ЦВЕТОИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ И КАЛИБРОВКИ ЦВЕТА С ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
COLOUR MEASURING DEVICE AND METHOD OF MEASURING AND CALIBRATING COLOUR USING SAID DEVICE

Изобретение относится к области колориметрии для измерения и количественного выражения качества цвета (анализа изображения объекта) в различных областях промышленного производства, где необходимо анализировать или синтезировать цвет объектов.
Известны устройства, предназначенные для указанной цели: спектрофотометры и калориметры (1).
Наиболее близким аналогом выбран патент РФ №2063063, при этом прототип корректен как для заявляемого устройства, так и для способа (2). Однако ограничением решений по указанному патенту являются недостаточная чувствительность системы, искажение измеряемого света в зависимости от угла падения света источника освещения.
Технической задачей изобретения является повышение точности и достоверности измерения и/или количественного выражения качества цвета объектов, а техническим результатом - повышение на порядок чувствительности системы и ее компактность, повышение точности измерения, адаптация к различным источникам света, возможность пристыковки к любым оптическим устройствам.
Технический результат достигается тем, что цветоизмерительное устройство состоит из корпуса, источников света, волоконно-оптического световода, светочувствительных датчиков, усилителей сигналов, аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) и кабеля передачи сигналов на приемное устройство, например компьютер. Оптическая система (приемник света на три канала основных цветов RGB (красного, зеленого, синего цвета) выполнена в виде волоконно-оптического кабеля, который в продолжении от торца расходится на три канала, а блок считывания цвета объекта выполнен в виде системы трех светофильтров основных цветов - красного, зеленого, синего (RGB), диафрагмы и расположенных за ними светочувствительных датчиков.
В приводимой ниже таблице сведены сравнительные характеристики заявляемого цветоизмерительного устройства и стандартных аналогов.
Цветоизмерительное устройство предназначено для измерения цвета в видимом диапазоне спектральной чувствительности от 410 до 760 Нм. Измерение цвета осуществляется в отраженном и в проходящем свете самих источников света, как в статике, так и в режиме сканирования. При использовании сменного волоконно-оптического зонда-приставки (не показан на чертеже) можно производить измерение на определенном расстоянии от цветоизмерительного устройства, т.е. проникать в труднодоступные места. Для калибровки устройства по эталонам (основных цветов) цветов предусмотрены принцип электронного запоминания эталонов и измерение относительно них.
Цветоизмерительное устройство может включать волоконно-оптическую насадку, блок питания, кабель для подключения к АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) и программное обеспечение.
На фиг.1 изображен предпочтительный вариант заявляемого устройства, состоящего из:
1 - корпус, 2 - источники света, 3 - бленда (оптическая воронка), 4 - волоконно-оптический разветвитель, 5 - средство регулировки света, например диафрагма, трубка и другие средства регулировки света, 6 - светофильтры, 7 - светочувствительные датчики: фотоэлектронные умножители (ФЭУ), фотодиоды, фотоэлементы и другие светочувствительные датчики, 8 - электронный усилитель сигналов, 9 - три канала разветвителя 4, 10 - кабель передачи сигналов на АЦП.
Волоконно-оптический разветвитель 4 состоит из волоконно-оптического кабеля, который в продолжении от торца расходится на три канала RGB 9 или состоит из набора волоконно-оптических кабелей и пристыковывается торцами через расположенные перед ними диафрагмы 5 и фильтры 6 к светочувствительным датчикам 7.
Средством регулировки света могут быть, например, ирисовые диафрагмы, а также трубки, внутри которых могут перемещаться разъединенные волоконно-оптические кабели для сближения или удаления между собой и другие средства для регулировки уменьшения или увеличения количества света. Диафрагмы или иные средства регулировки света 5 расположены перед светочувствительными датчиками 7 и на торце входа света, при необходимости, тоже устанавливается диафрагма или иные средства регулировки света 5.
Используются три светофильтра с зонами пропускания света основных цветов RGB, которые установлены перед светочувствительными датчиками.
Ниже приведены отличия заявляемого устройства от ближайшего аналога.
Цветоизмерительное устройство, содержащее корпус, оптический блок восприятия и передачи света по трем каналам, блок считывания цвета объекта, светофильтры основных цветов и соответствующие им средства преобразования количества разделенных цветов в информационные сигналы, светофильтры основных цветов в блоке считывания цвета объекта, расположенные перед средствами преобразования количества разделенных цветов в информационные сигналы, характеризуется тем, что оно имеет источники света 2, волоконно-оптический разветвитель 4, средство регулировки света 5, светочувствительные датчики 7, электронный усилитель сигналов 8, три канала разветвителя 9 передачи сигналов на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП).
Цветоизмерительное устройство характеризуется тем, что волоконно-оптический разветвитель 4 в продолжении от торца расходится на три канала RGB или состоит из набора волоконно-оптических кабелей и пристыковывается торцами через расположенные перед ними диафрагмы 5 и фильтры 6 к светочувствительным датчикам 7.
Цветоизмерительное устройство характеризуется тем, что средством регулировки света могут быть ирисовые диафрагмы или трубки, внутри которых могут перемещаться разъединенные волоконно-оптические кабели для сближения или удаления между собой и другие средства для уменьшения или увеличения количества света.
Цветоизмерительное устройство характеризуется тем, что диафрагмы 5 расположены перед светочувствительными датчиками 7 и на торце входа света возможна установка дополнительной диафрагмы 5.
Цветоизмерительное устройство характеризуется тем, что светочувствительные датчики являются фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), или фотодиодами, или фотоэлементами, или иными светочувствительными датчиками.
Ниже приводятся отличия заявляемого способа от ближайшего аналога.
Способ измерения цвета, включающий операции восприятия и передачи света по трем каналам, измерения количества трех основных цветов путем пропускания света через светофильтры системы измерения и последующего измерения количества разделенных цветов на соответствующих средствах измерения, в качестве средств регулировки количества измеряемого света используются диафрагмы и другие средства регулировки света, характеризуется тем, что измерение цвета осуществляют контактно или бесконтактно, механическим путем или электронным сканированием поверхности в видимом диапазоне спектральной чувствительности, в отраженном и в проходящем свете, в статике или в движении.
Способ характеризуется тем, что измерение осуществляют со скоростью от тысячных долей секунды до нескольких секунд.
Способ характеризуется тем, что по бесконтактному способу производят замеры от 2 до 5 см от измеряемой поверхности и более при стыковке с оптическими адаптерами.
Способ характеризуется тем, что измерения осуществляются в видимом диапазоне спектральной чувствительности от 410 до 760 Нм. Способ характеризуется тем, что при использовании сменного волоконно-оптического зонда-приставки производят измерение на расстоянии от цветоизмерительного устройства с возможностью проникновения в труднодоступные места. Способ характеризуется тем, что при прозрачных многослойных средах разной оптической плотности или микропористых структурах производят замеры с возможностью определения интерференционных свойств многослойных поверхностей или дифракционных свойств чередующейся микроструктуры подобно дифракционным решеткам.
Способ характеризуется тем, что данное устройство используют для идентификации картин и других культурных ценностей, при работе с картинами можно измерять функции поверхностей как с поверхности изображения, так и с обратной стороны, со стороны холста, и паспортизовать их.
Способ характеризуется тем, что измерительную информацию выводят на дисплей в любом колориметрическом стандарте или в координатах на диаграмме цветности, или в графическом виде, или в таблицах, или в цифровом коде.
Способ характеризуется тем, что измеряются объекты любого цвета, материала и поверхности.
Способ характеризуется тем, что количество измерений в секунду составляет от 50 до 100000 и более, с погрешностью измерения от 0,5 до 0,05%, с использованием любых источников света.
Способ характеризуется тем, что измерения производят 410-760 Нм в видимом диапазоне.
Способ характеризуется тем, что диаметр измеряемого участка с микроскопом до 15 микрон, без микроскопа от 2 до 20 мм.
Ниже описывается принцип калибровки или запоминания эталонов основных цветов для работы устройства. В качестве эталона к цветоизмерительному окну головки устройства ставятся по очереди эталонные образцы красного R, зеленого G, синего цвета В, а на таблице на мониторе выводится цвет каждого из основных цветов в сочетании с другими основными цветами. Посторонние цвета соседних каналов вычитаются, и пропорции вычитания запоминаются для дальнейших измерений и сохраняются. Например, если при калибровке канала эталона красного цвета в графе красного цвета будет R 80%, а в графе зеленого G 30%, а в графе синего В 0%, то в этом случае дается команда программе вычитать в измерениях 30% из зеленого, чтобы красный получился 80% без примесей зеленого и синего. А при калибровке канала зеленого эталона, где значение измерений по зеленому будет, например, 90%, по красному R 30%, а по синему 25%. Также для получения чистого зеленого цвета без примесей подается команда вычитания значений из красного R 30%, а из синего вычитание В 25%. Аналогично проводится калибровка синего канала.
Другими словами, суть процесса калибровки с применением заявляемого устройства заключается в следующем.
Способ калибровки по эталонам цветов характеризуется тем, что используют принцип электронного запоминания эталонов и измерение относительно эталонов основных цветов, при этом в качестве эталона к цветоизмерительному окну устройства ставят по очереди эталонные образцы красного R, зеленого G, синего цвета В, а на таблице на мониторе выводят цвет каждого из основных цветов в сочетании с другими основными цветами, посторонние цвета соседних каналов вычитаются, а пропорции вычитания запоминают для дальнейших измерений и сохраняют.
В прилагаемых ниже таблицах показан принцип построения цвета в цифрах и таблицах, выведенных на экран: как в трехцветной - в основных цветах, так и четырехцветной - с выводом в четвертую графу количества белого цвета, а также в многоцветной.
В таблице 2 показана калибровка эталона белого цвета - эталонирование. Цветоизмерительная головка устанавливается цветоизмерительным окном на эталон белого цвета, и делается замер.
По всем каналам основных цветов RGB устанавливаются числа, которые выводятся в таблице на мониторе. По команде клавиши по каждому каналу эти числа устанавливаются в виде 100%. Белый цвет - это равное количество основных цветов RGB красного, зеленого, синего. Любой цвет состоит из сочетания красного, зеленого и синего цвета - RGB. В равноэнергетических пропорциях для глаза человека сумма этих цветов образует белый цвет.
После этого устройство готово к измерению цвета относительно белого цвета.
Таблица 2
R
G
в
Красный
Зеленый
Синий
100.00
100.00
100.00
Фиг.2. Если мы приступаем к замеру объекта, например оранжевого объекта, то в таблице 3 появятся числа количеств отраженного света по трем каналам от оранжевого объекта относительно значений эталона белого цвета.
Таблица 3
R
G
В
Красный
Зеленый
Синий
80.00
50.00
20.00
Эти значения можно отложить на плоскости цветового треугольника или круга, и сумма векторов на плоскости треугольника или круга даст точку координаты цветности (фиг.2).
В таблице 4 показан принцип построения этого оранжевого цвета в четырехцветной системе - с выводом в четвертую графу количества белого цвета. Мы вычитаем меньшее значение количества цвета из всех столбиков R, G и В как равное количество основных цветов, которые являются белым цветом. Это значение в столбике В 20% по синему цвету, и переносим эту величину в столбик белого цвета. После вычитания в остальных столбиках значения цвета останется меньше на 20%, а в синем В будет 0. R=80-20=60, зеленый G=50-20=30, зеленый В=20-20=0, а значение белого цвета будет 20%, которое переносится в графу белого цвета.
Таблица 4
R
G
В
W
Красный
Зеленый
Синий
Белый
60
30
0
20
Таким образом, мы получаем оптическую рецептуру данного оранжевого цвета объекта, где чистых основных цветов красного цвета R будет = 60%, зеленого G будет = 30%, а белого будет = 20%. После вычитания белого цвета чистых цветов в любом случае будет не более двух, так как третий цвет всегда будет добавкой к этим цветам для образования белого цвета, который всегда может вычитаться и выводиться в графу белого цвета W. Определение сложных смешанных цветов осуществляется вместе с количеством белого цвета, выведенного в графе белого цвета. Белый цвет дает информацию о степени разбеленности чистых основных цветов в сложных цветах, таких как коричневый, бежевый, розовый и другие цвета. В таблице 4 показана многоцветная система построения цвета, сложенная из комбинаций трех цветов RGB, например красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый, где (R красный = Rкрасный), (оранжевый = Rкрасный + Gзеленый, с преобладанием красного), (желтый = Rкрасный + Gзеленый в равных количествах), (G зеленый = Gзеленый), (голубой = Gзеленый + синий в равных количествах), (В синий = Всиний).
Ниже приводятся два способа калибровки цветов.
1-й вариант калибровки сложных цветов (таблица 4): при калибровке сложных цветов в многоцветной системе можно установить цвет от пропорций основных цветов RGB. Если для калибровки установить эталонный сложный цвет и записать его название, например предлагаемый оранжевый цвет, то пропорции его в виде частей основных цветов (RGB) запомнятся по команде программы и такой цвет в последующих замерах будет иметь название - оранжевый.
На фиг.3 показан 2-й вариант калибровки сложных цветов. Для установки координат цвета на многоцветной системе используем методы векторной геометрии. Если в цветовом треугольнике RGB данный цвет после вычитания белого цвета W (таблица 5) состоит из пропорций красного и зеленого цвета и этот цвет будет образован только в секторе цветового треугольника RGL, то направление суммарного вектора в RGL между цветом R и цветом G: поворот вектора от максимального значения цвета R=60, вектора r=60, в сторону наименьшего значения цвета G=30, вектора g=30. Так как при сложении двух векторов образуется третий вектор, то направление поворота вектора r по направлению RG, отложенного на нем по максимальному значению этого вектора=60 единиц и перемещенного в сторону цвета наименьшей величины G=30, на расстояние, равное половине этого значения 30/2=15. Формула: при векторе R=60, при векторе G=30. LR1=LR+RR1. r1=r+g/2. r1=r+30/2. g=RR1=30/2=15. Поворот вектора r до вектора r1 будет r1=r+15. Векторный способ будет давать координаты цвета на поверхности цветового треугольника, диаграмме цветности или поверхности круга с высокой степенью градации или разрешения. Таким образом можно калибровать и вводить в базу данных большое количество названий цветов или указывать их координаты в нанометрах, значения которых для результирующего вектора будут отложены. В многоцветной системе спектрально-чистых цветов в таблице может быть выведено любое количество, например красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый и т.д. Значения из таблицы 4:  красного цвета R 60, а зеленого цвета 30, по пропорции этих цветов по отношению друг к другу мы можем назвать их оранжевым цветом и откалибровать как оранжевый цвет. Тогда в процессе измерений эта пропорция будет выводиться в графу оранжевого цвета в виде количественного его выражения. Для примера в многоцветной таблице 5 мы получим наш измеряемый объект как оранжевый цвет 60%.
Таблица 5
Красный
Оранжевый
Желтый
Зеленый
Голубой
Синий
Фиолетовый
Белый
0
60
0
0
0
0
0
20
Таким образом, возможно мерить, и называть, и калибровать любые цвета.
Для описания смешанных цветов количество белого цвета откладывается из центра цветового треугольника или круга в виде вертикального вектора w, перпендикулярного плоскости цветового треугольника или круга. От вектора r1 и перпендикулярного ему вектора w также можно построить направление третьего вектора, чтобы получить точку координаты цвета на поверхности полусферы трехмерного цветового пространства. Поворот этого вектора будет осуществляться по радиусу по вертикальной плоскости от R1 до R2 и образует точку координаты цвета R2 на поверхности трехмерной цветовой полусферы (фиг.4). Другими словами, осуществляют получение координаты цвета в виде точки на поверхности цветовой полусферы в трехмерном пространстве.
Заявляемое устройство, выполненное в виде волоконно-оптического кабеля, который в продолжении от торца расходится на три канала, а блок считывания цвета объекта выполнен в виде системы трех светофильтров основных цветов RGB и расположенных за ними средств преобразования разделенного фильтрами света в электрические сигналы, имеет следующие преимущества перед аналогами:
- повышение на порядок чувствительности системы и ее компактность;
- повышение точности измерения;
- адаптация (пристыковка) к любым оптическим устройствам.
Источники информации
1. http://www.econix.com/catalog.html
http://www.inergo.ru/catalog/section.php?SECTION_ID=335
http://td-kip.ru/katalog/index.php
http://vta.ru/production/lab/analit/optical/spectrofotometruniko/
2. Патент RU №2063063, 1996 г.