Способ бесконтактного определения пространственного распределения белизны по поверхности объекта Российский патент 2025 года по МПК G01N21/27 

Изобретение относится к методам бесконтактного определения пространственного распределения белизны по поверхности объектов.

Технологии, методы и приборы для определения белизны объектов широко используются для контроля качества муки, бумаги, покрытий, фарфора, тканей и других изделий. Белизна материала в стоматологии, при промышленном контроле объектов, тестировании флуоресцентных отбеливающих агентов и решении других задач может указывать на его состояние, способ и качество изготовления [Wei М., Wang Y., Ma S., Luo M.R. Chromaticity and characterization of whiteness for surface colors. Opt. Express. 2017. 25. 27981-27994]. Кроме того, измерение белизны снежного покрова играет важную роль в экологии, поскольку позволяет обнаружить загрязнения и оценить протекание климатических процессов [Salvatori R., Salzano R., Valt M., Cerrato R., Ghergo S. The Collection of Hyperspectral Measurements on Snow and Ice Covers in Polar Regions (SISpec 2.0). Remote Sens. 2022. 14. 2213]. Бесконтактная и высокопроизводительная оценка пространственного распределения белизны является перспективной для оперативного принятия решений в промышленных системах с использованием конвейера и мониторинге значительных площадей с базированием на подвижных носителях.

Количественная оценка белизны традиционно осуществляется с помощью спектроскопии отражения, реализованной в геометрии освещения-наблюдения 8/0 (0/8) [ГОСТ Р 52489-2005 (ИСО 7724-1:1984). Материалы лакокрасочные. Колориметрия. Часть1. Основные положения] и 45/0 (0/45) [ГОСТ Р ИСО 105-J02-99. Материалы текстильные. Определение устойчивости окраски. Часть J02. Инструментальный метод оценки относительной белизны]. Другой стандартизированный метод определения белизны основан на регистрации степени отражения в узком спектральном диапазоне на длине волны 540±10 нм [ГОСТ 26361-2013. Мука. Метод определения белизны]. Известны способы, позволяющие определять не только белизну, но и оттенок поверхности исследуемого объекта. Такие колориметры усредняют белизну поверхности по полю зрения при угловой апертуре 2° [ГОСТ Р ИСО 11476-2010. Бумага и картон. Метод определения белизны по CIE. С/2° осветитель (искусственное освещение)] или 10° [ГОСТ Р ИСО 11475-2010. Бумага и картон. Метод определения белизны по CIE. D65/10° осветитель (дневной свет)]. Известные стандартизированные методы являются ограниченными в производительности, поскольку не позволяют определять пространственное распределение белизны.

Гипер - и мультиспектральные камеры обеспечивают регистрацию набора спектральных изображений, из которых за счет попиксельной обработки данных может быть извлечено пространственное распределение спектрального коэффициента отражения поверхности объектов. Метод видеоспектрометрии широко используется для картирования параметров в сельском хозяйстве, экомониторинге, геологических исследованиях и неразрушающем контроле при спутниковом [Wang Y., Su J., Zhai X., Meng F., Liu C. Snow Coverage Mapping by Learning from Sentinel-2 Satellite Multispectral Images via Machine Learning Algorithms. Remote Sensing. 2022. 14 (3). 782] или воздушном [Ji W., Нао X., Kokhanovsky A., Shao D., Wang J., Li H., Huang G., Zhong X., Yang Q., Yang Y. Reflection of Solar Light from Surface Snow Loaded with Light-Absorbing Impurities: A Case Study of Black Carbon, Mineral Dust, and Ash. Environmental Science & Technology. 2023. 57(24). 9018-9031] базировании устройств. Ограничением использования такого высокопроизводительного метода спектрального анализа в задачах оценки белизны поверхности является отсутствие методики регистрации и обработки пространственно-спектральных данных для картирования белизны по поверхности объекта.

В качестве прототипа выбран способ определения белизны [ГОСТ Р ИСО 11475-2010. Бумага и картон. Метод определения белизны по CIE. D65/10° осветитель (дневной свет)], позволяющий вычислить ее среднее значение по области за счет определения и анализа среднего спектра отражения излучения видимого диапазона.

Задачей изобретения является устранение недостатков известных решений.

Техническим результатом изобретения является возможность бесконтактной количественной оценки пространственного распределения белизны и оттенка по поверхности объекта.

Для решения указанной технической задачи с достижением указанного технического результата применяется способ, заключающийся в освещении исследуемой области объекта широкополосным излучением видимого диапазона, формировании оптической системой пучка широкополосного излучения, отраженного этой областью и переносящего ее изображение, регистрации спектрального состава этого излучения с помощью спектроанализатора, цифровой обработке зарегистрированного спектра отражения.

Изобретение поясняется чертежами.

На Фиг. 1 показаны основные этапы описанного способа: I - регистрация нескольких спектральных изображений поверхности исследуемого объекта 2, освещаемого источником излучения 1, II - извлечение пространственного распределения спектрального коэффициента отражения за счет коррекции зарегистрированного сигнала в каждом пикселе, III - вычисление спектров отражения в каждом пространственном элементе поверхности объектов, IV - расчет белизны и оттенка каждого пространственного элемента, V - объединение полученных значений в карту распределения белизны и оттенка по поверхности объектов.

На Фиг. 2 показаны результаты обработки образца: распределение белизны W и распределение оттенка T_w.

Осуществление изобретения

Изобретение может быть реализовано на основе устройства, состоящего из широкополосного источника 1 видимого диапазона, обеспечивающего освещение (естественное или искусственное) поверхности исследуемого объекта 2, эталонов 3 для калибровки, имеющих известный спектральный коэффициент отражения, системы формирования, регистрации и обработки спектральных изображений, в которую входят видеоспектрометр 4 и блок обработки.

Отличием изобретения является то, что осуществляется одновременная регистрация нескольких спектральных изображений объекта, сформированных излучением различных поддиапазонов видимого спектра, и совместная цифровая обработка этих изображений.

Бесконтактная количественная оценка белизны и оттенка поверхности объектов на основе обработки их спектральных изображений позволяет значительно повысить производительность измерений, а также дает возможность определения пространственного распределения этих параметров. Реализация такого способа в режиме реального времени особенно востребована при анализе динамических процессов или необходимости размещения аппаратуры на подвижном носителе.

В предпочтительном варианте осуществления применяется аппаратно-программный комплекс, содержащий мульти - или гиперспектральную оптическую систему, обеспечивающую регистрацию нескольких изображений поверхности объектов в узких спектральных поддиапазонах видимого диапазона длин волн от 380 до 780 нм, и блока их совместной цифровой обработки. Для извлечения спектрального коэффициента отражения с учетом влияния спектральной зависимости квантовой эффективности приемника, неравномерности освещенности, виньетирования оптической системы и других факторов перед регистрацией изображений исследуемого объекта с помощью набора эталонов белизны и/или цвета осуществляется калибровка устройства. Далее в каждом пространственном элементе (пикселе) вычисляется спектральный коэффициент отражения, что используется для определения белизны и оттенка. Объединение вычисленных значений позволяет получить пространственное распределение этих параметров.

Способ осуществляется следующим образом. Данный метод осуществляют либо в лабораторных условиях с широкополосным источником освещения 1, расположенным под углом 45° к нормали поверхности объекта, либо в полевых условиях при естественном освещении. Систему регистрации мультиспектральных изображений 4 располагают так, чтобы угол между оптической осью и поверхностью образца составлял 90°. В ходе предварительной калибровки устройства производят спектральную съемку эталонных образцов 4 с известным спектральным коэффициентом отражения. Исходя из отношения зарегистрированных и эталонных спектральных характеристик, определяют поправочные коэффициенты для коррекции пространственно-спектральных искажений. Затем при тех же условиях освещения и регистрации проводят спектральную съемку исследуемых объектов 2. Для извлечения пространственного распределения спектрального коэффициента отражения проводят цифровую обработку спектральных изображений с применением вычисленных поправочных коэффициентов. Полученные спектры отражения ρ(λ), предварительно сглаженные с помощью фильтра Гаусса для устранения высокочастотных шумов, позволяют определить яркость Y, координаты цветности x и y, белизну W и оттенок T_w эталонных образцов. Для получения пространственного распределения белизны W(x,y) и оттенка T_w(x,y) поверхности производят объединение вычисленных значений W и T_w в соответствии с порядком пространственных элементов (пикселей) зарегистрированных спектральных изображений. Для повышения производительности и точности измерений в поле зрения вместе с исследуемым объектом могут помещаться эталонные образцы, что позволяет производить калибровку одновременно с регистрацией пространственно-спектральных данных.

В частном случае (п. 2 формулы) единовременная регистрация набора спектральных изображений осуществляется мультиспектральной камерой, обеспечивающей одновременную регистрацию нескольких спектральных изображений, снижение времени определения пространственного распределения белизны и оттенка, а также исключение погрешности измерения, связанной с необходимостью коррекции данных, регистрируемых мульти - и гиперспектральными системами с пространственным или спектральных сканированием.

Пример осуществления изобретения может быть реализован с помощью мультиспектральной камеры на основе разделения оптической апертуры, обеспечивающей одновременную регистрацию изображений в спектральном диапазоне от 350 до 800 нм с шагом 50 нм и шириной функции пропускания фильтров 10 нм. Если применять метод определения белизны W и оттенка T_w попиксельно, то есть без усреднения по площади образца, то возможно построить карты распределения этих параметров по его поверхности, что демонстрируют примеры результатов съемки эталонных образцов, представленные на Фиг. 2. В результате сравнения значений параметров, полученных путем усреднения по карте распределения, и их эталонных значений были получены отклонения белизны и оттенка ΔW=1,43 и ΔT_w=0,68, соответственно.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа бесконтактного определения пространственного распределения белизны по поверхности объекта. Способ заключается в освещении исследуемой области объекта широкополосным излучением видимого диапазона, формировании оптической системой пучка широкополосного излучения, отраженного этой областью и переносящего ее изображение, регистрации нескольких спектральных изображений объекта и совместной цифровой обработке этих изображений. Технический результат заключается в обеспечении возможности бесконтактной количественной оценки пространственного распределения белизны и оттенка по поверхности объекта. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ бесконтактного определения пространственного распределения белизны по поверхности объекта, заключающийся в

- освещении исследуемой области объекта широкополосным излучением видимого диапазона,

- формировании оптической системой пучка широкополосного излучения, отраженного этой областью и переносящего ее изображение,

- регистрации спектрального состава этого излучения с помощью спектроанализатора,

- цифровой обработке зарегистрированного спектра отражения,

отличающийся

- одновременной регистрацией нескольких спектральных изображений объекта, сформированных излучением различных поддиапазонов видимого спектра,

- совместной цифровой обработкой этих изображений.

2. Способ по п. 1, отличающийся

- применением в качестве спектронализатора мультиспектральной видеокамеры.