СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦВЕТОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЧВЫ ПО ЦИФРОВОМУ ИЗОБРАЖЕНИЮ
METHOD FOR DETERMINING COLOUR CHARACTERISTICS OF SOIL VIA A DIGITAL IMAGE

Изобретение относится к области почвоведения.
Цель изобретения - получение колориметрической оценки цвета почвы, в том числе in situ, при помощи цифровой фотокамеры.
В почвоведении общепринято цвет почвы определять в полевых условиях визуально по шкале Манселла [7]. При этом визуальная оценка страдает субъективностью и, в значительной степени, зависит от источника освещения. Поэтому определение рекомендуется проводить при стандартизации процедуры в камеральных условиях [1]. Однако данный способ не пригоден для определения цвета in situ, так как требует изъятия образца почвы из почвенного профиля.
В научной фотографии, для которой важна колориметрически точная передача цветов, используют различные цветовые шкалы. Их изображение получают одновременно с изображением объекта и проводят цветовую коррекцию образа в соответствии с полученными данными [2]. Цветовой охват (гамут) используемых коммерческих шкал сильно отличается от набора цветов, наиболее часто встречающихся в почве [3].
Недостатком существующего на данный момент аналога [4] является отсутствие калибровки первичного устройства ввода информации (цифровой фотокамеры) по шкале, охватывающей диапазон цветов почвы.
В отличие от аналога [4] разработанный способ на стадии получения первичного изображения предусматривает обязательное наличие калибровочной шкалы с диапазоном почвенных цветов. В качестве цветового набора используется традиционный для почвоведов набор цветов шкалы Манселла в цветовой координатной системе CIE LAB. Данная система позволяет легко проводить вычисления дифференциальных различий цветов. В отличие от существующего аналога предварительно готовятся шкалы цветов, которые калибруются с помощью прибора i1pro в программе Argyll [5]. Цветовые чипы размещаются на одной шкале, что позволяет провести сравнение исследуемого образца со всеми стандартами, количество которых может достигать 360 при градуировке шкалы размером 10×15 см спектрофотометром с апертурой 4 мм. Два листа шкалы (720 чипов) не только полностью перекрывают шкалу Манселла, но и расширяют количество оттенков сравнения. Можно создавать и использовать различные наборы, исходя из преобладающих цветов конкретных типов почв. Важным преимуществом предлагаемого метода является то, что шкала с известными числовыми значениями LAB помещается на пластмассовую пластину, которую размещают рядом с образцом, затем снимают цифровой фотокамерой участок почвы с выбранной шкалой, затем одновременно сравнивают со всеми цветовыми чипами и по калибровочным таблицам находят значение цвета образца. Отличием разработанного способа также является то, что анализ сходства цвета образца и чипа сравнения проводится автоматически на компьютере, что исключает субъективную оценку исследователя. Изображение стандарта и образца получается при одинаковых условиях освещения. В качестве несущей карты предлагается использовать пластину со встроенными по 4 углам перпендикулярно ее плоскости штырями. Это позволяет размещать шкалу не только на горизонтальных, но и на вертикальных поверхностях, что является обязательной процедурой при анализе цвета в почвенных разрезах.
Этапы
1. Изготовление набора шкал цветов для почвы. Создают набор шкал с различными значениями L*, a*, b*. Диапазон шкалы характеризуется интервалом светлоты (L*), красноты (а*), желтизны (b*). Шкала диапазона 10-65 (L*), -3 -+12(а*), 15-25 (b*) была использована для анализа как горизонтов черноземов, так и дерново-подзолистых почв.
2. Шкалу изготавливают на листе бумаги (Epson matte), которую распечатывают на струйном принтере Epson Stylus S22 или любом другом, позволяющем цветную печать.
3. Проводят измерения всех значений LAB d65 для полученных цветовых чипов с помощью прибора i1pro в программе Argyll [5]. Полученные значения записывают в табличном виде для каждого листа.
4. Шкала с известными числовыми значениями LAB помещается на пластмассовую пластину, по краям которой на 2 гайках закреплены 4 винта длиной 20 мм. Эти винты необходимы для закрепления пластины на вертикальной стенке разреза. Пластина вдавливается в почву по краям путем нажима на винты, которые плавно входят в почву.
5. Оптимальный размер пластины (10×15 см) определен исходя из максимальных вертикальных габаритов, при которых можно пренебречь изменением освещенности пластины в связи с падением освещенности внутри разреза. Цифровая фотокамера располагается, по возможности, параллельно плоскости разреза (in situ) или поверхности почвы (для изъятых образцов) при дневном освещении таким образом, чтобы пластина со шкалой была в одинаковых условиях с образцом - без падения солнечного света и отброшенных теней посторонних предметов. Снимок делается на камеру, в область изображения которой входит как цветовая шкала, так и участок анализируемого образца почвы.
6. Полученные изображения импортируют в графический редактор. В графическом редакторе или специализированной программе по обработке изображений [6] определяют попиксельные значения rgb как для цветовой шкалы, так и для образца почвы.
7. В соответствии с разметкой шкалы проводят усреднение полученных значений RGB для каждого цветового чипа, преобразовывают их в систему LAB путем расчетов [3] или программно (ImageJ) и записывают в калибровочную таблицу.
8. Соответственно полученное изображение почвы также разбивается на участки нужного исследователю размера. Для них, аналогично шкале, находят усредненное значение RGB и LAB.
9. В калибровочной таблице для шкалы содержатся 2 значения: измеренное на приборе значение LAB и полученное с помощью фотокамеры.
10. Значение L*, a*, b* образца почвы (sample), рассчитанное по фотокамере, сравнивают со всеми значениями L*, a*, b* шкалы (scale), полученными по фотокамере. Сравнение проводят по формуле
где i - номер цветового чипа шкалы [2]
11. Находят цветовой чип с минимальным значением deltaE.
12. Поправку цветового чипа шкалы находят как разницу между измеренным спектрофотометром и полученным по цифровому изображению значением RGB.
13. Полученную поправку прибавляют к измеренному значению RGB образца.
14. Проводят обратное преобразование RGB образца в LAB d65, которое считается наиболее близким к значению образца, измеренному спектрофотометром.
Пример
1. Снимаем шкалу Манселла с 15 образцами почвы.
Скорректированное по шкале 1 среднее значение dE=5,4. Во всех 15 случаях dE после проведения корректировки по шкале существенно уменьшилась (в 1,4-5,2 раза, в среднем - в 2,8 раза).
Скорректированное по шкале 2 среднее значение dE=4,05.
В 11 случаях dE после проведения корректировки по шкале существенно уменьшилась (в 2,1-7,7 раза, в среднем - в 5,1 раза). В оставшихся 4 из 15 случаях образцы невозможно откорректировать по тонкой шкале, так как не совпадают их диапазоны.
Таким образом, в разработанном способе в качестве цветового набора используется традиционный для почвоведов набор цветов шкалы Манселла в цветовой координатной системе CIE LAB. Данная система позволяет легко проводить вычисления дифференциальных различий цветов. За счет уменьшения размера цветовые чипы размещаются на одной шкале, что позволяет провести одновременное, а не последовательное, как в атласе, сравнение исследуемого образца со всеми стандартами, количество которых может достигать 360 при градуировке шкалы размером 10×15 см спектрофотометром с апертурой 4 мм. Два листа шкалы (720 чипов) не только полностью перекрывают шкалу Манселла, но и расширяют количество оттенков сравнения. Можно создавать и использовать различные наборы, исходя из преобладающих цветов конкретных типов почв. За счет расширения диапазона цветовых шкал - уменьшения шага шкалы (для тонких шкал), по сравнению с Манселлом, достигается существенное увеличение точности измерений.
Важным преимуществом предлагаемого метода является то, что анализ сходства цвета образца и чипа сравнения проводится автоматически на компьютере, что исключает субъективную оценку исследователя. Изображение стандарта и образца получается при одинаковых условиях освещения. В качестве несущей карты предлагается использовать пластину со встроенными по 4 углам перпендикулярно ее плоскости штырями. Это позволяет размещать шкалу не только на горизонтальных, но и на вертикальных поверхностях, что является обязательной процедурой при анализе цвета в почвенных разрезах.
Список литературы
1. Melville, M.D., Atkinson, G., 1985. Soil colour: its measurement and its designation in models of uniform colour space. J. Soil Sci. 36, 495-512.
2. Hardeberg, J.Y. 2001 Acquisition and Reproduction of Color Images, www.dissertation.com/libraiy/1121350a.htm.
3. Kemp, D.B. 2014. Colorimetric characterisationof flatbed scanners for rock/sedimentimaging // Computers & Geosciences 67 (2014) 69-74.
4. Савич В.И., Крутилина B.C., Егоров Д.Н., Кашанский А.Д., 2004. Использование компьютерной диагностики для объективной характеристики цвета почв. Известия ТСХА, выпуск 4. С. 38-51.
5. Gill, G. Argyll Color Management System // http://www.argyllcms.com - актуально 26.03.2015.
6. Image J. A public domain Java image processing program. // http://rsb.info.nih.gov/ij/ - актуально 26.03.2015.
7. Pantone X-Rite Munsell Book of Soil Color Charts 2009 Rev [M50215B].