Способ измерения цвета в произвольной системе координат

Способ измерения цвета в произвольной системе координат

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительным устройствам для определения координат цвета и может использоваться, например, для контроля цветовых характеристик красителей, красок, создания базы данных рецептур в лакокрасочной и анилинокрасочной промышленности, для определения цвета драгоценных камней в ювелирной промышленности, для идентификации по цвету при криминалистических исследованиях и во многих других случаях.

Аналогом данного технического решения является СПОСОБ ЦИФРОВОЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ КОЛОРИМЕТРИИ (патент RU 2366907 С1 на изобретение, заявка 2008101787/28 от 23.01.2008, МПК G01J 3/46, опубликован 10.09.2009).

Способ цифровой фотоэлектрической колориметрии, включающий освещение белым светом образца измеряемого цвета, отражающим свет на чувствительную площадку фотоэлектрического приемника, перекрываемую тремя: красным, зеленым и синим светофильтрами, регистрацию трех токов фотоэлектрического приемника, пропорциональных координатам цвета измеряемого образца, отличающийся тем, что сначала выделенными видимыми спектральными составляющими Δλ источника света экспонируют для калибровки матричные фотоэлектрические приемники трехцветной КЗС (К - красный, З - зеленый, С - синий) цифровой фотокамеры, определяя по токам i_k(λ), i_з(λ), i_c(λ) координаты их цветов в системе XYZ МКО 1931 г., а затем, освещая источником белого света образцы измеряемого цвета и стандартного белого цвета, фотографируют их трехцветной цифровой камерой, определяя по токам I k 0 , I k з 0 , I c 0 и I k б , I k з б , I с б матричных фотоэлектрических приемников координаты цвета измеряемого и стандартного белого образцов в трехцветной КЗС системе цифровой фотокамеры и пересчитывают их по цветам КЗС матрицы в системе XYZ МКО 1931 г., как цвет измеряемого образца (x_o, y_o, Y_o).

Недостатком этого способа является то, что относительные спектральные чувствительности матричных фотоэлектрических приемников цифровой камеры (система КЗС) достаточно сильно отличаются от функций, куда сомножителем входят функции сложения цветов стандартного наблюдателя в физиологической r ¯ ( λ ) , g ¯ ( λ ) , b ¯ ( λ ) или любой другой системах, которые связаны [1] со стандартной системой XYZ соотношениями:

r ¯ ( λ ) = r x x ¯ ( λ ) + r y y ¯ ( λ ) + r z z ¯ ( λ )

g ¯ ( λ ) = g x x ¯ ( λ ) + g y y ¯ ( λ ) + g z z ¯ ( λ )           ( 1 )

b ¯ ( λ ) = b x x ¯ ( λ ) + b y y ¯ ( λ ) + b z z ¯ ( λ ) ,

где x ¯ ( λ ) , y ¯ ( λ ) , z ¯ ( λ ) - функции сложения цветов стандартного наблюдателя в системе XYZ.

Эти различия неизбежно приведут к погрешности измерения координат цвета, что поясняется следующими рассуждениями [2, 3].

Другим аналогом является фотометрический колориметр без спектрального разложения света, далее интегральный колориметр [4]. Фотоприемники в фотоэлектрическом колориметре без спектрального разложения света играют роль интеграторов, которые суммируют световые потоки разных длин волн с весовыми коэффициентами, учитывающими функции сложения цветов стандартного наблюдателя. При этом сигналы U_X, U_Y, U_Z каналов измерения координат цвета X, Y, Z определяются как

X = U X = K э X ∫ λ 1 λ 2 ϕ ( λ ) S X ( λ ) T X ( λ ) τ ( λ ) d λ ; Y = U Y = K э Y ∫ λ 1 λ 2 ϕ ( λ ) S Y ( λ ) T Y ( λ ) τ ( λ ) d λ ; Z = U Z = K э Z ∫ λ 1 λ 2 ϕ ( λ ) S Z ( λ ) T Z ( λ ) τ ( λ ) d λ ,         ( 2 )

где K_эХ, K_эY, K_эZ - коэффициенты передачи по каналам измерения X, Y, Z (устанавливаются при калибровке прибора по образцу с известными координатами цвета); φ(λ) - относительное спектральное распределение потока излучения стандартного источника; S_X(λ), S_Y(λ), S_Z(λ) - спектральная чувствительность фотоприемников по соответствующим каналам измерения; T_X(λ), T_Y(λ), T_Z(λ) - спектральная характеристика корректирующих фильтров по соответствующим каналам измерения; τ(λ) - спектральный коэффициент пропускания или отражения измеряемого образца; λ₁=380 нм, λ₂=770 нм.

Необходимым условием точного измерения координат цвета X, Y, Z является выполнение равенств

K X ϕ p ( λ ) S X ( λ ) T X ( λ ) = ϕ ( λ ) x ¯ ( λ ) ; K Y ϕ p ( λ ) S Y ( λ ) T Y ( λ ) = ϕ ( λ ) y ¯ ( λ ) ; K Z ϕ p ( λ ) S Z ( λ ) T Z ( λ ) = ϕ ( λ ) z ¯ ( λ ) ,           ( 3 )

где K_X, K_Y, K_Z - коэффициенты пропорциональности; φ_p(λ) - относительное спектральное распределение потока излучения источника, установленного в конкретном колориметре; x ¯ ( λ ) , y ¯ ( λ ) , z ¯ ( λ ) - функции сложения цветов стандартного наблюдателя в системе XYZ.

Если выполнено условие (3), то сигналы в (2) будут пропорциональны значениям координат цвета X, У, Z. Большим преимуществом интегральных колориметров являются их простота и дешевизна. В то же время в реальных условиях добиться выполнения (3) невозможно, поэтому при подборе корректирующих фильтров минимизируют среднее квадратическое отклонение

∑ i = 1 N [ K X ϕ p ( λ i ) S X ( λ i ) T X ( λ i ) − ϕ ( λ i ) x ¯ ( λ i ) ] 2 → min ; ∑ i = 1 N [ K Y ϕ p ( λ i ) S Y ( λ i ) T Y ( λ i ) − ϕ ( λ i ) y ¯ ( λ i ) ] 2 → min ; ∑ i = 1 N [ K Z ϕ p ( λ i ) S Z ( λ i ) T Z ( λ i ) − ϕ ( λ i ) z ¯ ( λ i ) ] 2 → min ,         ( 4 )

применяя наборы цветных стекол различной толщины. В диапазоне λ₁-λ₂, равном 380-770 нм, обычно число длин волн N=16…32. При последовательном расположении цветных стекол корректирующего фильтра подбирают тип цветного стекла и его толщину для выполнения условий (4) и соотношения

T X ( λ i ) = 10 − ∑ j = 1 m k j ( λ i ) L j ,         ( 5 )

где k_j(λ_i) - спектральный коэффициент поглощения j-го цветного стекла на длине волны i; L_j - толщина j-го цветного стекла; m - число цветных стекол в наборе. Выражения для T_Y(λ), T_Z(λ) аналогичны.

Комплекс технологических работ, связанных с индивидуальным подбором фильтров настолько трудоемок, что говорить о приемлемой точности прямых измерений в широком диапазоне цветов не приходится.

Для увеличения точности корректировки фильтров при ограниченной номенклатуре цветных стекол используют параллельно-последовательное расположение цветных стекол по схеме Дреслера или воспроизводят линейные комбинации кривых сложения цветов стандартного наблюдателя. Если цветные стекла расположены по схеме Дреслера, то результирующая кривая спектрального коэффициента пропускания фильтра при его равномерном освещении, когда площадью стыков можно пренебречь, описывается зависимостью

T X ( λ i ) = ∑ p = 1 Q S p S o ⋅ 10 − ∑ j = 1 m k j ( λ i ) L j ,         ( 6 )

где S_p - площадь p-го набора цветных стекол, установленных последовательно; S_o - общая площадь светофильтра; Q - общее число наборов, установленных параллельно. При этом ∑ p = 1 Q S p = S o .

По мнению авторов [4], попытка технической реализации равенств (3) приводит к тому, что стоимость такого прибора сравнима со стоимостью хорошего спектрофотометра.

Наиболее близким аналогом (прототипом) данного технического решения является СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ЦВЕТА И НЕЙРОКОЛОРИМЕТР ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА (заявка на изобретение RU 2007112875 А от 03.04.2007 г., МПК G01J 3/46, дата публикации заявки 10.01.2008 г.).

Способ измерения координат цвета, включающий освещение исследуемого образца излучением, преобразование отраженного или прошедшего через образец излучения в N спектральных каналах в электрические сигналы и их последующую обработку, отличающийся тем, что сигналы от многоэлементного фотоприемника суммируются тремя искусственными нейронами X, Y, Z, причем величины синаптических связей w_nx, w_ny, w_nz и знаки каждого из нейронов устанавливаются при калибровке по образцам с известными координатами цвета с использованием методов обучения нейронных сетей, например, алгоритма обратного распространения ошибки, в котором минимизируются целевые функции

X ( w ) = ∑ p h ( K x ϕ u ( λ i ) S p h ( λ i ) T p h ( λ i ) τ ( λ i ) w n x − ϕ c m ( λ i ) x ( λ i ) τ ( λ i ) ) 2 , Y ( w ) = ∑ p h ( K y ϕ u ( λ i ) S p h ( λ i ) T p h ( λ i ) τ ( λ i ) w n y − ϕ c m ( λ i ) y ( λ i ) τ ( λ i ) ) 2 ,     ( 7 ) Z ( w ) = ∑ p h ( K z ϕ u ( λ i ) S p h ( λ i ) T p h ( λ i ) τ ( λ i ) w n z − ϕ c m ( λ i ) z ( λ i ) τ ( λ i ) ) 2 ,

где K_x, K_y, K_z - коэффициенты пропорциональности φ(λ) - относительное спектральное распределение потока излучения стандартного источника; T_ph - спектральная характеристика корректирующего фильтра в координатах матрицы р и h; τ(λ) - спектральный коэффициент пропускания или отражения измеряемого образца; x ¯ ( λ ) , y ¯ ( λ ) , z ¯ ( λ ) - функции сложения цветов стандартного наблюдателя; φ_u(λ) - относительная спектральная плотность источника излучения; S_ph - относительная спектральная чувствительность многоэлементного фотоприемника в координатах p и h.

Недостатком прототипа является ограниченная точность измерения координат цвета обусловленная тем, что, применяя выпускаемую промышленностью номенклатуру цветных стекол и варьируя величинами синаптических связей w_nx, w_ny, w_nz, целевые функции (7) можно минимизировать также до определенного предела.

Изобретение направлено на повышение точности измерения координат цвета и упрощение его технической реализации.

Это достигается тем, что в способе измерения цвета в произвольной системе координат, включающем освещение исследуемого образца излучением, преобразование отраженного или прошедшего через образец излучения многоэлементным фотоприемником в электрические сигналы и их суммирование тремя искусственными нейронами, с соответствующими синаптическими связями w_nx, w_ny, w_nz, согласно предлагаемому изобретению формируют новую систему измерений координат цвета А, В, С, оптимальную для справочных значений относительных спектральных чувствительностей используемого многоэлементного фотоприемника S_Aj(λ_i), S_Bj(λ_i), S_Cj(λ_i) и относительного спектрального распределение потока излучения используемого источника φ_p(λ) путем одновременного определения коэффициентов r_ax, r_bx, r_cx, r_ay, r_by, r_cy, r_az, r_bz, r_cz, устанавливающих связь между функциями сложения цветов стандартной системы x ¯ ( λ ) , y ¯ ( λ ) , z ¯ ( λ i ) и новой a ¯ ( λ i ) , b ¯ ( λ i ) , c ¯ ( λ i ) конструктивными параметрами корректирующих светофильтров с спектральными характеристиками T_Aj(λ_i), T_Bj(λ_i), T_Cj(λ_i) и величинами синаптических связей ω_Aj, ω_Bj, ω_Cj, при которых целевые функции удовлетворяют условиям:

∑ i = 1 n [ ω A j ∑ j = 1 m K A j φ u ( λ i ) S A j ( λ i ) T A j ( λ i ) τ ƒ ( λ i ) − φ c m ( λ i ) τ ( λ i ) ( r a x a ¯ ( λ i ) + r b x b ¯ ( λ i ) + r c x c ¯ ( λ i ) ] 2 → min , ∑ i = 1 n [ ω B j ∑ j = 1 m K B j φ u ( λ i ) S B j ( λ i ) T B j ( λ i ) τ ƒ ( λ i ) − φ c m ( λ i ) τ ( λ i ) ( r a y a ¯ ( λ i ) + r b y b ¯ ( λ i ) + r c y c ¯ ( λ i ) ] 2 → min ,   ( 8 ) ∑ i = 1 n [ ω C j ∑ j = 1 m K C j φ u ( λ i ) S C j ( λ i ) T C j ( λ i ) τ ƒ ( λ i ) − φ c m ( λ i ) τ ( λ i ) ( r a z a ¯ ( λ i ) + r b z b ¯ ( λ i ) + r c z c ¯ ( λ i ) ] 2 → min ,

затем устанавливают перед соответствующими фотоприемниками корректирующие светофильтры T_Aj(λ_i), T_Bj(λ_i), T_Cj(λ_i) и последовательно измеряют F образцов с известными спектральными коэффициентами пропускания или отражения τ_f(λ_i) и координатами цвета X_f, Y_f, Z_f в системе X, Y, Z, получая при этом сигналы с фотоприемников U_Aif, U_Bif, U_Cif. для каждого f-го образца:

U A i f = ∑ i = 1 n 1 φ p ( λ i ) S j ( λ i ) T A j ( λ i ) τ f ( λ i ) , U B i f = ∑ i = 1 n 2 φ p ( λ i ) S j ( λ i ) T B j ( λ i ) τ f ( λ i ) ,         ( 9 ) U C i f = ∑ i = 1 n 3 φ p ( λ i ) S j ( λ i ) T C j ( λ i ) τ f ( λ i ) , .

и для этих образцов уточняют коэффициенты r_ax, r_bx, r_cx, r_ay, r_by, r_cy, r_az, r_bz, r_cz, величины и знаки синаптических связей ω_Aj, ω_Bj, ω_Cj при которых целевые функции удовлетворяют условиям:

∑ f = 1 F [ r a x ∑ j = 1 m U A i f ω A j + r b x ∑ j = 1 m U B i f ω B j + r c x ∑ j = 1 m U C i f ω C j − X f ] 2 → min , ∑ f = 1 F [ r a y ∑ j = 1 m U A i f ω A j + r b y ∑ j = 1 m U B i f ω B j + r c y ∑ j = 1 m U C i f ω C j − Y f ] 2 → min ,     ( 10 ) ∑ f = 1 F [ r a z ∑ j = 1 m U A i f ω A j + r b z ∑ j = 1 m U B i f ω B j + r c z ∑ j = 1 m U C i f ω C j − Z ƒ ] 2 → min ,

а уточненные значения синаптических связей ω_Aj, ω_Bj, ω_Cj коэффициентов r_ax, r_bx, r_cx, r_ay, r_by, r_cy, r_az, r_bz, r_cz, заносят в постоянное запоминающее устройство для последующего измерения и вычисления координат цвета по формулам:

X = r a x ∑ j = 1 m U A j ω A j + r b x ∑ j = 1 m U B j ω B j + r c x ∑ j = 1 m U C j ω C j , Y = r a y ∑ j = 1 m U A j ω A j + r b y ∑ j = 1 m U B j ω B j + r c y ∑ j = 1 m U C j ω C j ,       ( 11 ) Z = r a z ∑ j = 1 m U A j ω A j + r b z ∑ j = 1 m U B j ω B j + r c z ∑ j = 1 m U C j ω C j ,

где φ_ст(λ) - относительное спектральное распределение потока излучения стандартного источника; K_Aj, K_Bj, K_Cj - коэффициенты пропорциональности; j - номер фотоприемника; m - число фотоприемников.

Для реализации предлагаемого способа колориметр содержит источник излучения, формирующая оптика, корректирующие светофильтры, приемники излучения и схема обработки сигнала. Перед фотоприемной матрицей установлены корректирующие светофильтры, спектральные характеристики которых подобраны таким образом, чтобы обеспечить максимальное приближение относительно спектральной чувствительности каналов измерения под новые функции сложения цветов. Выходы каждого элемента фотоприемной матрицы через аналоговый коммутатор связаны с аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Цифровой выход АЦП, через который осуществляется последовательная передача значений сигналов с каждого из элементов матрицы, соединен с микроконтроллером. Данные оцифрованные сигналы суммируются в трех регистрах микроконтроллера X, Y, Z, предварительно умноженные на весовые коэффициенты синаптических связей w_ix, w_iy, w_iz. Значения весовых коэффициентов синаптических связей w_ix, w_iy, w_iz устанавливаются при калибровке колориметра. Калибровка колориметра заключается в измерении ряда стандартных образцов с известными координатами цвета и последующей реализацией алгоритма обучения.

На фиг.1 приведена структурная схема колориметра.

На фиг.1 обозначены:

1 - исследуемый прозрачный образец; 2 - пакет светофильтров, 3 - элементы фотоприемной матрицы; 4 - аналоговый коммутатор, 5 - аналого-цифровой преобразователь; 6 - микроконтроллер; 7 - индикатор.

Способ осуществляется следующим образом

1) Формируют новую систему измерений координат цвета А, В, С, оптимальная для теоретических значений относительных спектральных чувствительностей используемого многоэлементного фотоприемника. Для этого методом градиентного спуска одновременно определяют коэффициенты r_ax, r_bx, r_cx, r_ay, r_by, r_cy, r_az, r_bz, r_cz, устанавливающие количественную связь между функциями сложения цветов стандартной системы x ¯ ( λ ) , y ¯ ( λ ) , z ¯ ( λ i ) и новой a ¯ ( λ i ) , b ¯ ( λ i ) , c ¯ ( λ i ) , конструктивные параметры корректирующих светофильтров T_Aj(λ_i), T_Bj(λ_i), T_Cj(λ_i), величины и знаки синаптических связей ω_Aj, ω_Bj, ω_Cj и при которых целевые функции удовлетворяют условиям:

∑ i = 1 n [ ω A j ∑ j = 1 m K A j φ u ( λ i ) S A j ( λ i ) T A j ( λ i ) τ (