ГОНИОКОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЦВЕТА ГЛЯНЦЕВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Российский патент 2009 года по МПК G01J3/46 

Изобретение относится к области измерения цвета глянцевых поверхностей, в частности к колориметрии лакокрасочных материалов, включающих в свой пигментный состав мелкие металлические частицы.

Кроме цвета глянцевые поверхности характеризуются угловой зависимостью яркости отраженного света. Существуют три основных типа отражения света от поверхностей предметов, изображенные на гониофотометрических графиках фиг.1: зеркальное, диффузное и смешанное или глянцевое. От зеркальной поверхности предмета 1 весь свет направленно отражается под углом отражения (прямые со стрелками), тогда как от шероховатой поверхности предмета 1 он равномерно (диффузно в виде идеального полукруга) рассеивается по всем углам. Глянцевые поверхности характеризуются смешанным диффузно направленным отражением света, с повышенной яркостью для углов, близких к углам отражения.

В настоящее время в работе колориста лакокрасочных слоев все более значительный объем занимает решение задачи подбора рецептур красок «металликов», включающих в свой пигментный состав мелкие металлические частицы размером 20-70 мкм. Отличительной особенностью «металликов» является зависимость цвета такой краски от углов зрения наблюдения или освещения окрашенной поверхности. Например, автомобиль, окрашенный краской «металлик», может ярко светиться в некоторой точке наблюдения и затем постепенно темнеть при повороте. Это связано с тем, что мелкие металлические частицы отражают часть падающего света как зеркала, создавая эффект глянца. В зависимости от преимущественной ориентации таких частиц в прозрачной основе краски значительная часть отраженного света может либо попасть в глаз наблюдателя, либо пройти в основном мимо него. Направление этой преимущественной ориентации существенно зависит от технологии нанесения краски. При быстром высыхании металлические частицы в виде дисков в основном располагаются параллельно слою краски, а при медленном - под более или менее большими углами. Поэтому колористу важно знать зависимость яркости красочного слоя при различных углах освещения, чтобы подобрать размер металлических частиц и технологические режимы нанесения краски.

С целью унификации были выбраны три типичных угла освещения образца краски относительно нормали его наблюдения: 10°, 40°, 80°. При преимущественно параллельном слою краски расположении металлических частиц для малых углов их поворота (до 5°) наиболее яркой краска будет выглядеть при угле освещения 10°, для средних углов поворота (до 20°) - при угле освещения 40°, а для больших (до 40°) - при угле освещения 80°.

Известен спектрогониофотометрический способ измерения цвета по спектральному апертурному коэффициенту отражения света [1]. Разработанные на его основе спектрогониофотометры используются для измерения цвета образцов красок с блеском, например прибор фирмы X-Rite МА90.

Наиболее близким по сути к предлагаемому гониоколориметрическому способу измерения цвета является «Способ измерения цвета» по патенту №RU 2297604 С1 от 09.11.2005 г [2].

Компьютерный визуальный колориметр по этому патенту содержит поле образца О, установленное на RGB экране Э монитора персонального компьютера рядом с его светящимся полем М. Поле образца О освещено источником белого света И, отражаемого полупрозрачным зеркалом ЗП нормально на образец О. Оператор наблюдает одновременно двумя глазами поля О и М через непрозрачную диафрагму Д с двумя отверстиями. Цвет поля М можно программно изменять, выбирая определенное соотношение яркостей свечения B_R, B_G, В_в элементов пикселов монитора. Таким образом оператор уравнивает цвета пространственно разделенных полей образца О и монитора М. Яркость поля образца О оператор может изменять, меняя расстояние от источника света И до полупрозрачного зеркала ЗП. Измерение сводится к тому, чтобы изменяя число единиц колориметрической яркости N_R, N_G, N_B элементов пикселов поля М экрана монитора Э найти такое их цифровое значение, при котором поля О и М не отличались бы по цвету. При равновесии цвет образца О считается измеренным в системе RGB монитора персонального компьютера. Поскольку цвет образца О может лежать вне области охвата треугольника цветов RGB монитора, то уравнять цвета полей О и М можно только разбавив цвет образца О. Разбавление цвета образца О производится с помощью дополнительного отражающего зеркала ЗО, устанавливаемого параллельно под зеркалом ЗП. Эта система зеркал вводит в световой поток от образца О дополнительный поток или красного, или зеленого, или синего света от поля разбавления цвета Р. Поле Р формируется на экране Э монитора под полем образца О путем программного выбора яркости свечения или красных, или зеленых, или синих пикселей. В итоге одно из чисел или N_R, или N_G, или N_B оказывается отрицательным.

Набор чисел N_R, N_G, N_B однозначно характеризует цвет образца О в системе RGB монитора персонального компьютера и может быть пересчитан в требуемую расчетную систему, например XYZ. В системе XYZ любой цвет представляется точкой цветности на плоскости (х, у) и значением коэффициента яркости Y и записывается в виде тройки чисел (x, y, Y).

По известному способу можно измерить только одно значение Y для случая освещения образца О нормально падающим светом (угол освещения относительно нормали к образцу равен нулю). Широкий выбор углов освещения здесь невозможен. Кроме того, пространственное разнесение полей О и М затрудняет сравнивание цветов.

В предлагаемом способе поле разбавления цвета образца обрамляют на RGB экране монитора персонального компьютера полем переменного цвета и совместно оптически объединяют их на единой оси наблюдения с полем образца измеряемого цвета, располагаемого вне экрана RGB монитора для гониоколориметрических измерений цвета образца путем его последовательного освещения с различных угловых ракурсов светом белого светодиода.

Гониоколориметр, реализующий данный способ, содержит источник белого света, поле сравнения переменного цвета, состоящее из двух областей триад экрана трехцветного RGB монитора персонального компьютера: области поля переменного цвета и области поля разбавления цвета образца, оптически объединенной с полем образца цвета системой параллельных: отражающего и полупрозрачного зеркал, установленных под углом 45° к оси наблюдения так, что поле разбавления цвета образца обрамлено полем переменного цвета, а поле образца установлено вне экрана RGB монитора на единой оси наблюдения поля сравнения через оптическую систему зрительной трубки и полупрозрачного зеркала, причем ось источника света в виде белого светодиода установлена под углом ракурса освещения образца цвета.

На фиг.2 изображена схема гониоколориметра. Он содержит поле образца 1, установленное рядом с экраном 2 RGB монитора персонального компьютера 3. На экране 2 RGB монитора формируют квадратное поле 9 разбавления цвета образца 1, равное полю образца 1. Поле разбавления цвета 9 образца обрамляют на экране 2 RGB монитора квадратным полем 4 переменного цвета и совместно оптически переносят их на ось глаза оператора 7 с помощью системы отражающего 10 и полупрозрачного 6 зеркал. Центр поля образца 1 устанавливают на оси глаза оператора 7 так, что его изображение, видимое в зрительную трубку 8 через полупрозрачное зеркало 6, совпадает с изображением поля разбавления 9 цвета. Одновременно оператор 7 наблюдает через зрительную трубку 8 и поле переменного цвета 4, обрамляющего сумму полей 1 и 9. В вертикальной (или горизонтальной) плоскости оператора 7 устанавливают один или несколько (например, три) белых светодиода 5 на равных расстояниях от поля образца 1 и освещающих его под различными угловыми ракурсами, например 10°, 40°, 80°. Наблюдение совмещенных полей 1, 4 и 9 ведется через зрительную трубку 8 при условии равенства оптических расстояний наблюдения от глаза оператора 7 до образца 1 и до экрана 2 RGB монитора. Для фокусировки совмещенного изображения полей 1, 4 и 9 сначала наводят трубку 8 на резкость изображения поля сравнения, состоящего из полей 4 и 9, а затем, перемещая образец вдоль оси наблюдения, на резкость изображения поля образца 1.

Оператор 7, производящий измерение на гониоколориметре, видит через зрительную трубку 8 поле сравнения в виде освещенного квадратного цветового поля образца 1, совмещенного со светящимся полем разбавления цвета 9 и обрамленного светящимся полем переменного цвета 4. Поле образца 1 освещается под выбранным ракурсом, например 10°, белым светодиодом 5 с распределением спектральной плотности мощности близким по цветовой температуре к солнечному свету. Образец 1 селективно поглощает свет белого светодиода 5, изменяя его цвет.

Цвет поля 4 экрана 2 монитора персонального компьютера можно программно изменять (например, в программе Adobe Photoshop), выбирая определенное соотношение яркостей свечения B_R, B_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_B В.

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

Ц_xyz=N_xX+N_yY+Nz Z.

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 не равен единице.

Далее можно перейти к координатам цветности (х, у) фиг.3, вычислив значения Nx, Ny, Nz и разделив их на модуль цвета m=Nx+Ny+Nz. Таким образом, цвет объекта будет полностью характеризоваться тройкой чисел - (x, y, Y).

Для некоторых цветов координаты цветности (х, у) находятся вне зоны цветового охвата (R), (G), (B) треугольника, как это изображено на фиг.3. 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 переменного цвета 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;(Я)], [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 переменного цвета сравнения 4 и поэтому число N_R оказывается отрицательным, что возможно в любой реальной системе цветов и свидетельствует об отсутствии красного цвета в поле переменного цвета сравнения 4.

В итоге цветовое уравнение для такого цвета приобретает следующий вид:

Ц_RGB=-N_RR+N_GG+N_B В.

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 увеличивают длительность импульсов питания белого светодиода 5. Если, наоборот, яркость образца 1 слишком велика, длительность импульсов уменьшают.

Регулировка цвета сравниваемых полей - поля образца 1 и поля переменного цвета 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 переменного цвета 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 «маталлик» путем того, что поле переменного цвета 4 среди RGB триад основного цвета содержит случайно расположенные отдельные триады дополнительного, например белого, цвета. По яркости (Y) отдельных триад дополнительного белого цвета колорист судит о размерах металлических частиц краски «металлик», а по их количеству на площади поля переменного цвета 4 - о их концентрации.

Инструментально измеренная величина цвета Ц образца 1 в виде набора из девяти чисел для углов ракурса 10°, 40°, 80 (освещения образца 1: цветности (X_{10°,40°,80°}; У_{10°,40°,80°}) и яркости (У_{10°,40°,80°}) 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. Упрощение связано с тем, что колорист может оперативно путем компьютерного перебора нескольких вариантов выбрать предварительный пигментный состав краски, исключив при этом несколько промежуточных выкрасок, т.е. уменьшив число необходимых проб.

Литература

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

2. Бюллетень изобретений №11, 20.11.2007.

Изобретение относится к области измерения цвета глянцевых поверхностей, в частности к колориметрии лакокрасочных материалов, включающих в свой пигментный состав мелкие металлические частицы («металлики»), особенностью которых является зависимость цвета окрашенной поверхности от углов зрения наблюдения или освещения. Сбоку от экрана RGB монитора персонального компьютера располагают поле образца измеряемого цвета и освещают его с нескольких, например трех 10°, 40°, 80°, ракурсов светом белого светодиода. На экране RGB монитора формируют светящееся квадратное поле разбавления цвета образца, равное полю образца, которое обрамляют на экране RGB монитора квадратным светящимся полем переменного цвета, формируя поле сравнения переменного цвета, и оптически переносят его на ось глаза оператора с помощью параллельной системы отражающего и полупрозрачного зеркал. По максимальной яркости (У_{10°,40°,80°}) отдельных триад дополнительного белого цвета колорист судит о размерах металлических частиц краски «металлик», а по их количеству на площади поля переменного цвета - об их концентрации. Техническим результатом является упрощение выбора пигментного состава краски. 3 ил.

Гониоколориметрический способ измерения цвета глянцевых поверхностей, включающий уравнивание цвета двух полей - поля образца измеряемого цвета, освещаемого источником белого света, и поля сравнения переменного цвета, образуемого из двух светящихся областей триад экрана трехцветного RGB монитора персонального компьютера, одна из которых является полем переменного цвета, а другая полем разбавления цвета образца, которое оптически объединяют с полем образца системой параллельных отражающего и полупрозрачного зеркал, отличающийся тем, что поле разбавления цвета образца обрамляют на экране RGB монитора полем переменного цвета и совместно оптически объединяют их на единой оси трубки наблюдения с полем образца измеряемого цвета, располагаемого вне поля экрана RGB монитора, для гониоколориметрических измерений цвета образца путем его последовательного освещения с различных ракурсов светом белого светодиода.