СПОСОБ ЦИФРОВОЙ КОЛОРИМЕТРИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 2025 года по МПК G01J3/50 G01N21/27 

Область техники

Изобретение относится к области измерения цвета, а именно к методам идентификации и определения состава веществ в медицине и биохимии.

Уровень техники

Необходимость аналитических методов измерений характеристик и параметров объектов исследования с применением цифровых фото-, видеокамер и смартфонов связана с решением научно-исследовательских задач. Эти методы обычно используются для определения анализируемых веществ и оценки свойств пищевых продуктов с помощью получения красителя, который может быть эффективно проанализирован с помощью программного обеспечения или мобильных приложений. Портативность и популярность смартфонов, а также использование цифровых изображений открывают возможности для разработки быстрых и недорогих качественных и количественных методов. Цифровая колориметрия изображений является очевидной тенденцией для различных аналитических операций, измерений, обработки и онлайн-обмена результатами между производителями и потребителями.

Известен способ измерения и/или количественного выражения качества цвета в кодах и/или в цифровых сигналах и система измерения и/или количественного выражения качества цвета окрашенных объектов. Способ включает формирование изображения объекта измерения, измерение количества трех основных цветов путем пропускания света через светофильтры системы измерения, измерение количества разделенных основных цветов на соответствующих средствах измерения и последующее преобразование показателей измерения в коды или цифровые сигналы. Показатели измерения количества разделенных цветов преобразуют в информационные сигналы (см. патент на изобретение РФ № 2075772, МПК G03B 33/06, опубл. 20.03.97).

К недостаткам можно отнести достаточно сложную реализацию из-за необходимости проводить балансировку системы измерения количества цвета с помощью фотоприемников.

Известен также способ измерения цветовых величин в фотометрии и колориметрии. Световое излучение от объекта преобразуют в три электрических сигнала, осуществляют нелинейное преобразование сигналов и векторно суммируют эти сигналы, образуя сигнал, по которому измеряют цветовую яркость, сигнал цветовой яркости подвергают корень квадратичному преобразованию и по полученному сигналу измеряют цветовую амплитуду, образуют первый и второй ортогональные сигналы цветности, из них векторным суммированием образуют сигнал цветности, который делят на сигнал цветовой амплитуды и по полученному сигналу измеряют цветовую насыщенность, один из ортогональных сигналов цветности делят на суммарный сигнал цветности, подвергают его функциональному арксинусному преобразованию и по нему измеряют цветовой тон (Патент на изобретение РФ № 2087879, МПК G01J 3/46, опубл. 20.08.97).

Недостатком данного способа является необходимость решать систему уравнений для определения цветовых величин и преобразовывать световое излучение в электрические сигналы.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ цифровой фотоэлектрической колориметрии (см. патент на изобретение РФ 2366907, МПК G01J 3/46, опубл. 10.09.2009), 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, при этом 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 iк(λ), iз(λ), iс(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 Io к, Iо з, Iо с и Iб к, Iб з, Iб с 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 (х_о, у_о, Y_о).

Недостатками данного способа является использование КЗС цветной цифровой фотокамеры, которая требует калибровки по спектральным цветам.

Раскрытие сущности

Техническая проблема заключается в создание инструментального метода в оценке компонент спектра веществ в растворах на просвет.

Технический результат заключается в упрощении и ускорении способа цифровой колориметрии изображений.

Поставленная проблема достигается тем, что в способе цифровой колориметрии изображений, включающем RGB-анализ изображения образца измеряемого цвета, полученного с использованием оптического излучения, согласно решению, выделяют с помощью монохроматора три длины волны из всего спектра оптического излучения и последовательно пропускают их через образец измеряемого цвета, при этом RGB проводят с помощью камеры смартфона и приложения Color Meter в режиме реального времени.

Дополнительно осуществляют HSL-анализ изображений с помощью камеры смартфона и приложения Color Meter в режиме реального времени.

В качестве источника оптического излучения используют неоновую лампу, а облучение осуществляют излучением с длинами волн 640 нм, 533 нм, 484,9 нм.

Краткое описание чертежей

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами:

на фиг. 1 - представлена схема установки;

на фиг. 2 - визуальное сравнение образцов с различными концентрациями KMnO₄(%);

на фиг. 3 - зависимость интенсивности R от концентрации KMnO₄ (излучение длиной волны 640 нм);

на фиг. 4 - зависимость интенсивности G от концентрации KMnO₄ (излучение длиной волны 640 нм);

на фиг. 5 - зависимость интенсивности B от концентрации KMnO₄ (излучение длиной волны 640 нм);

на фиг. 6 - зависимость интенсивности R от концентрации KMnO₄ (излучение длиной волны 533 нм);

на фиг. 7 - зависимость интенсивности G от концентрации KMnO₄ (излучение длиной волны 533 нм);

на фиг. 8 - зависимость интенсивности B от концентрации KMnO₄ (излучение длиной волны 533 нм);

на фиг. 9 - зависимость интенсивности R от концентрации KMnO₄ (излучение длиной волны 484,9 нм);

на фиг. 10 - зависимость интенсивности G от концентрации KMnO₄ (излучение длиной волны 484,9 нм);

на фиг. 11 - зависимость интенсивности B от концентрации KMnO₄ (излучение длиной волны 484,9 нм);

на фиг. 12 - зависимость интенсивности трех базисных цветов R, G, B от концентрации KMnO₄ (HSL-анализ, излучение длиной волны 640 нм);

на фиг. 13 - зависимость интенсивности трех базисных цветов R, G, B от концентрации KMnO₄ (HSL-анализ, излучение длиной волны 533 нм);

на фиг. 14 - зависимость интенсивности трех базисных цветов R, G, B от концентрации KMnO₄ (HSL-анализ, излучение длиной волны 484,9 нм).

Позициями на фигурах обозначено:

1. - неоновая лампа;

2. - линза;

3. - призма;

4. - дифракционная решетка;

5. - кювета с окрашенным раствором;

6. - смартфон;

7. - 16. - растворы различной концентрации с концентрацией (0,01 %, 0,02, 0,03, %, 0,04 %, 0,05 %, 0,07 %, 0,09 %, 0,1 %, 0,11 %, 0,14 % соответственно).

Осуществление изобретения

Способ заключается в следующем.

Выделяют с помощью монохроматора узкие интервалы длин волн из всего спектра оптического излучения и последовательно облучают ими образцы измеряемого цвета, проводят RGB- и HSL-анализ изображений с помощью камеры смартфона и приложения Color Meter в режиме реального времени.

Монохроматор содержит линзу 2, призму 3 и дифракционную решетку 4 (фиг. 1).

Спектрофотометрические измерения проводились с использованием монохроматора УМ-2 (универсальный монохроматор), неоновой лампы 1, смартфона HUAWEI P smart 2021 (разрешение камеры 48 Mpx) 6, штатива, лампы дневного света, калибровочного белого листа.

Сначала монохроматор нужно проградуировать, т.е. определяем длины волн, соответствующие делениям шкалы барабана. Для этого используем источник с известным спектром. В работе применяется спектр неона. На рельсе вблизи входной щели УМ-2 устанавливаем кожух с неоновой лампой и подключаем ее к блоку питания. Устанавливаем входную щель 0,10 мм и открываем затвор коллиматора. Наблюдая через окуляр за спектром, выводим в поле зрения наиболее яркую красную линию. Если изображение иглы указателя монохроматора размыто, тогда вращением кольца окуляра добиваемся его максимальной резкости. На отъюстированном приборе линии спектра при этом также будут резкими. После окончания юстировки прибора вращением барабана длин волн в одну сторону последовательно устанавливаем точно против иглы-указателя все линии спектра неона, записывая каждый раз длины волн, и соответствующие им деления барабана. Измерения проводим 3 раза и усредняем полученные значения.

Приготовление раствора.

Перманганат калия (распространённое название в быту - марганцовка) представляет собой темно-фиолетовые кристаллы с металлическим блеском, с плотностью 2,703 г/см³ и с молярной массой 158,034 г/моль, кристаллогидратов не образует. Степень окисления K⁺Mn⁺⁷O^-2₄. Показатель преломления составляет 1,59 (при 20 °C). Растворимость в воде - умеренная (6,36г/100г воды при 20°C, 12,5г/100г воды при 40°C, 25г/100г воды при 65°C). Не гидролизуется, медленно разлагается в растворе. Концентрированные растворы 7-16 перманганата калия окрашены в интенсивно-фиолетовый цвет, а разбавленные - в розовый.

Раствор используют свежеприготовленным.

Готовят серию стандартных растворов перманганата калия (KMnO₄). Среда растворения - вода, объем среды растворения - 100 мл, оптимальная температура воды - около 25-30 градусов Цельсия.

В сосуд для растворения помещают необходимое количество кристаллов марганцовки. Добавляют в емкость 100 мл подогретой кипяченой воды. Тщательно перемешивают содержимое в течение 2-3 минут до полного растворения марганцовки.

Для эксперимента подготовили десять растворов с разной концентрацией перманганата калия (фиг. 2). Полученные растворы переносят в стеклянные кюветы.

Процесс визуализации.

Далее осуществляют процесс визуализации. На окуляр монохроматора устанавливают штатив для кюветы с раствором 5. За кюветой с раствором с помощью второго штатива размещают смартфон. Прокручивая барабан монохроматора, устанавливают излучение с нужной длиной волны. В работе используют излучение с длинами волн 640 нм (красный), 533 нм (желтый) и 484,9 нм (зеленый). Смартфон с помощью приложения Color Meter проводит RGB- и HSL-анализ, используя эталон белого цвета для компенсации различных условий освещения, тем самым повышая точность. Приложение измеряет цвета в режиме реального времени с помощью камеры устройства и может использоваться в качестве средства подбора цвета в реальном времени или устройства захвата/детектора цвета.

Пример практической реализации способа.

При облучении раствора перманганата калия (KMnO_4,) излучением с длинами волн 640 нм, 533 нм, 484,9 нм было обнаружено, что существует линейная зависимость между интенсивностью цвета и концентрацией раствора (табл.1).

Таблица. 1 Результаты RGB- и HSL-анализа трех базисных

цветов для десяти растворов перманганата калия.

Концентрация KMnO_4, 640 нм(красный) 533 нм(зеленый) 484,9 нм (синий) 0,01% RGB(193,72,163)
HSL(315,49%,58%) RGB(180,75,168)
HSL(307,41%,50%) RGB(108,45,70)
HSL(336,41%,30%) 0,02% RGB(181,35,149)
HSL(313,68%,42%) RGB(168,37,155)
HSL(306,64%,40%) RGB(107,42,66)
HSL(338,44%,29%) 0,03% RGB(159,30,133)
HSL(312,68%,37%) RGB(146,31,139)
HSL(304,65%,35%) RGB(103,39,57)
HSL(343,45%,28%) 0,04% RGB(121,18,99)
HSL(313,74%,27%) RGB(66,17,54)
HSL(315,59%,16%) RGB(98,35,53)
HSL(343,47%,26%) 0,05% RGB(107,17,91)
HSL(311,73%, 24%) RGB(52,14,45)
HSL(311,58%,13%) RGB(94,32,54)
HSL(339,49%,25%) 0,07% RGB(60,17,68)
HSL(291, 60%,17%) RGB(50,15,51)
HSL(298,55%,13%) RGB(52,20,48)
HSL(308,44%,14%) 0,09% RGB(50,34,70)
HSL(267,35%,20%) RGB(47,38,48)
HSL(294,12%,17%) RGB(42,13,43)
HSL(298,54%,11%) 0,1% RGB(50,14,62)
HSL(285,63%,15%) RGB(46,17,38)
HSL(317,46%,12%) RGB(30,20,32)
HSL(295,23%,10%) 0,11% RGB(34,18,54)
HSL(267,50%,14%) RGB(30,15,29)
HSL(304,33%,9%) RGB(23,15,23)
HSL(291,21%,7%) 0,14% RGB(27,23,48)
HSL(250,35%,14%) RGB(27,14,25)
HSL(309,32%,8%) RGB(20,14,21)
HSL(290,20%,7%)

Интенсивности RGB и HSL были сопоставлены с соответствующими концентрациями KMnO₄ (фиг. 3 - 14). Результаты показали уменьшение интенсивности RGB, HSL с увеличением концентрации KMnO. На графиках RGB и HSL интенсивность R показала лучший наклон, чем интенсивности B и G. Это исследование наглядно демонстрирует возможность использования RGB и HSL для определения уровня перманганата калия в растворе. Преимущество этого подхода заключается в простоте мониторинга перманганата калия без каких-либо специализированных приборов. Примечательно, что этот колориметрический подход с использованием RGB и HSL изображений имеет большой потенциал для различных других применений, включая колориметрическое определение тяжелых металлов или анализ лекарственных препаратов с использованием специальных реагентов. В целом, этот новый метод представляет собой многообещающее направление для решения разнообразных аналитических задач с использованием смартфона.

Изобретение относится к области измерения цвета и касается способа цифровой колориметрии изображений. Способ включает RGB-анализ изображения образца измеряемого цвета, полученного с использованием оптического излучения. При этом выделяют с помощью монохроматора три длины волны из всего спектра оптического излучения и последовательно пропускают их через образец измеряемого цвета. RGB-анализ проводят с помощью камеры смартфона и приложения Color Meter в режиме реального времени. Технический результат заключается в упрощении и ускорении способа цифровой колориметрии изображений. 2 з.п. ф-лы, 14 ил., 1 табл.

1. Способ цифровой колориметрии изображений, включающий RGB-анализ изображения образца измеряемого цвета, полученного с использованием оптического излучения, отличающийся тем, что выделяют с помощью монохроматора три длины волны из всего спектра оптического излучения и последовательно пропускают их через образец измеряемого цвета, при этом RGB-анализ проводят с помощью камеры смартфона и приложения Color Meter в режиме реального времени.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют HSL-анализ изображений с помощью камеры смартфона и приложения Color Meter в режиме реального времени.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника оптического излучения используют неоновую лампу, а облучение осуществляют излучением с длинами волн 640 нм, 533 нм, 484,9 нм.