СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЦВЕТА Российский патент 2007 года по МПК G01J3/46 

Предлагаемое изобретение относится к области измерения цвета и в частности к колориметрии лакокрасочных материалов.

С помощью визуальных колориметров измерение цвета производят способом зрительного уравнивания цвета двух полей: поля образца измеряемого цвета и поля сравнения переменного цвета. Изменяя цвет поля сравнения, добиваются его неотличимости от цвета поля образца.

В практической работе колориста лакокрасочных слоев значительное время занимает решение задачи подбора рецептуры краски по представленному образцу со слоем краски Лакокрасочное покрытие состоит из прозрачного пленкообразующего вещества, к которому примешиваются те или иные нерастворимые цветные пигменты в мелкодисперсном состоянии. Задача колориста состоит в определении весового соотношения пигментов в составе краски, от которого зависит ее цвет.

Известно несколько способов определения требуемого соотношения. Самое широкое распространение в настоящее время, как наиболее дешевый, получил способ карточек цвета. В этом случае в распоряжении колориста имеется набор карточек цвета с соответствующим рецептурным составом пигментов. Колорист, сравнивая карточки цвета с образцом краски, находит карточку, ближайшую по цвету к образцу. Далее он интуитивно методом проб и ошибок, изменяя выбранный пигментный состав, подбирает оптимальную рецептуру краски, наиболее близкую по цвету к представленному образцу.

В зависимости от квалификации и опыта колориста этот метод требует довольно значительного расхода материалов и рабочего времени на несколько выкрасок. Предлагаемый способ позволит сократить расходы как первого, так и второго.

Известны различные системы колориметров для цветовых измерений способом уравнивания цвета двух полей [1].

Наиболее близким по сути к предлагаемому способу измерения цвета является способ, реализованный в визуальном аддитивном трехцветном колориметре Демкиной, описанный в книге [2].

Оператор, производящий измерение на колориметре Демкиной, видит через окуляр ОК два поля: Л и Э фотометрического кубика ФК. Поле образца цвета Л освещено светом источника И, идущего от образца цвета ОБ. Поле сравнения Э освещается светом источника А, отраженным от экрана ЭК, цвет которого можно изменять, пользуясь диафрагмой Д. Диафрагма Д, установленная между источником А и экраном ЭК, представляет из себя три сектора, закрытых тремя фильтрами: красным К, зеленым 3 и синим С. Каждый фильтр в той или иной степени перекрывается заслонками, которые можно поворачивать независимо друг от друга. В зависимости от соотношения открытых площадей трех фильтров экран Э прибора дает тот или иной цвет Ц_э. Изменение общей площади открытых частей светофильтров без изменения соотношения между ними изменяет яркость экрана, не меняя его цветности.

Поскольку цвет образца Л может лежать вне области охвата треугольника цветов КЗС, то уравнять поля Л и Э кубика ФК можно только разбавив цвет образца. Разбавление производят либо белым, либо цветным светом. Процесс разбавления Ц_об осуществляется с помощью зеркал З₁, З₂, З₃ и дополнительного, например красного, фильтра.

Измерение цвета образца сводится к тому, чтобы, сдвигая заслонки на фильтрах КЗС, найти такое их положение, при котором поля Л и Э кубика ФК не отличались бы друг от друга. Если при этом площади секторов равны соответственно: красного светофильтра - к', зеленого - з' и синего с', то можно считать, что цвет образца измерен и равен вектору в системе КЗС:

Ц=к'К+з'З+с'С.

Но определив основные цвета КЗС колориметра в системе КЗС, можно перейти в систему RGB и затем в наиболее распространенную систему XYZ. Переход осуществляется достаточно просто пересчетом координат цвета к',з',с' в координаты цвета r',g',b' и далее в координаты цвета x',у',z'.

Известно, что концы всех векторов цвета Ц задают в пространстве совокупность точек цветов, называемую цветовым пространством. Для удобства работы с цветом вводится понятие плоскости единичных цветов в цветовом пространстве - плоскости цветности.

Отражающие свет несамосветящиеся предметы характеризуются коэффициентом яркости, максимальное значение которого для идеального белого тела равно единице. Для всех реальных несамосветящихся тел цветовое пространство ограничено цветовым телом, включающим все цвета с коэффициентом яркости не большим единицы.

Сечение цветового тела плоскостью принятых в данной системе единичных цветов образует языкообразную область цветности.

На фиг.1 изображена проекция плоскости цветности на плоскость х,у в системе XYZ. Область реальных цветов ограничена кривой спектральных цветов и прямой пурпурных цветов. Любой цвет в системе XYZ может быть представлен точкой цветности (х,у) в месте пересечения вектором данного цвета Ц плоскости единичных цветов и значением коэффициента яркости Y. Точкам (R), (G), (B) соответствуют основные реальные цвета, выбранные в используемой измерительной системе цвета.

В предлагаемом способе измерения цвета поле сравнения переменного цвета образуют из двух светящихся областей триад экрана трехцветного RGB монитора персонального компьютера, одну из которых располагают рядом с полем образца измеряемого цвета, а вторую, служащую переменным полем разбавления цвета образца измеряемого цвета, располагают непосредственно под полем образца измеряемого цвета, причем поля образца измеряемого цвета и разбавления его цвета оптически объединяют на оси наблюдения с помощью отражающего зеркала, устанавливаемого параллельно полупрозрачному зеркалу, а необходимость и цвет разбавления фиксируют по отсутствующему излучению одного из основных RGB цветов в поле сравнения.

На фиг.2 изображена схема компьютерного визуального колориметра. Он содержит поле образца 1, установленного на RGB экране 2 монитора персонального компьютера 3 рядом со светящимся полем сравнения 4 переменного цвета экрана RGB монитора. Поле образца 1 освещается источником света 5 с помощью полупрозрачного зеркала 6, установленного под углом 45° к горизонтальной оси наблюдения оператора 7. Для устранения посторонних засветок поля 1 и 4 ограничены черной диафрагмой 8. Непосредственно под полем образца 1 расположена вторая светящаяся область экрана 2 монитора, служащая переменным полем 9 разбавления цвета образца 1. Поля 1 и 9 оптически объединены на оси оператора 7 с помощью отражающего зеркала 10, установленного параллельно полупрозрачному зеркалу 6.

Оператор, производящий измерение на колориметре, видит через прямоугольные отверстия в диафрагме 8 поля сравнения 1 и 4. Поле образца 1 освещается галогенной лампой накаливания с распределением спектральной плотности мощности, соответствующем определенной цветовой температуре источника света. Например, довольно широкое распространение получил источник света D₅₀. Коррелированная цветовая температура источника света D₅₀ приблизительно равна Т_ц=5000К. Иными словами цвет источника света D₅₀ практически совпадает с цветом излучения Абсолютно Черного Тела (АЧТ) при температуре 5000К и воспроизводит освещение усредненным солнечным светом. Лучи света источника 5 отражаются от полупрозрачного зеркала 6 и падают на образец 1. Образец 1 селективно поглощает и рассеивает свет источника 5, изменяя его цвет. Оператор 7 в поле 1 видит цвет источника 5, измененный образцом 1.

Цвет поля 4 экрана 2 монитора персонального компьютера можно программно изменять (например, в программе Adobe Photoshop), выбирая определенное соотношение яркостей свечения B_R, В_G, В_В элементов пикселов. Максимальное значение колориметрической яркости каждого элемента пиксела соответствует уровню свечения в 256 условных единиц яркости. Едва заметное изменение яркости происходит при смене уровня на одну единицу.

Измерение сводится к тому, чтобы, изменяя число единиц колориметрической яркости N_R, N_G, N_B элементов пикселов, найти их такое цифровое значение, при котором поля 1 и 4 не отличались бы по цвету. При равновесии цвет образца считается измеренным в системе RGB монитора персонального компьютера:

Ц_RGB=N_RR+N_GG+N_BB.

Если известны координаты цвета Ц_RGB в системе RGB монитора - N_R, N_G, N_B, то его координаты N_X, N_Y, N_Z в системе XYZ можно получить по известным формулам [2] пересчета и записать цвет образца:

Ц_XYZ=N_XX+N_YY+N_ZZ.

Данный колориметр предназначен для измерения цвета несамосветящихся объектов. У них собственно нет определенного цвета. Такой объект характеризуется спектральным коэффициентом отражения и его цвет проявится только после освещения светом источника определенного спектрального состава. Поэтому в системе XYZ принята система нормировки координат цвета. Вся яркость в системе XYZ характеризуется координатой Y и для идеально белой диффузной поверхности принимается, что Y=1. У любого цветного объекта Y меньше единицы.

Далее можно перейти к координатам цветности (х,у) фиг.1, вычислив значения N_Х, N_Y, N_Z и разделив их на модуль цвета m=N_X+N_Y+N_Z. Таким образом, цвет объекта будет полностью характеризоваться тройкой чисел - (x,у,z).

Для некоторых цветов координаты цветности (х,у) находятся вне зоны цветового охвата (R), (G), (B) треугольника, как это изображено на фиг.1. Образец 1 может иметь цвет, след которого на плоскости цветности (х,у) изображен точкой Ц в области зеленых цветов. Цвет Ц лежит вне площади охвата треугольника (R), (G), (B) люминофоров RGB монитора. Видно, что цвет Ц лежит ближе к линии спектрально-чистых цветов, чем цвета внутри (R), (G), (B) треугольника, т.е. чистота цвета Ц больше той, которую можно получить смешением (R), (G), (B) излучений люминофоров монитора в любом их соотношении. Уравнять цвета в поле образца 1 и в поле сравнения 4 экрана 2 монитора можно только, уменьшив чистоту цвета поля образца 1, т.е. разбавив его цвет.

Эта операция производится при включении поля разбавления 9 цвета образца 1. Процесс разбавления осуществляется с помощью отражающего зеркала 10 и полупрозрачного зеркала 6. Цвет для разбавления должен находиться на одной из трех прямых [Ц;(R)], [Ц;(G)], [Ц;(В)], пересекающей площадь треугольника (R),(G),(B). В данном случае таким цветом является красный (R). Доля красного должна быть достаточна, чтобы точка Ц переместилась до границы [(G), (B)] треугольника (R),(G),(B). Эта доля вычитается из доли зеленого и синего, введенного в поле сравнения цвета 4 и, поэтому число N_R оказывается отрицательным, что неизбежно в любой реальной системе цветов и свидетельствует об отсутствии красного цвета в поле сравнения цвета 4.

В итоге цветовое уравнение для такого цвета приобретает следующий вид:

Ц_RGB=-N_RR+N_GG+N_BВ.

Подобная ситуация может возникнуть также для областей желтых и пурпурных цветов. В этом случае отрицательные значения могут принять числа N_B или N_G соответственно.

Может оказаться, что яркость образца 1 мала. Тогда для увеличения яркости образца 1 придвигают источник света 5 к полупрозрачному зеркалу 6. Если, наоборот, яркость образца 1 слишком велика, источник света отодвигают.

Регулировка цвета сравниваемых полей - поля образца 1 и поля сравнения 4 происходит при запуске программы персонального компьютера 3 (например, в программе Adobe Photoshop) с клавиатуры, причем фиксация результата смены и сравнения цветов происходит в поле индикации 11 монитора 2.

Когда в поле 1 устанавливается образец краски с включенными в него металлическими частицами (краска-металлик) в программе Adobe Photoshop используется режим наложения пикселов - режим Dissolve. В этом режиме в поле сравнения 4 происходит замена основного исходного цвета на вносимый для отдельных пикселов. При этом эти пикселы располагаются случайно с определенной плотностью по площади и с учетом их прозрачности. Данный режим позволяет моделировать эффект краски-металлик путем того, что поле сравнения 4 среди RGB триад основного цвета содержит случайно расположенные отдельные триады дополнительного, например белого, цвета.

Инструментально измеренная величина цвета Ц образца 1 в виде набора трех чисел: цветности (х,у) и яркости (Y) служит ориентиром для дальнейшего расчета пигментной композиции подбираемой краски. Поскольку решение такой задачи не имеет единственного однозначного решения в принципе, то разумно построить алгоритм перебора возможных решений при непосредственном участии в нем колориста. Это упростит и удешевит расчет.

Таким образом, решение поставленной задачи состоит из двух частей:

первая - подбор используемых пигментов по заданному алгоритму;

вторая - расчет весового соотношения в составе подбираемой пигментной композиции с цветностью (х,у) и яркостью (Y) равными образцу.

В основе итерационного алгоритма последовательного подбора пигментной композиции лежат следующие свойства точек цветности графика МКО:

1. Точка цветности смеси двух пигментов лежит в первом приближении на прямой, соединяющей точки цветности двух пигментов или композиций. В действительности эти линии в большей или меньшей степени искривлены, но алгоритм позволяет скомпенсировать этот эффект.

2. Яркость смеси двух пигментов всегда меньше наиболее яркого.

3. Насыщенность смеси двух цветных пигментов всегда не меньше меньшей.

4. Насыщенность разбела смеси всегда меньше, чем исходного пигмента.

Один вариант подбора связан с представлением на (х,у) диаграмме точек цветности, применяемых колористом пигментов Ц₁, Ц₂, Ц₃, Ц₄, Ц₅...Ц_n, одновременно с коэффициентами их яркости (Y).

Прежде всего, колорист подбирает подходящий, наиболее близкий, рецепт краски, сравнивая карточку ее цвета с цветом представленного образца. Затем с помощью компьютерного визуального колориметра определяются положения точек цветности с коэффициентами их яркости:

а) выкраски по рецепту Ц_р;

б) представленного образца Ц_p.

Далее составляется карта точек цветности пигментов из рецепта, например: Ц₁, Ц₂, Ц₃, Ц₄, Ц₅, а также точек цветности выкраски по рецепту Ц_р и представленного образца Ц₀ (см. фиг.3).

Теперь, соединив каждую точку цветности пигментов из рецепта Ц₁, Ц₂, Ц₃, Ц₄, Ц₅ с оставшимися, получим систему лучевых отрезков:

Ц₁, Ц₂; Ц₁, Ц₃; Ц₁, Ц₄; Ц₁, Ц₅;

Ц₂, Ц₃; Ц₂, Ц₄; Ц₂, Ц₅;

Ц₃, Ц₄; Ц₃,_Ц5;

Ц₄, Ц₅.

В действительности эти лучевые отрезки искривлены в большей или меньшей степени, но для простоты пренебрежем этим.

Если точка цветности Ц₀ расположена внутри многоугольника цветностей (Ц₁; Ц₂; Ц₃; Ц₄; Ц₅), то рецепт подобран удачно. В противном случае подбор рецепта продолжается до выполнения этого условия.

Теперь, проведя прямую линию через точки Ц₀ и Ц_р, найдем точки ее пересечения Ц_п1; Ц_п2; Ц_п3, с соответствующими лучевыми отрезками такие, что отрезки (Ц_р; Ц_п(N=1,2,3)) включают точку Ц₀.

Наконец, найдем наименьшую сумму пар отрезков с общими точками: отрезки (Ц₀; Ц_п(N=1,2,3)) плюс соответствующие лучевые отрезки (Ц₃,Ц₄); Ц₂,Ц₄); (Ц₃,Ц₅). Пусть наименьшая сумма окажется у пары (Ц₀; Ц_п3) плюс (Ц₃,Ц₅) и для корректировки рецепта выберем пигменты с точками цветности Ц₃ и Ц₅.

Корректировку рецепта будем производить путем увеличения масс пигментов М₃ и М₅ в виде добавок, так как нам необходимо попасть из точки Ц_р в точку Ц₀, двигаясь по отрезку (Ц_р; Ц_п3) в направлении точки Ц_п3.

Когда подобрать подходящий рецепт не удается, можно попытаться применить алгоритм подбора с триадой цветных пигментов.

Работа по подбору рецепта начинается с измерения цветности и коэффициента яркости представленного образца краски Ц₀. При этом в арсенале колориста обязательно должен быть образец эталонного белого цвета с известным коэффициентом яркости. Этот эталонный образец служит для определения точки цветности белого образца Ц_б с данным источником света (см. фиг.4).

Далее, соединив точки Ц₀ и Ц_б, получим прямую линию разбела Ц₀Ц_б.

Затем колорист находит точки цветности двух пигментов Ц₁ и Ц₂, которые удовлетворяют следующим условиям:

а) точки пигментов Ц₁ и Ц₂ должны лежать по разные стороны прямой разбела Ц₀Ц_б;

б) точка U₁₂ пересечения линии пигментов Ц₁Ц₂ с линией разбела Ц₀Ц_б должна лежать вне отрезка (Ц₀Ц_б);

в) насыщенность цвета точки Ц₁₂ должна быть больше, чем у точки Ц₀, т.е. точка Ц₁₂ должна быть дальше от центра (х,у) диаграммы, чем точка Ц₀;

г) если есть альтернативные варианты точкам Ц₁ и Ц₂, например точка Ц₃, то выбирается пара точек по минимуму суммы отрезков (Ц₁;Ц₂)+(Ц₁₂;Ц₀) и (Ц₁;Ц₃)+(Ц₁₃;Ц₀)

Пусть этим условиям удовлетворяют точки Ц₁ и Ц₂.

Найдем теперь отношение масс пигментов M₁ и М₂ из обратной пропорции отрезков:

M₁/М₂=(Ц₂;Ц₁₂)/(Ц₁;Ц₁₂), причем M₁+М₂=M₁₂.

Проведем разбел смеси M₁+М₂, двигаясь по линии от точки Ц₁₂ к точке Ц₀. Для этого найдем отношение масс смеси M₁₂ и белого пигмента М_б из обратной пропорции:

M₁₂/М_б=(Ц₀;Ц_б)/(Ц₀;Ц₁₂), причем M₁+М₂+M_б=M_12б.

Теперь составим рецепт смеси M₁+М₂+М_б, сделаем его выкраску и экспериментально найдем с помощью компьютерного визуального колориметра точку его цветность Ц_12б.

Пусть требуется дополнительная колеровка смеси M₁+М₂+М_б. Находим точку Ц₃ подходящего третьего цветного пигмента и проводим вышеперечисленные действия относительно точки Ц_12б3. Составляем рецепт смеси M₁+М₂+М_б+М₃, делаем выкраску и определяем допустима ли разница цветов Ц_12б3 и Ц₀. При необходимости зачерняем смесь.

Итерационные алгоритмы с помощью компьютерного визуального колориметра позволяют исключить из рассмотрения заведомо тупиковые направления поиска рецепта, существенно уменьшив число пигментных проб. Дальнейший перебор возможных решений зависит от качества расчета концентрации состава подбираемой пигментной композиции. Не вдаваясь в подробности такого расчета, скажем только о возможных его вариантах.

Один из возможных способов расчета весового соотношения пигментов состоит в том, что отношение масс двух пигментов M₁ и М₂ можно приблизительно оценить для некоторой точки Ц₁₂ внутри отрезка Ц₁Ц₂ из обратной пропорции отрезков: M₁/M₂=(Ц₂;Ц₁₂)/(Ц₁;Ц₁₂).

Другой более точный способ предполагает, исходя из модели Гуревича-Кубелки-Мунка (Г-К-М), использовать известную из литературы формулу для расчета спектрального отражения света пигментной композиции, полученную из решения системы дифференциальных уравнений для прямого и обратного потоков света в слое краски.

Предлагаемый способ измерения цвета и компьютерный визуальный колориметр на его основе значительно упрощают работу колориста при подборе рецептурного состава краски.

Прежде всего упрощение работы связано с тем, что смена цветов сравниваемых полей может производиться достаточно плавно с 256 градациями соответствующего интерфейса пользователя, причем тут же происходит фиксация результата сравнения в поле индикации. Кроме того, в поле индикации выдаются и результаты расчетов пигментного состава смеси краски. Задача колориста состоит в сравнении двух наборов из трех чисел: цветности (х,у) и яркости (Y) и минимизации соответствующих разниц. Это позволяет, исключая несколько промежуточных выкрасок, существенно уменьшить число необходимых проб.

Литература

1. Д.Джадд, Г.Вышецки. Цвет в науке и технике: Пер. с англ., М.: Мир, 1978.

2. А.В.Луизов. Свет и цвет. Л.: Энергоатомиздат, 1989.

Изобретение относится к области измерения цвета, в частности к колориметрии лакокрасочных материалов. Поле образца измеряемого цвета располагают на RGB экране монитора персонального компьютера рядом со светящимся полем сравнения переменного цвета экрана RGB монитора и освещают подвижным источником белого света с помощью полупрозрачного зеркала, установленного под углом 45° к горизонтальной оси наблюдения оператора. Непосредственно под полем образца расположена вторая светящаяся область экрана монитора, служащая переменным полем разбавления цвета образца. Поле образца и поле разбавления его цвета оптически объединены на оси оператора с помощью отражающего зеркала, установленного параллельно полупрозрачному зеркалу. Цвета поля сравнения и поля разбавления цвета образца можно программно изменять (например, в программе Adobe Photoshop), выбирая определенное соотношение яркостей свечения В_r, В_G, В_B элементов пикселов монитора. Измерение сводится к тому, чтобы, изменяя число единиц колориметрической яркости N_r, N_G, N_b элементов пикселов, найти их такое цифровое значение, при котором поля образца и сравнения не отличались бы по цвету. Для некоторых цветов координаты цветности (х,у) находятся вне зоны цветового охвата (R), (G), (B) треугольника и уравнять поля образца и сравнения можно только уменьшив чистоту цвета поля образца, т.е. разбавив его цвет одним из RGB излучений. Процесс разбавления осуществляется с помощью отражающего и полупрозрачного зеркал. При этом одно из чисел N_r, N_G, N_b в уравнении цвета для соответствующей точки на одной из границ (R), (G), (B) треугольника оказывается отрицательным, что свидетельствует об отсутствии одного из RGB излучений в поле сравнения. Таким образом, по отсутствующему излучению одного из RGB цветов в поле сравнения фиксируется необходимость включения одного из RGB цветов в поле разбавления. Техническим результатом является упрощение процесса подбора рецептурного состава краски. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения цвета, включающий уравнивание цветов двух полей - поля сравнения переменного цвета и поля образца измеряемого цвета, которое освещают подвижным источником белого света через полупрозрачное зеркало, установленное под углом 45° к горизонтальной оси наблюдения поля образца измеряемого цвета, путем изменения суммарной яркости поля сравнения переменного цвета от излучений монохроматических источников света в системе триад основных RGB цветов и, при необходимости, путем разбавления цвета поля образца одним из излучений основных RGB цветов, отличающийся тем, что поле сравнения переменного цвета образуют из двух светящихся областей триад экрана трехцветного RGB монитора персонального компьютера, одну из которых располагают рядом с полем образца измеряемого цвета, а вторую, служащую переменным полем разбавления цвета образца измеряемого цвета, располагают непосредственно под полем образца измеряемого цвета, причем поля образца измеряемого цвета и разбавления его цвета оптически объединяют на оси наблюдения с помощью отражающего зеркала, устанавливаемого параллельно полупрозрачному зеркалу, а необходимость и цвет разбавления фиксируют по отсутствующему излучению одного из основных RGB цветов в поле сравнения.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поле сравнения среди RGB триад основного цвета содержит случайно расположенные отдельные триады дополнительного, например белого, цвета.