МОБИЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦВЕТОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРНЫХ ПОРОД
MOBILE APPARATUS FOR DETERMINING COLOUR CHARACTERISTICS OF ROCKS

Изобретение относится к измерительным устройствам для определения цвета различных объектов, в том числе со свойствами диффузного и зеркального отражения, и может быть использовано, в частности, для определения цветовых характеристик горных пород в виде плотных или рыхлых агрегатов, слагающих земную кору, состоящих из однородных или различных минералов, либо минералов и обломков других горных пород, особенно для морских донных осадков.
При изучении образцов геологических разрезов (кернов) чрезвычайно важным является первоначальный этап выделения и описания участков (прослоев), однородных по своим петрографическим характеристикам. Современные возможности позволяют на основе интерпретации разнообразной информации о вещественном составе горных пород моделировать те условия, в которых происходило их образование, что дает широкие перспективы прогнозирования современных физико-географических процессов и событий. При этом цветовые особенности являются одним из наиболее важных и наглядных источников информации, в том числе о вещественном составе морских донных отложений, позволяющей запечатлеть самые незначительные изменения условий среды в виде тонкой слоистости.
Традиционно цвет горных пород и почв определяется на основе индивидуального цветовосприятия исследователя и не позволяет наглядно и с математической точностью сохранять информацию о цвете, а также использовать ее для последующих сопоставлений. В последние десятилетия этот метод усовершенствован за счет использования цветовых шкал Манселла (Colour space models for soil science. R.A. Viscarra Rossela, B. Minasnya, P. Roudiera, b, A.B. McBratneya; Geoderma, Volume 133, Issues 3-4, August 2006, Pages 320-337). Благодаря этому удалось относительно стандартизировать процесс получения информации. Но можно отметить невозможность количественного определения цвета, трудоемкость и субъективность получения данных.
Распространенным и довольно эффективным методом фиксации цветовых различий в геологических разрезах является фотографирование с использованием цифровой аппаратуры (п.РФ №2594946; «Перевод цветовых характеристик почвы из системы Манселла в систему cie-l*a*b*», Почвоведение, 2015, №5, с. 527-535). Достоинства метода заключаются в оперативности и наглядности, недостатки -зависимость от условий съемки и окружения. Например, влажная поверхность вскрытого керна обладает эффектом зеркального отражения света, что искажает получаемую информацию, а использование различных источников освещения при описании цвета приводит к различию видимых цветовых оттенков осадка.
Некоторые из перечисленных недостатков устранены в установках, выполненных в виде рамных конструкций, оптические устройства которых, включающие цифровую камеру и осветители, установлены на подвижной каретке, движущейся в горизонтальной плоскости над столом с керном (п.РФ №2667342, п. США №4852182). Использование таких установок позволяет получать информацию о цвете, структуре и текстуре протяженных объектов с четко заданным шагом, независимо от индивидуальных качеств исследователя, однако их конструкции подразумевают размещение в специально оборудованной фотокомнате, лишенной сторонних источников освещения, а габаритные размеры не позволяют их использовать в полевых условиях. Существенным недостатком является и взаимное расположение источников освещения, объекта и фотодатчика, при котором освещение поверхности образца происходит только под заданным углом. А это не позволяет получить объективную информацию о цвете объектов, неровная поверхность которых обладает свойствами диффузного отражения. Кроме того, процедура приведения информации к единому стандарту для образцов, снятых в различных условиях (в разное время, под разными углами освещения и с разного расстояния), представляет собой довольно трудоемкий процесс с вероятностью больших ошибок
Известна система для записи и обработки цифровых изображений буровых кернов, включающая цифровое фотографирование и цифровую запись вместе с обработкой, демонстрацией и статистическим анализом этих изображений посредством компьютера для преобразования информации в цифровую форму, предложенная в п. РФ №2201589. Система представляет собой рамную конструкцию со столом для крепления выполненного в виде пластины бурового керна. Над столом на общей каретке, выполненной с возможностью перемещения, установлен измерительный блок, который включает цифровую камеру и источник освещения из двух источников дневного света и двух источников ультрафиолетового света, выполненных с возможностью изменения угла падения света на образец. Однако, как и другие подобные решения для исследования горных пород, данная система подразумевает проведение работ в специально подготовленной фотокомнате, лишенной сторонних источников освещения, что неприемлемо в полевых условиях. Взаимное расположение детектора, источников света, образца и элементов установки не позволяет добиться диффузного освещения объекта с неровной поверхностью (эффект светового блика).
В установке, описанной в п. РФ №2501046 С1 для исследования керна горных пород и реализованной с возможностью получения цифровой информации о цвете в формате цветов RGB (красный, зеленый и синий), предлагается использование в качестве детектора цвета цифрового фотоаппарата, что позволяет получать информацию не только о цвете, но и о текстурно-структурных особенностях объекта. Вместе с тем конструкция установки подразумевает размещение ее в фотокомнате без сторонних источников освещения, а определение цвета происходит только после довольно длительной предварительной пробоподготовки (высушивания керна), что неприемлемо в полевых условиях. Взаимное расположение источника освещения, объекта и детектора не позволяет получать объективную информацию о цвете объекта с неровной поверхностью, обладающей свойствами диффузного отражения.
Таким образом, в большинстве предлагаемых установок на основе цифровой фототехники не соблюдены как минимум три условия для количественного определения цвета: изолированность объекта от сторонних источников света, независимость результата от рельефа анализируемой поверхности, однотипность условий определения цвета.
В последнее время цвет горных пород определяют с помощью портативных спектрофотометров или колориметров на основе сферы Ульбрихта (например, Konica Minolta CR-400/410). Безусловным преимуществом данных приборов является стандартизация условий определения цвета, которая достигается за счет ограничения распространения и отражения светового сигнала от источника освещения внутри фотометрической сферы. Кроме того, устройства позволяют получить информацию оперативно и определить цвет поверхности объектов со свойствами диффузного и зеркального отражения независимо от индивидуальных качеств исследователя. Однако, во-первых, невозможность прямого контакта прибора с влажной поверхностью приводит к необходимости использования опосредованных сред (как правило, полимерной пленки), что сильно искажает объективность получаемых данных. Во-вторых, данные приборы, как правило, оснащены круглой апертурой опробования (обычно 4-8 мм в диаметре), что не позволяет оценивать цвет кернов с тонкой слоистостью, давая представление о ней лишь в пределах аналитического окна прибора. В третьих, при использовании портативного спектрофотометра или колориметра, как правило, нарушена четкая пространственная привязка опробования и шаг, с которым оно производится ввиду индивидуальных качеств исследователя.
Возможность бесконтактного измерения цвета в изолированных условиях предложена, например, в п. РФ №140171 U1. Установка для измерения коэффициента отражения диффузно рассеивающих поверхностей выполнена на основе фотометрического шара, имеющего одно отверстие, в центре которого установлены трехэлементный RGB-фотодиод; излучатель; непрозрачный экран, блокирующий прямую засветку эталона или образца, электронная плата сбора, обработки и вывода данных измерений; оптическая система с объективом, формирующим изображение эталона или образца на приемных площадках RGB фотодиода, закрытая экранирующим внешнюю засветку корпусом, с оптическим фильтром из цветного стекла для подавления излучения в области длин волн более 660 нм. Внутренняя поверхность фотометрического шара покрыта люминофором. Приемник излучения снабжен фильтром. Достоинствами данного устройства являются возможность бесконтактного получения сведений о цвете и текстурно-структурных особенностях различных объектов в абсолютно одинаковых условиях. Применение в конструкции материалов с равномерным по спектру коэффициентом диффузного отражения позволяет достичь относительно равномерного диффузного освещения объекта с неровной поверхностью. Однако, следует отметить, во-первых, сложность изготовления системы, во-вторых, размещение внутри сферы измерительного модуля, источника освещения и дополнительных элементов (светофильтров, электрической платы питания и экрана) со сложными формами и значительными габаритными размерами, что нарушает изотропность внутреннего пространства сферы.
В другом устройстве, описанном в п. №РФ №2562137 С2 и во многом схожем с предыдущим, также описана конструкция с использованием фотометрического шара (сфера Ульбрихта) для выполнения оптического сравнения между двумя образцами, которые неоднородно окрашены и/или структурированы. Это возможно благодаря диффузному освещению образца в сфере Ульбрихта и позволяет бесконтактно анализировать и сравнивать цветовые характеристики объектов со сложными текстурно-структурными свойствами. Однако соосное расположение аналитического отверстия и отверстия под детектор, несмотря на применение диффузно отражающего покрытия на внутренней стенке сферы, не позволяет избежать зеркального отражения света. Кроме этого, известная конструкция не исключает фиксацию датчиком отраженного от образца излучения других сторонних источников света за пределами фотосферы.
Наиболее близким к заявляемой установке является устройство для измерения спектральных характеристик объектов (спектральный колориметр), описанное в п. №США №6876448. Эта устройство включает размещенную в корпусе оптическую систему, выполненную в виде фотометрического шара (сфера Ульбрихта), внутренние стенки которого покрыты диффузно отражающей краской белого цвета, например, на основе оксида магния и сульфата бария, и снабженной тремя отверстиями для аналитического окна, расположенного в нижней части шара перпендикулярно его центральной нормали, для измерительного модуля, выполненного на базе спектрофотометра и расположенного на внешней поверхности в верхней части шара под углом 8° к центральной нормали, и отверстия для установки источника света, расположенного перпендикулярно к вертикальной нормали, проходящей через центр шара. Также устройство оборудовано отверстием под световой сепаратор, находящимся под источником света, для выделения лучей света от образца в соответствии с необходимыми длинами волн, а также оборудовано входами для подсоединения к внешним устройствам управления его работой.
Данное оптическое устройство позволяет создать диффузное освещение объекта, однако размещение внутри шара источника освещения и перегородки для исключения попадания прямого света от источника в область отверстия аналитического окна, а значит на образец, приводит к заметному нарушению изотропности светового пространства внутри сферы. Устройство не позволяет получить визуальное представление о цветовых и текстурно-структурных свойствах образцов. Кроме того, конструкция устройства не подразумевает непосредственный контакт поверхности образца и стенок сферы, что при анализе горных пород приведет к загрязнению и изменению отражающих свойств внутреннего покрытия сферы. А также конструкция установки не предусматривает изоляции поверхности образца от излучения сторонних источников света за пределами фотосферы, а также использования ее для протяженных объектов Таким образом, обзор методов и средств количественного определения цвета выявил техническую проблему, заключающуюся в отсутствии мобильных установок с функцией фотометра-колориметра для бесконтактного безбликового определения цветовых и текстурно-структурных характеристик образцов, включая визуальных, обладающих свойствами зеркального и диффузного отражения.
Решением данной проблемы является разработка конструкции новой установки для получения информации и о цветовых и о текстурно-структурных особенностях поверхности горных пород, обладающей высокой оперативностью, достоверностью получения количественной информации высокого разрешения об особенностях поверхности горных пород, обладающих свойствами диффузного и зеркального отражения, в том числе и протяженных, за счет исключения светового влияния окружающей среды, удаления эффекта блика с поверхности исследуемых образцов и высокой изотропности оптической системы.
Предлагаемая конструкция установки для определения цветовых характеристик горных пород, представляет собой корпус, состоящий из двух непрозрачных герметично соединенных частей, в одной из которых размещена оптическая система в виде фотометрического шара, установленного на поддон, расположенный во второй части корпуса и снабженный кареткой для образца, выполненной с возможностью передвижения вдоль поддона. Все внутренние поверхности корпуса, включая внешнюю поверхность самого шара, покрыты светопоглощающим веществом, в то время как внутренняя поверхность шара покрыта светоотражающим покрытием. Источник освещения установлен снаружи шара в герметично примыкающем к отверстию шара трубчатом канале, а в качестве измерительного модуля установлен цифровой фотоаппарат, соединенный с системой регистрации и обработки данных.
Сущность заявляемой установки поясняет фиг. 1, на которой представлен один из возможных вариантов устройства: 1 - корпус верхнего модуля; 2 - корпус нижнего модуля; 3 - фотометрический шар; 4 - цифровой фотоаппарат; 5 -трубчатый канал для источника освещения; 6 - отверстие под объектив фотоаппарата; 7 - отверстие зеркальной ловушки; 8 - отверстие под источник освещения; 9 - аналитическое окно; 10 - каретка с образцом; 11 - направляющие каретки, 12 - вертикальная нормаль фотосферы; 13 - блок управления и обработки.
Фотометрический шар установки имеет четыре отверстия: для аналитического окна (9), расположенного в нижней части шара перпендикулярно его центральной нормали так, чтобы геометрический центр окна совпадал с продольной центральной осью каретки (10); двух отверстий, симметрично расположенных под углом 8° к его центральной нормали в верхней части шара, предназначенных для объектива цифрового фотоаппарата (6) и зеркальной ловушки (7); отверстия для установки источника освещения (8), выполненного перпендикулярно к вертикальной нормали, проходящей через центр шара. Цифровой фотоаппарат (4) установлен неподвижно на внешней стороне шара, а источник освещения установлен в герметично примыкающем к отверстию сферы трубчатом канале (5) так, чтобы исключить прямолинейное попадание света на поверхность образца.
Внутренние стенки фотометрического шара представляют собой диффузно отражающую поверхность за счет покрытия светоотражающим веществом, предпочтительно, с коэффициентом отражения в видимой части спектра не менее 98%. Это может быть, например, матовая краска на основе оксида магния и/или сульфата бария. В качестве светопоглощающего покрытия внутренних поверхностей корпуса используют, например, краски, как правило, на основе технического углерода, с коэффициентом поглощения излучения видимого спектра не менее 97%.
Диаметр шара определяется минимальным расстоянием фокусировки объектива используемого фотоаппарата. Соотношение размеров отверстий шара выбирается с учетом минимального искажения его сферичности. Диаметр отверстия под объектив фотодатчика выбирают минимальным, исходя из условия, обеспечивающего получение полноразмерного изображения поверхности образца в аналитическом окне (9) с учетом угла охвата используемого объектива. Диаметр отверстия под зеркальную ловушку (7) должен быть не более диаметра аналитического окна (9), но достаточным, чтобы в соответствии с площадью аналитического окна выпустить зеркально отраженный свет во внутреннее светопоглощающее пространство верхней части корпуса. Диаметр отверстия под источник освещения и расстояние, на которое он удален от сферы, подбирают экспериментально так, чтобы исключать прямолинейное попадание света на поверхность образца. Суммарная площадь всех отверстий не должна превышать 10% от площади внутренней поверхности шара (требование Международной комиссии по освещению-CIE).
Цифровой фотоаппарат (4) установлен неподвижно снаружи шара максимально близко к его поверхности так, чтобы в соответствии с углом обзора объектива и отверстием в сфере можно было получить полноразмерное фотоизображение образца. В качестве цифрового фотоаппарата устанавливают, например, полнокадровый зеркальный фотоаппарат с КМОП-матрицей, который оснащен объективом, обеспечивающим правильную передачу перспективы, в частности, светосильный объектив с фокусным расстоянием 50 мм, что дает угол обзора примерно равный углу обзора человеческого глаза. Центральная точка объектива постоянно должна быть сфокусирована на точку пересечения центральной нормали сферы и поверхности образца. Сочетание показателей диафрагмы и выдержки задаются таким образом, чтобы получить нормальную экспозицию при минимальной светочувствительности фотоматрицы. При этом фотоснимок должен точно передавать все яркости снимаемого объекта.
Поскольку практически невозможно добиться идеально гладкой поверхности исследуемых горных пород, фотометрическая сфера снабжена зеркальной ловушкой, представляющей собой отверстие (7) в стенке шара (3), что позволяет свету, зеркально отраженному от поверхности образца относительно оптического центра объектива и вертикальной нормали сферы, уходить во внешний непрозрачный, герметично закрытый корпус (1) и поглощаться им, ликвидируя блик на поверхности образца.
Трубчатый канал (5) может быть расположен как в внутри корпуса (Фиг. 1), так и вне его в отдельном кожухе, герметично соединенном с корпусом (1), что позволит уменьшить размеры установки и увеличить удобство использования и обслуживания, также как, например, и изготовление фотометрического шара из двух полусфер, герметичность сочленения которых обеспечивается, например, соединением типа «фланец». Разъемный шар позволит поддерживать эксплуатационные свойства сферы в ходе длительной эксплуатации (обновлять покрытие внутренних и наружных стенок) и комплектующих (замена источника освещения при выходе из строя, замена/чистка фотодатчика и объектива).
В качестве источника света рекомендуется использовать лампу достаточной мощности, обеспечивающую нормальную (нулевую) экспозицию при минимальной светочувствительности матрицы фотодатчика. Это может быть, например, светодиодная лампа с коррелированной цветовой температурой светового потока 6500 К и индексом цветопередачи не ниже 97% на основе светодиодов, изготовленных по технологии Sunlike компанией Seoul Semiconductor (http://lamptest.ru/page/sunlike/).
Нижняя часть корпуса установки выполнена в виде замкнутого непрозрачного прямоугольного параллелепипеда. Части корпуса герметично соединены с помощью, например, болтового соединения. В центре верхней грани нижней части имеется отверстие диаметром, равным диаметру аналитического окна (9) и соосно с ним совпадающим. Размер нижней части определяется поставленной задачей исследования и должен быть достаточен для размещения образца и/или пошагового перемещения внутри него подвижной каретки.
Для загрузки образца внутрь торцевая поверхность нижней части корпуса выполнена с возможностью открытия. Передвижение каретки, в том числе пошаговое, может быть осуществлено различными способами, например, за счет установки в поддоне направляющих, по которым каретка передвигается с использованием, например, трубчатого толкателя, который проходит через отверстие в торцевом люке.
Для исследования протяженных образцов части корпуса целесообразно выполнить разъемными, что позволит увеличить мобильность установки.
Установка работает следующим образом. Источник освещения подключается к источнику питания (на схеме не приведен), а цифровой фотодатчик - к системе обработки данных. Проводят калибровку установленного фотоаппарата, которая включает в себя определение баланса белого с использованием пластинки из прессованного сульфата бария, установленной в аналитическом окне напротив объектива н уровне поверхности образца. В специализированном приложении создается цифровой профиль фотодатчика на основе изображений стандартных цветовых шкал. Открывают люк в торцевой части нижнего модуля и размещают на каретке образец. Каретку заводят внутрь нижнего модуля по направляющим. Герметично закрывают люк и осуществляют передвижение каретки внутрь модуля с заданным шагом, производя поинтервальную съемку образца. Диффузно отраженный от образца световой поток передается через объектив на фотоприемную матрицу фотоаппарата, а зеркально отраженный - выходит через отверстие зеркальной ловушки и поглощается внутренним пространством корпуса. Полученные фотоизображения обрабатываются в программном софте, сшиваются в единую мощность отобранного образца. Производят попиксельное усреднение цветовых характеристик осадка в слойках в цветовых координатах интересующих моделей, например, RGB, CIELab, HSB или других. При этом, адекватность получаемых данных обеспечивается конструктивными и методическими особенностями изобретения.
Опытный образец установки был спроектирован и изготовлен в ТОЙ ДВО РАН для оперативного получения информации о цвете морских донных отложений непосредственно на борту судна. Ее характеристики позволяют работать с половинками цилиндрических кернов до 15 см в диаметре и длиной до 110 см. Установка представляет собой сборную конструкцию из двух, неподвижно и герметично закрепленных между собой, непрозрачных прямоугольных частей. Внутри верхнего короба неподвижно закреплен пластиковый непрозрачный фотометрический шар диаметром 49 см. В качестве приемника использован зеркальный полнокадровый фотоаппарат Canon EOS 6d Mark с объективом Canon EF 50mm f/1.2L USM, а в качестве источника излучения светодиодная лампа с коррелированной цветовой температурой светового потока 6500 К, изготовленная по технологии Sunlike компанией Seoul Semiconductor (http://lamptest.ru/page/sunlike/).. Отверстие аналитического окна вырезано с расчетом охвата поверхности керна в прямоугольном пространстве 3 см на 15 см. Фотографирование производилось дистанционно с помощью программного обеспечения Digital Photo Professional for Canon и дата кабеля на ЭВМ, где отдельные изображения обрабатывались и объединялись в единое изображение керна. После этого с помощью программного обеспечения ImageJ (National Institutes of Health, USA) с полученного изображения с требуемым разрешением считывалась информация о цвете образца в координатах трех цветовых моделей: CIELab, RGB и HSL.
На Фиг. 2 приведен пример графического сравнения данных о цвете в координатах цветовой модели CIELab, полученных с помощью сертифицированного колориметра РСЕ Colorimeter (Германия), где L - светлота, а и b - хроматическая составляющая (а - положение цвета в диапазоне от зеленого до красного, b- от синего до желтого). Белая линия - результаты, полученные с помощью заявляемой установки, черная линия - результаты определения цвета с помощью колориметра с использованием опосредованной среды (пленки) для колонки морских донных отложений мощностью 744 см. Абсолютные величины цветовых координат модели CIELab не указаны, так как цветоопределение с помощью колориметра производилось с использованием пленки, значительно исказившей видимый цвет керна. Результатом цветоопределения отложений с помощью заявляемой установки стало качественное фотоизображение керна в естественных размерах и калиброванная в соответствии со стандартами цифровая информация о цвете слагающих его отложений.
Таким образом, предложенная конструкция установки для получения цветовых характеристик образцов, помимо мобильности и оперативности, за счет создания условий, при которых фотодатчик регистрирует свет, отраженный только от поверхности образца, обеспечивает достоверность и высокое разрешение получаемой цифровой информации о цвете и текстуре поверхности объекта, обладающего свойствами как диффузного так и зеркального отражения, а также позволяет воссоздать его структурно-текстурный облик в натуральную величину и в дальнейшем проводить сравнение и анализ информации, полученной для разных образцов.