颜料赋予涂层取决于添加的颜料的浓度和类型的独特的色彩效果。从不同角度观看和照亮的涂层的纹理和光泽，特别是在弯曲表面上，显著地影响运载工具主体或者一部分的外观。

本发明提供在彩色显示设备上显示真实感色彩的方法，其可以为观看者提供得到的运载工具主体或者部分的视图，该视图为用户显示了该部分和色彩的真实感图像。该方法也可以用于为了运载工具的色彩设计而对基板上的现有涂层进行色彩匹配，以便开发可以用于匹配运载工具上现有标准末道漆(standard finishes)的相似色彩，以及开发可以代替目前用作色彩标准的色卡(color chip)使用的色彩标准。

本发明的新型处理为一种使用本领域技术人员熟知的传统计算机以及计算机程序和技术的计算机实现的处理，该处理提供了在诸如彩色视频监视器的彩色显示设备上显示的基板上的油漆涂层的真实感色彩。

图1示出了在彩色显示设备上显示油漆涂层的真实感色彩的计算机实现的方法的流程图。

如同在图1的流程图中示出的，在该处理中的第一步骤(A)，在三个不同的角度识别要显示的色彩的L^*、a^*、b^*色彩值。这些值可以从数据库中得到(1)，在该数据库中已经为要显示的色彩确定了这些色彩值，通常在三个不同的角度，或者通过通常在三个不同角度进行的对于该色彩进行的实际测量而得到(2)。通常使用的角度为15、45、和110度的非镜面角。非镜面角的其他适当组合也可使用，诸如15、45和75度以及25、45和75度。

已经被广泛认可的是三维色彩空间可以用于按照特定色彩特性或者色彩属性定义色彩。CIELAB，通常也称为L^*a^*b^*或者Lab，是一种使用独立色彩空间的均匀设备，在所述色彩空间中色彩位于三维矩形坐标系中。该三个维度是亮度(L)、红色/绿色(a)和黄色/蓝色(b)。

L^*、a^*b^*色彩值对于本领域技术人员是熟知的，并且代表视觉上均匀的色彩空间中的坐标，并且根据由国际照明委员会指定的下列方程式与X、Y、和Z三色值相关联：

L^*定义亮度轴

L^＊＝116(Y/Y_o)^1/3-16

a^*定义红绿轴

a^＊＝500[(X/X_o)^1/3-(Y/Y_o)^1/3]]

b^*定义黄蓝轴

b^＊＝200[(Y/Y_o)^1/3-(Z/Z_o)^1/3]

其中X_o、Y_o和Z_o为对于给定的光源的纯白色的三色值。

在使用上述方程式的处理的步骤(B)中，将每个所用角度的L^*a^*b^*值转换为三色X、Y、Z值(3)。

X＝X_o(((L^＊+16)/116)+(a^＊/500))³

Y＝Y_o((L^*+16)/116)³

Z＝Z_o(((L^＊+16)/116)-(b^＊/200))3

其中X_o、Y_o和Z_o为上述的三色值。

上述的方程式在ASTM标准E 308中给出，该标准在此引入以供参考。

通过计算机实现，每个三色X、Y、Z值相对于每个非镜面角的连续函数方程在步骤(C)中导出。计算机在适当的地方使用一种或多种下列曲线拟合技术：单色曲线拟合(4)或者金属色曲线拟合(5)。

对于单色，即不包含薄片、珠子色或者其他特殊效果颜料的色彩，不管非镜面角为多大，应用X、Y、和Z的相同值。

对于大部分效果末道漆，将来自上面的三个角度的X、Y、Z数据拟合到这种类型的函数：

F_α＝A^＊exp^(-α/B)+C

其中

F_α为感兴趣的三色值，即非镜面角α处的X、Y、Z，A、B、C为曲线拟合的系数；或者F_α为以下类型：

F_α＝A+Bα+Cα²+Dα³+Eα⁴

其中F_α为感兴趣的三色值，即非镜面角α处的X、Y、Z，A、B、C、D和E为曲线拟合的系数。为了使用该四阶多项式拟合，需要生成两个综合数据点。这可以通过采用15°和45°的非镜面角的X、Y、Z三色数据并将它们分别赋给205°和175°的非镜面角来实现。这提供了四阶多项式拟合所需的最少5个数据点，并且110°点附近的数据对称性保证了得到的拟合在110°的极限角处将具有为零的斜率。

在步骤(D)，计算非镜面角的范围以显示在选择的物体、光源和观看者的方位下观看的物体(6)。为了完成这个，对于要着色的物体上的每个像素计算表面法线。使用该表面法线并且已知对于该像素的光照矢量的角度，可以计算与每个像素相关联的镜面矢量射线。接着通过计算镜面矢量射线和观看矢量之间的角度来确定该像素的非镜面角。

在步骤(E)，在如上计算的非镜面角的范围上根据三色值计算R、G、B值(红、绿、蓝值)(7)。

从三色数据X、Y、Z导出R、G、B值是基于色彩特性通过已知的数学计算进行的。下面是可以使用的典型的系数的例子，它们取决于使用的监视器以及照明条件。本领域技术人员知道如何使用监视器的制造商提供的监视器校准信息或者可容易得到的一般校准信息。

典型的X、Y、和Z三色数据到R、G、B值的转换采用下面所示的简单矩阵变换的形式：

$\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}3.24079& -1.537150& -0.498535\\ -0.969256& 1.875992& 0.041556\\ 0.055648& -0.204043& 1.057311\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]$

逆变换简单地使用下面的逆矩阵：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccc}3.24079& -1.537150& -0.498535\\ -0.969256& 1.875992& 0.041556\\ 0.055648& -0.204043& 1.057311\end{array}\right]}^{-1}*\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]$

在非镜面角的范围上确定R、G、B值的最大饱和度(8)。如果最大的R、G、B值全都小于正用于观看从R、G、B值得到的色彩的彩色显示设备所允许的R、G、B值的最大饱和度，那么前进到该处理的步骤(F)，该彩色显示设备通常为彩色视频监视器。

如果R、G、B值大于或等于正使用的彩色显示设备允许的R、G、B值的最大饱和度，则回到步骤(B)并将X、Y、Z值乘以小于1的归一化系数并重复步骤(C)、(D)和(E)，来确定防止色彩的R、G、B值等于或者超过正使用的彩色显示设备允许的R、G、B值的最大归一化系数(9)。如果正在开发单个色彩，计算对于角度的范围的R、G、B值(11)。

如果要生成多个相似的色彩(10)，例如，如果要生成并显示三个相似的色彩替代以用于匹配当前运载工具的色彩或者色彩标准或者为了式样设定的目的，对于每种色彩重复步骤(A)到(E)。如上所述为每种色彩确定归一化系数并且选择最小的归一化系数(12)，使得不超过正使用的显示设备的R、G、B值，从而使得适当地将这些色彩中的每一个相互比较成为可能。

在步骤(F)，接着通过从数据库中检索、根据油漆配方计算，或者通过仪器装置确定该色彩的统计纹理函数。色彩的纹理是得到的成分中存在薄片的结果，诸如像铝薄片、镀过铝的薄片的金属薄片，干涉颜料，像镀了金属氧化物颜料的云母薄片，诸如镀了二氧化钛的云母薄片或者镀了氧化铁的云母薄片，衍射薄片，诸如带有细槽的铝薄片上的电介质的气相沉积涂层。

可以从数据库中确定统计纹理函数(13)。有用的数据库包括例如可以通过油漆代码、制造厂代码、以及制造日期搜索的色彩和纹理信息，对于运载工具，油漆代码、制造厂代码、以及制造日期通常是可获得的。当识别了该运载工具上使用的油漆色彩，从数据库中检索纹理信息，并生成统计纹理函数(15)。数据库(13)可以基于色彩聚类技术和程序。2005年5月5日提交的美国序列号No.60/678310(代理人卷号No.FA0958)中揭示了色彩聚类技术和程序，其内容在此引入以供参考。类似的聚类处理可以用于获得用于色彩纹理化的数据库。

替代地，统计纹理函数可以从要被模拟(14)的油漆涂层的仪器测量中生成(16)。该统计纹理函数可以通过测量由电子图像捕捉设备捕捉的要模拟的油漆涂层的图像的像素强度分布并接着在着色的图像中复制那些像素强度统计来生成。例如，如果捕捉的图像的像素强度分布本质上是高斯的并且具有平均强度μ和标准偏差σ，那么可以统计地修正着色的图像来反映相同的相对统计。统计拟合的本质取决于正在模拟的特定涂层。下列的仪器可以用于生成对于确定该统计纹理函数有用的数据：平板扫描仪、棒式扫描器(wand type scanner)、或者电子相机。

在该新型处理的步骤(G)中，将在步骤(F)确定的统计纹理函数应用到在步骤(E)中确定的R、G、B值来修正这些R、G、B值(17)，以便反映与电子图像捕捉设备所测量的相同的像素强度分布。根据这些值修正色彩像素并将它们显示在通常为视频监视器的彩色显示设备上(18)，以在该显示设备上显示真实感的色彩。

得到的色彩的观看者可以期待该色彩将适当地代表施加到运载工具主体或者其一部分的实际油漆涂层的色彩。

本发明的计算机实现的方法对于多种程序是有用的。可以代替制作昂贵并且难以复制的制造的色卡开发和使用真实感视频色彩标准。该新型的方法对于确定油漆色彩的可混合性来获得对于现有色彩的匹配是有用的，并且可以用于确定油漆的色彩浓淡何时足够接近从而在应用中可以获得对于已有的色彩的可接受的色彩匹配，这是在运载工具的整修表面中经常碰到的问题。可以通过计算着色要混合的两种色彩所需要的R、G、B值来实现混合模拟。该混合是通过在正被着色的物体上内插中间XYZ值以从一种色彩过渡(混合)到下一种色彩来模拟的。该插值本质上可以是线性的或者非线性的来模拟各种混合方案。可以容易地开发参考色彩而不用物理地混合并施加油漆到基板上。可以用该新型方法完成运载工具的真实感的色彩式样设定，可以高度确保得到的涂漆的运载工具将具有视频监视器上显示的外观。可以容易地比较相似的油漆色彩的替代选择，这在运载工具的整修表面中特别有用。

本发明的新型方法可以容易地适用于从多种不同的观看角度和光照角度观看涂敷了特定油漆的物体，使得可能例如在各种光照角度下从各个角度观看汽车或者卡车。由于包括例如干涉颜料的涂层可以具有取决于观看角度和照明角度以及运载工具的表面曲率的明显不同的外观，这是非常有用的。

Claims (20)

1.一种计算机实现的方法，用于在彩色显示设备上显示油漆涂层的真实感色彩，所述方法包括下列步骤：

(A)从包含油漆涂层的至少三个不同角度处的L*、a*、b*色彩值的数据库中或者通过测量所述油漆涂层在至少三个角度处的所述色彩值，识别所述油漆涂层在所述至少三个角度处的所述色彩值；

(B)将所述至少三个角度的L*、a*、b*色彩值转换为三色X、Y、Z值；

(C)通过计算机实施方式使用纯色曲线拟合或者金属色曲线拟合技术，推导三色X、Y、Z值中的每一个相对于非镜面角的连续函数方程，并计算要显示的角度的范围；

(D)计算在所选择的物体、光源、和观看者的方位下显示正被着色的物体所需要的非镜面角的范围；

(E)在非镜面角的范围上根据所述三色值计算R、G、B值，并确定R、G、B值的最大饱和度，并且如果所述R、G、B值的最大饱和度全都小于正用于观看从所述R、G、B值得到的色彩的彩色显示设备所允许的R、G、B值的最大饱和度，则前进到步骤(F)，如果所述R、G、B值大于或者等于正使用的彩色显示设备允许的R、G、B值的最大饱和度，则回到步骤(B)，并将X、Y、Z值乘以小于1的归一化系数，并且重复步骤(C)、(D)和(E)，以确定防止所述色彩的R、G、B值等于或者超过正使用的彩色显示设备可允许的R、G、B值的最大归一化系数；

(F)从可搜索的数据库中确定统计纹理函数，或者从要被模拟的油漆涂层的仪器测量生成所述统计纹理函数；以及

(G)将所述统计纹理函数施加到步骤(E)的所述R、G、B值来修正所述值，并基于所述修正的R、G、B值在所述彩色显示设备上显示色彩像素，以示出所述油漆涂层的所述真实感色彩。

2.如权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述彩色显示设备是彩色视频监视器。

3.如权利要求2所述的计算机实现的方法，其中生成多个相似的色彩，并且其中将用于防止所述R、G、B值等于或者超过正使用的显示设备的最大R、G、B值的相同的因子被施加到所有相似的色彩上，以便可以正确地将它们相互比较。

4.如权利要求2所述的计算机实现的方法，其中在步骤(A)和后续步骤中使用三个角度。

5.如权利要求3所述的计算机实现的方法，适合于使用内插算法来模拟至少两种色彩的涂层成分的混合，以形成具有期望的R、G、B值的涂层色彩，从而确定该两种色彩的涂层成分是否是可混合的，以准备所得到的涂层成分的期望的色彩。

6.如权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述得到的油漆的真实感色彩是用于色彩涂层比较的色彩标准。

7.如权利要求3所述的计算机实现的方法，其中所述得到的油漆的真实感色彩被用于在替代的建议油漆配方之间选择，以匹配标准的油漆色彩。

8.如权利要求3所述的计算机实现的方法，其中所述得到的油漆的真实感色彩被用于监控油漆配方的计算机浓淡渐变，以更好地匹配色彩标准以及停止油漆的浓淡渐变的时间。

9.如权利要求4所述的计算机实现的方法，其中使用的三个角度为15、45、和110度的非镜面角。

10.如权利要求1所述的计算机实现的方法，其中根据通过平板式扫描仪收集的数据确定纹理函数。

11.如权利要求1所述的计算机实现的方法，其中根据通过棒式扫描仪收集的数据确定纹理函数。

12.如权利要求1所述的计算机实现的方法，其中根据通过电子照相机收集的数据确定纹理函数。

13.如权利要求1所述的计算机实现的方法，其中根据通过专门为确定纹理信息而设计的仪器收集的数据确定纹理函数。

14.如权利要求1所述的计算机实现的方法，其中通过限制镜面反射角的范围人工地减小了反射高光的强度。

15.如权利要求1所述的计算机实现的方法，由此通过在正被着色的物体上从混合的一种色彩的X、Y、Z值到所述混合的第二种色彩的X、Y、Z值的插值，模拟使用至少两种色彩的油漆涂层的色彩混合。

16.如权利要求15所述的计算机实现的方法，其中从一种色彩到另一种色彩的X、Y、Z插值是线性的。

17.如权利要求15所述的计算机实现的方法，其中从一种色彩到另一种色彩的X、Y、Z插值是非线性的。

18.如权利要求1所述的计算机实现的方法，由此所述油漆涂层的真实感色彩被用于运载工具的式样设计。

19.一种计算机实现的设备，用于在彩色显示设备上显示油漆涂层的真实感色彩，所述设备包括：

(A)用于从包含油漆涂层在至少三个不同角度处的L*、a*、b*色彩值的数据库中或者通过测量油漆涂层在至少三个角度处的所述色彩值，识别所述油漆涂层的所述至少三个角度处的所述色彩值的部件；

(B)用于将所述至少三个角度的L*、a*、b*色彩值转换为三色X、Y、Z值的部件；

(C)用于通过计算机实施方式使用纯色曲线拟合或者金属色曲线拟合技术，推导所述三色X、Y、Z值中的每一个相对于非镜面角的连续函数方程，并计算要显示的角度的范围的部件；

(D)用于计算在所选择的物体、光源、和观看者的方位下显示正被着色的物体所需要的非镜面角的范围的部件；

(E)用于在非镜面角的范围上根据所述三色值计算R、G、B值并确定R、G、B值的最大饱和度，并且如果所述R、G、B值的最大饱和度全都小于正用于观看从所述R、G、B值得到的色彩的彩色显示设备所允许的R、G、B值的最大饱和度则前进到部件(F)，如果所述R、G、B值大于或者等于正使用的彩色显示设备允许的R、G、B值的最大饱和度，则回到部件(B)并将所述X、Y、Z值乘以小于1的归一化系数，并且使部件(C)、(D)和(E)重复来确定防止色彩的R、G、B值等于或者超过正使用的所述彩色显示设备可允许的R、G、B值的最大归一化系数的部件；

(F)用于从可搜索的数据库确定统计纹理函数，或者根据要被模拟的油漆涂层的仪器测量生成所述统计纹理函数的部件；以及

(G)用于将所述统计纹理函数施加到部件(E)的R、G、B值来修正所述值，并基于所述修正的R、G、B值在所述彩色显示设备上显示色彩像素，以示出所述油漆涂层的所述真实感色彩的部件。

20.如权利要求19所述的计算机实现的设备，其中所述彩色显示设备是彩色视频监视器。