Изобретение относится к технической физике, а именно к области измерения цвета поверхности, и может найти применение в научных исследованиях, в системах компьютерного зрения, в полиграфии, в текстильной промышленности и в других областях, где может потребоваться объективное определение цвета поверхности объектов, например, при проведении различного рода экспертиз.
Известен способ измерения цвета поверхности, при котором измеряемую поверхность освещают последовательно (поочередно) тремя фиксированными излучениями и для каждого из них измеряют интенсивность излучения, рассеянного измеряемой поверхностью [1].
Наиболее близким к изобретению является способ измерения цвета поверхности, при котором освещают измеряемую поверхность фиксированным излучением света и измеряют трехкомпонентный вектор стандартных координат цвета излучения, рассеянного измеряемой поверхностью [2].
Этот способ обеспечивает возможность одновременного измерения всех компонент трехкомпонентного вектора (стандартных) координат цвета, но также не позволяет получить константные характеристики цвета.
Известен измеритель цвета поверхности, содержащий узел освещения измеряемой поверхности, узел измерения трехкомпонентного вектора координат цвета излучения, рассеянного измеряемой поверхностью, и сопряженную с этими узлами оптическую измерительную головку, причем узел освещения содержит несколько поочередно включаемых источников световой энергии, а узел измерения - один приемный фильтр и один детектор, вследствие чего обеспечивает измерение только одной координаты цвета, т.е. одного компонента трехкомпонентного вектора координат цвета [1].
Этот измеритель не позволяет получить инвариантные относительно изменений освещения характеристики цвета поверхности и при его использовании различные по цвету поверхности часто будут давать одинаковые результаты измерений. Кроме того, скорость его работы ограничена тем, что компоненты вектора координат цвета измеряются поочередно.
Наиболее близким к изобретению является измеритель цвета поверхности, содержащий узел освещения измеряемой поверхности, узел измерения трехкомпонентного вектора координат цвета излучения, рассеянного измеряемой поверхностью, и сопряженную с этими узлами оптическую измерительную головку, причем узел освещения содержит источник световой энергии, фильтр освещения и светопровод, а узел измерения трехкомпонентного вектора состоит из светопровода с разделением светового потока, отраженного от измеряемой поверхности, на три направления, трех приемных фильтров, трех детекторов и установленного на их выходах электронного блока преобразования выходных сигналов детекторов в цифровые коды [2].
Это устройство обеспечивает одновременное измерение всех компонентов трехкомпонентного вектора координат цвета, но также не обеспечивает однозначной идентификации цвета поверхности инвариантно относительно ее освещения.
Цель изобретения способа - обеспечение однозначной идентификации цвета поверхности инвариантно относительно ее освещения.
Для этого в способе измерения цвета поверхности, в котором освещают измеряемую поверхность заданным излучением света и измеряют трехкомпонентный вектор h1 цвета излучения, рассеянного измеряемой поверхностью, дополнительно освещают измеряемую поверхность двумя отличными от первого и спектрально различными излучениями, и для каждого из этих дополнительных излучений измеряют трехкомпонентные вектора h2 и h3 цвета излучений, рассеянных измеряемой поверхностью, вычисляют компоненты матрицы С цвета, по которой судят о цвете измеряемой поверхности, из системы линейных уравнений
C˙hio = hi (i = 1,2,3), где hio - i-й эталонный вектор цвета.
Для достижения указанной цели в измеритель цвета поверхности дополнительно введен узел вычисления матрицы цвета, вход которого электрически соединен с выходом электронного блока преобразования, а узел освещения дополнительно содержит два источника излучения, два соответствующие им фильтра и блок управления, соединенный с узлом вычисления матрицы цвета, причем источники излучения и соответствующие им фильтры выбраны такими, что обеспечивают формирование излучений с различными спектральными составами, а светопровод узла освещения выполнен с разветвлением на входе на три части, каждая из которых оптически сопряжена через фильтр с источником излучения.
На фиг. 1 показана структурная схема измерителя цвета поверхности; на фиг. 2 - вариант реализации измерителя цвета поверхности; на фиг.3 - пример реализации блока управления поочередным включением и выключением трех источников световой энергии; на фиг.4 - пример реализации электронного блока преобразования выходных сигналов детекторов; на фиг.5 - пример реализации оптической измерительной головки; на фиг.6 - спектральные кривые отражения трех образцов.
Способ измерения цвета поверхности реализуется с помощью устройства (измерителя цвета поверхности), которое содержит три спектрально различных фиксированных излучения 3,4,5, падающих на измеряемую поверхность; узел 6 измерения трехкомпонентного вектора (например, стандартных) координат цвета излучения 7, рассеянного измеряемой поверхностью 2; оптическую измерительную головку 8, направляющую излучения 3, 4, 5 на измеряемую поверхность и излучение 7 на оптические входы узла 6; узел 9 вычисления матрицы цвета.
Узел 1 соединен с узлом 9 двунаправленной (двусторонней) управляющей шиной 10 и, кроме того, может быть соединен управляющей шиной 11 с узлом 6. Узел 6 соединен с узлом 9 информационной шиной 12, служащей для передачи (параллельной, последовательной или параллельно-последовательной) измеренных трехкомпонентных векторов координат цвета в узел 9, и управляющей шиной 13, служащей для управления преобразованием в узле 6 и передачей векторов по шине 12 в узел 9.
Включение устройства, показанного на фиг.1, в работу может быть реализовано различным образом. Например, сначала включают (при помощи органов ручного управления, не показанных на чертеже) узел 9, который затем включают узел 1, либо, наоборот, сначала включают узел 1, который затем подготавливает к работе узел 9. Узел 1 либо непосредственно подает сигнал начала преобразования в узел 6 по шине 11, либо подает этот сигнал в узел 9 по шине 10, а в ответ на это узел 9 подает сигнал начала преобразования в узел 6 по шине 13.
Возможны различные реализации измерителя цвета поверхности, показанного на фиг. 1, поскольку все узлы его могут быть выполнены различным образом. Кроме того, возможно некоторое изменение состава этого измерителя и функций его узлов. Так, оптическая измерительная головка 8 может отсутствовать (не использоваться) в этом измерителе, если ее функции будут выполнять узлы 1 и 6.
Излучения 3, 4, 5 могут создаваться либо последовательно (поочередно), либо параллельно (одновременно). В первом случае они направляются на один и тот же участок измеряемой поверхности 2 (в пределе - в одну точку), а во втором случае - на соседние участки этой поверхности (в пределе - в три точки) в предположении, что эти соседние участки имеют одинаковый цвет.
Способ измерения цвета поверхности заключается в следующем (см.фиг.1). При помощи узла 1 освещают измеряемую поверхность 2 поочередно, либо одновременно тремя спектрально различными фиксированными излучениями 3, 4, 5. Например, излучение 3 имеет спектр типа А, излучение 4 имеет спектр типа D60, излучение 5 имеет спектр типа D250. Могут быть использованы и другие типы спектров излучений, но необходимо, чтобы спектры излучений 3, 4, 5 были различными.
Для каждого излучения 3, 4, 5 при помощи узла 6 измеряют трехкомпонентный вектор координат цвета излучения 7, рассеянного измеряемой поверхностью 2, после чего вычисляют компоненты матрицы цвета из системы линейных уравнений
C˙hio = hi (i = 1,2,3), (1) где C - матрица цвета размерности 3х3, являющаяся результатом измерений;
hi - i-й измеряемый трехкомпонентный вектор координат цвета излучения, рассеянного измеряемой поверхностью 2;
hio - i-й эталонный трехкомпонентный вектор координат цвета излучения, например, задаваемый как константа и хранящийся в памяти узла 9;
i - номер трехкомпонентного измеряемого и эталонного векторов координат цвета излучения, соответствующий одному из излучений 3, 4,5; например, излучениям 3,4,5 соответствуют номера i = 1,2,3 векторов hi и hio.
Трехкомпонентные векторы hi и hio имеют следующую структуру:
hi = <hi1, hi2, hi3> , (2)
hio = <hi1o, hi2o, hi3o>, ( 3) где hij и hijo (j = 1,2,3) - j-е компоненты (координаты цвета) векторов hi и hio соответственно.
Вычисление матрицы цвета С из системы линейных уравнений (1) с учетом выражений (2) и (3) может быть произведено любым из известных методов, например, следующим образом.
Систему линейных уравнений (1) можно представить в следующем виде
C˙Но = Н, (4) где C - матрица цвета;
Н - матрица, столбцы которой являются векторами hi;
Но - матрица, столбцы которой являются векторами hio.
Из формулы (4) следует, что
C = H˙Но-1, (5) где Но-1 - матрица, обратная к матрице Но.
Обратная матрица Но-1 может быть вычислена заранее и помещена в память узла 9 вычисления матрицы цвета.
Элементы матрицы C вычисляются в соответствии C (5) по формуле
Cik= 
hij·ajk (i,k = 1,2,3),(6) где ajk - элемент матрицы Но-1; hij - элемент матрицы Н.
Эталонные векторы hio (i = 1,2,3) могут быть предварительно измерены следующим образом. Измеряемую поверхность 2 (фиг.1) замещают эталонной поверхностью, т.е. поверхностью, цвет которой принимается за эталонный. Затем при помощи узла 1 теми же тремя фиксированными излучениями 3,4,5 света освещают эталонную поверхность, измеряют соответствующие излучения 3,4,5 три эталонных трехкомпонентных вектора hio (i = 1,2,3) координат цвета излучений 7, рассеянных эталонной поверхностью, измеренные эталонные векторы hio записывают в память узла 9 и в дальнейшем используют эти векторы при вычислении матрицы цвета C.
Вариант реализации измерителя цвета поверхности (фиг.2) также содержит узел 1 освещения измеряемой поверхности 2, создающий поочередно три спектрально различные излучения 3, 4, 5, падающие на измеряемую поверхность 2; узел 6 измерения трехкомпонентного вектора координат цвета излучения 7, рассеянного измеряемой поверхностью 2; оптическую измерительную головку 8, направляющую излучения 3, 4, 5 на измеряемую поверхность 2 и излучение 7 на оптические входы узла 6; и узел 9 вычисления матрицы цвета. Узел 1 соединен с узлом 9 шиной 10 и с узлом 6 - шиной 11. Узел 6 соединен с узлом 9 шинами 12, 13.
Узел 1 освещения содержит три источника 14, 15, 16 световой энергии, выполненные, например, в виде светодиодов, блок 17 управления поочередным включением и выключением источников 14, 15, 16 световой энергии, соединенный с узлом 6 шиной 10, а также (необязательно) с узлом 6 - шиной 11, три фильтра 18, 19, 20 освещения, оптически сопряженные с источниками 14, 15, 16 соответственно, и светопровод 21, выполненный с разветвлением 22, три конца 23, 24, 25 которого оптически сопряжены соответственно с тремя фильтрами 18, 19, 20 освещения, Светопровод 21 может быть выполнен, например, в виде жгута стекловолокон.
Источники 14, 15, 16 световой энергии и соответствующие им фильтры 18 19, 20 выбраны такими, что обеспечивают создание трех разных фиксированных излучений 3, 4, 5 света, имеющих различные спектры, например, типов А, D60, D250.
Узел 6 измерения содержит светопровод 26 с разделением светового потока 7, отраженного от измеряемой поверхности 2, на три направления, соответствующие концам 27, 28, 29 этого светопровода, три приемных фильтра 30, 31, 32, оптически сопряженные с концами 27, 28, 29 светопровода 26 соответственно, три детектора 33, 34, 35 светового излучения и установленный на их выходах электронный блок 36 преобразования выходных сигналов детекторов в цифровые коды.
Блок 36 соединен с узлом 9 информационной шиной 12, состоящей из трех частей, служащих для передачи в узел 9 соответственно трех кодов компонентов (координат) измеренных векторов координат цвета излучения, и управляющей шиной 13, служащей для управления передачей информации из блока 36 в узел 9. Кроме того, блок 36 соединен с блоком 17 управляющей шиной 11, служащей для подачи сигналов управления преобразованием в блоке 36 из блока 17. Светопровод 26 также, как и светопровод 21 может быть выполнен, например, в виде жгута стекловолокон.
Блок 17 управления может быть выполнен, например, по схеме (см.фиг.3), содержащей управляемый генератор 37 импульсов сдвига и управления, трехразрядный двоичный регистр сдвига 38, управляющий вход которого соединен с выходом генератора 37, и установленные на выходах разрядов регистра сдвига 38 усилители 39, 40, 41, выходы которых соединены с источниками 14, 15, 16 (показаны на фиг.2) соответственно. Генератор 37 двунаправленной шиной 10 соединен с узлом 9, а шиной 11 - с блоком 36.
Блок 36 преобразования может быть выполнен, например, по схеме (см.фиг. 4), содержащей три канала преобразования, каждый из которых служит для получения кода одного компонента измеряемого вектора стандартных координат цвета и состоит из последовательно включенных входного усилителя 42 и аналого-цифрового преобразователя 43, информационные выходы которых соответствующими частями шины 12 соединены с узлом 9. Кроме того, аналого-цифровые преобразователи 43 соединены с узлом 9 двунаправленной управляющей шиной 13 и с блоком 17 узла 1 - управляющей шиной 11.
Оптическая измерительная головка 8 может быть выполнена различным образом и, например, также как в прототипе может содержать (см.фиг.5) оптическую систему 44, сопряженную со световодом 21 и направляющую излучение 3,4,5 на измеряемую поверхность 2, и оптическую систему 45, сопряженную со световодом 26 и собирающую излучение 7, рассеиваемое измеряемой поверхностью 2.
Узел 9 может быть выполнен в виде универсального или специализированного цифрового микрокомпьютера, снабженного, например, дисплеем с клавиатурой и при необходимости другими внешними устройствами.
Измеритель цвета используется в двух режимах работы: в режиме измерения матрицы цвета и в режиме измерения эталонных векторов координат цвета. Эти режимы задаются, например, с помощью органов ручного управления (в частности, клавиатуры дисплея) узла 9.
Предлагаемый измеритель цвета поверхности работает в этих режимах следующим образом.
В режиме измерения матрицы цвета поверхности узел 9 по шине 13 подготавливает блок 36 к работе, устанавливая аналого-цифровые преобразователи 43 в исходное состояние, и по шине 10 включает генератор 37 импульсов, который при помощи регистра сдвига 38 и одного из усилителей 39, 40, 41 включает очередной из источников 14,15,16 и по шинам 10, 11 посылает управляющие сигналы в узел 9 и блок 36 узла 6.
Включаемые источники 14, 15, 16 и соответствующие им фильтры 18,19,20 поочередно освещают измеряемую поверхность 2 с помощью световода 21 и измерительной головки 8 спектрально разными фиксированными излучениями 3,4,5. Для каждого из излучений 3,4,5 излучение 7, рассеянное измеряемой поверхностью 2, через измерительную головку 8, световод 26 и три приемных фильтра 30,31,32 подается одновременно на оптические входы детекторов 33,34,35, аналоговые сигналы с выходов которых поступают в блок 36 на входы усилителей 42.
Выходные сигналы усилителей 42 в аналого-цифровых преобразователях 43 преобразуются в цифровые коды измеряемых векторов, каждый из которых по соответствующей ему части шины 12 передается в узел 9. Управление передачей этих кодов из блока 36 в узел 9 осуществляется по шине 13. После того как в узел 9 будут переданы все три измеренных трехкомпонентных вектора стандартных координат цвета, в этом узле производится вычисление матрицы цвета из системы линейных уравнений (1) с учетом выражений (2), (3).
Для измерения эталонных векторов стандартных координат цвета измеряемую поверхность заменяют эталонной, т.е. "наводят" измерительную головку 8 на эталонную поверхность. Далее включают предлагаемый измеритель в режим измерения эталонных векторов. В этом режиме предлагаемый измеритель работает также как и в режиме измерения матрицы цвета, т.е. также как было описано выше, но вычисление матрицы цвета не производится.
Определение цвета с помощью калориметрической процедуры включает суждения человека-наблюдателя.
Классическая колориметрия вполне удовлетворительно дает формальное определение так называемым апертурным цветам, т.е. цветам излучений, или иначе говоря, параметризует апертурные цвета. С помощью колориметрической процедуры апертурный цвет определяется как трехкомпонентный вектор стандартных координат цвета. Апертурные цвета возникают при колориметрических условиях наблюдения, в которых, в частности, из поля зрения исключены признаки освещения. Например, колориметрическими условиями наблюдения являются "сцены" с одним цветным пятном малого углового размера и однородным черным фоном. В этом случае наблюдатель воспринимает это пятно как свет, идущий из отверстия (апертуры).
При попытке параметризовать аналогичным образом цвета окрашенных поверхностей возникает проблема невозможности идентифицировать все разнообразные оттенки с помощью колориметрической процедуры. Например, коричневый, хаки, и многие другие цвета поверхностей являются вполне реальными, хотя излучений с такими цветами в природе не бывает, что и приводит к тому, что такие цвета не наблюдаются в колориметрических условиях.
В неколориметрических условиях наблюдения, как известно, человек способен определять свойства источников освещения и учитывает их при определении цвета поверхностей объектов, что приводит к важному явлению, называемому константностью цветовосприятия и состоящему в слабой зависимости видимых цветов от условий освещения.
Дадим теперь определение понятию цвета поверхности. Для этого введем обозначения:
Н - обычное трехмерное колориметрические пространство, представляющее множество трехкомпонентных векторов h стандартных координат цвета;
S - линейное пространство освещения.
Пространство S является множеством линейных комбинаций некоторой совокупности спектральных распределений s1, s2,...,sn энергий, каждое из которых характеризует один из n фиксированных источников света. Таким образом, элемент s в пространстве S (s'∈ S) является линейной комбинацией (суммой):
s = a1s1 + a2s2+...+ansn, где ai (i = 1,2,...,n) - некоторые коэффициенты. В частности, элементом s пространства S может быть одно из спектральных распределений si (при ai = 1 и остальных коэффициентах, равных нулю).
Выделим некоторый малый однородно окрашенный кусочек (элемент) α поверхности объекта сцены и закроем от наблюдателя всю остальную сцену черной ширмой, создав, таким образом, колориметрические условия наблюдения. Измерим затем колориметрические характеристики излучения, рассеянного элементом α сцены, получив при этом некоторый трехкомпонентный вектор h пространства Н. Описанная процедура определяет линейную функцию (отображение), которую также обозначим символом α :
α : S H.
Возьмем теперь аналогичный кусочек (элемент) β поверхности другой окраски и аналогичной процедурой определим для него функцию (отображение)
β : S H.
Если ядро отображения α содержится в ядре отображения β , то есть, если
ker α ≅ ker β , то, существует матрица С такая, что:
C ˙ α (s) = β (s) при s ∈ S. где α (s), β (s) - значения функций α и β для некоторого s ∈ S. Последнюю формулу можно изобразить такой диаграммой:
При определенных ограничениях на пространство S освещения, которые выполняются в реальных сценах и будут пояснены позже, можно выбрать такой элемент α сцены (далее "белый"), чтобы введенная матрица С существовала для любого произвольно окрашенного элемента β сцены. Эту матрицу называем цветом поверхности. Матрица С цвета белого элемента сцены (белой поверхности) является единичной, а черной поверхности соответствует нулевая матрица цвета.
Покажем теперь, что введенная выше матрица цвета поверхности может быть использована для параметризации константного цвета поверхности. Для этого требуется показать, что, с одной стороны, неразличимые человеком цвета поверхностей соответствуют всегда одной и той же матрице цвета, а, с другой стороны, если мы имеем две поверхности с одинаковыми матрицами цвета, то и для человека эти поверхности выглядят совершенно одинаковыми по цвету. Перейдем к доказательству этих утверждений.
Предположим, что наблюдателю представлены сцены, которые обеспечивают константное цветовосприятие, а пространство S порождено линейными комбинациями некоторых спектральных распределений s1, s2, s3энергий трех удаленных от поверхностей сцены точечных источников света. Будем полагать также, что рефлексы (т. е. подсветка участков сцены отраженным от поверхностей сцены светом) отсутствуют или пренебрежимо малы.
Если теперь в такой сцене присутствуют две поверхности с одинаковыми матрицами С цвета и одинаковой формой, то замена одной из них на другую не может быть замечена человеком. Действительно, от каждых двух соответствующих точек обеих поверхностей будут идти в глаза наблюдателя рассеянные световые потоки с одинаковыми колориметрическими характеристиками при любом освещении из S, так как эти характеристики определяются формулой h = C ˙ α о(s) для обеих рассматриваемых поверхностей. (Здесь h - трехкомпонентный вектор координат цвета, α о- белый элемент и соответствующая ему функция). Это означает, что поверхности с одинаковыми матрицами цвета человек не различает.
Убедимся в справедливости обратного утверждения: если наблюдатель различает поверхности по цвету, то их матрицы цвета различны. Возьмем какие-либо две одинаковые по форме поверхности в нашей сцене, которые наблюдатель различает по цвету. Замена одной из этих поверхностей в сцене на другую будет замечена наблюдателем, что может произойти лишь при условии наличия участка, из которого при такой замене будут исходить излучения, различные по колориметрическим характеристикам h1≠h2. Но по определению матрицы цвета h1 = C1αo (s) и h2 = C2 αo (s). Следовательно, C1 ≠C2, что и требовалось доказать.
Поскольку всякие изменения, замечаемые наблюдателем при таких замещениях в наших сценах будут интерпретированы как различия в цвете поверхностей (не отличимых по форме), сохраняющиеся при изменениях освещения в силу предположеннoй константности цветовосприятия, то приходим к выводу, что введенные матрицы цвета вполне эквивалентным образом представляют воспринимаемые в указанных условиях цвета объектов и дают исчерпывающую параметризацию многообразия цветов поверхностей.
Покажем теперь, что предлагаемый способ измерения цвета поверхности дает введенную здесь матрицу цвета, Прежде всего от реального наблюдателя, участвовавшего в колориметрической процедуре, необходимо перейти к так называемому идеальному наблюдателю, которого можно заменить на эквивалентное ему техническое измерительное средство. Пусть получены векторы:
h1o = α o (s1),
h2o = α o(s2),
h3o = α o(s3). Это три трехкомпонентных вектора координат цвета излучений, рассеянных от некоторого участка α о белой поверхности, при освещении его последовательно тремя указанными выше источниками. Аналогично для измеряемого участка β поверхности возьмем три трехкомпонентных вектора колориметрических характеристик
h1 = β(s1),
h2 = β(s2),
h3 = β(s3).
Матрица С цвета определяется выражением β(s) = C˙αo (s), из которого получим систему уравнений:
h1 = C ˙hio, (i= 1,2,3). Эта система уравнений совпадает с системой уравнений описанного способа измерения цвета поверхности, что и доказывает, что этот способ реализует измерение матрицы цвета, введенной определением, при условии невырожденности матрицы, составленной из столбцов h1o, h2o, h3o.Последнее условие составляет ограничения на выбор пространства S освещения, при которых цвет поверхности может быть корректно определен. Матрица цвета поверхности содержит девять независимых компонентов, а известные способы измерения цвета поверхности определяют цвет как величину, содержащую только три независимых компонента (трехкомпонентный вектор), и, следовательно, не дают возможности однозначно идентифицировать цвета поверхностей.
П р и м е р. Описанным способом были измерены цвета трех различных образцов (коричневого, пурпурного и темно-синего), спектральные кривые отражения которых показаны на фиг.6. Полученные матрицы цвета этих образцов таковы:
C1= 
6 
8
, C2= 
, C3= 
Сущность изобретения: измеряемую поверхность освещают тремя фиксированными и спектрально различными между собой излучениями света, и для каждого из этих излучений измеряют трехкомпонентный вектор координат цвета излучений, рассеянных измеряемой поверхностью, после чего вычисляют компоненты матрицы цвета из системы приведенных линейных уравнений. Измеритель цвета поверхности содержит узел освещения измеряемой поверхности, обеспечивающий создание трех фиксированных и спектрально различных излучений света, узел измерения трех трехкомпонентных векторов координат цвета излучений, рассеянных измеряемой поверхностью, и узел вычисления матрицы цвета. 2 с.п. ф-лы 6 ил.
C˙hio = hi , i = 1,2,3,
где hio - i-й эталонный вектор цвета.
| Заявка ФРГ N 3244286, кл | |||
| Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
