ES2214927A1

ES2214927A1 - Photometric and colorimetric quantities measuring device for image in industry, has digitized computer-card digitizing red, green and blue image recorded by charge-coupled device camera

Info

Publication number: ES2214927A1
Application number: ES200102668A
Authority: ES
Inventors: Jaume Pujol Ramo; F. Miguel Martinez Verdu; Pascual Capilla Perea
Original assignee: Universitat Politecnica de Catalunya UPC
Current assignee: Universitat Politecnica de Catalunya UPC
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2001-11-20
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2021-11-20
Also published as: ES2214927B1

Abstract

The device has a Red, Green and Blue (RGB) charge-coupled device (CCD) camera (1) provided with a photographic lens (2). A digitized computer-card digitizes a RGB image recorded by the CCD camera. A monitor (4) is provided in a computer (3). The CCD camera captures color information of an image. A microscope system is used to measure colorimetric and photometric measurements of microscopic samples. A display system displays photometric data, colorimeter metrics and captured scene. An independent claim is also included for a photometric and colorimetric quantities measuring method.

Description

Dispositivo para la medida del color basado en una cámara CCD-RGB convencional.Device for color measurement based on a conventional CCD-RGB camera.

Technical field

Óptica.Optics.

State of the art

La medida de color de fuentes luminosas o de objetos iluminados suele realizarse mediante dos tipos de instrumentos: los colorímetros y los espectrofotómetros.The color measurement of light sources or Illuminated objects are usually done using two types of Instruments: colorimeters and spectrophotometers.

Los colorímetros tienen una configuración geométrica que, con la ayuda de los sistemas ópticos que sean necesarios, permite que la luz proveniente del estímulo cuyo color deba medirse focalize sobre uno o varios detectores a los que se les ha antepuesto filtros de forma que la respuesta del conjunto formado por los filtros y el detector se acerque el máximo posible a las funciones de igualación del color del observador patrón en un espacio universal de medida del color como el CIE-XYZ. Los colorímetros diseñados para la medida del color de objetos no luminosos llevan incorporada una fuente de luz que simula uno de los iluminantes patrón de la CIE. Un colorímetro da como salida los valores triestímulo y las coordenadas cromáticas del estímulo-color únicamente en unas condiciones de iluminante y observador determinadas. La geometría de la medición puede ser fija o variable dependiendo del diseño del colorímetro.The colorimeters have a configuration geometric that, with the help of optical systems that are necessary, allows the light coming from the stimulus whose color should be measured focus on one or several detectors to which has put filters before them so that the response of the whole formed by the filters and the detector as close as possible to the color matching functions of the pattern observer in a universal color measurement space like the CIE-XYZ. Colorimeters designed for measurement of the color of non-luminous objects have a source of light that simulates one of the illuminating ICD pattern. A colorimeter gives the tristimulus values and the color stimulus color coordinates only under certain lighting and observer conditions. The Measurement geometry can be fixed or variable depending on the colorimeter design.

Los espectrofotómetros realizan un análisis espectral del estímulo-color normalmente mediante la incorporación de una red de difracción. Este análisis puede realizarse secuencialmente o simultáneamente. En el primer caso la información espectral proveniente del estímulo-color se focaliza con la ayuda de los sistemas ópticos necesarios sobre un único detector y la longitud de onda que llega al mismo va variando normalmente mediante el movimiento mecánico de la red de difracción. Si el análisis es simultaneo existe un array de detectores con una configuración geométrica determinada que permite que sobre cada uno de ellos se focalize luz de distinta longitud de onda. Los espectrofotómetros dan como respuesta las curvas de transmitancia o de reflectancia del objeto o la distribución espectral de una fuente de luz. A partir de estas curvas y mediante un software incorporado normalmente al instrumento pueden obtenerse los valores triestímulo y las coordenadas cromáticas en principio para cualquier combinación de iluminante y observador patrón. La geometría de la medición puede ser fija o variable dependiendo del diseño del espectrofotómetro.The spectrophotometers perform an analysis spectral stimulus-color normally by the incorporation of a diffraction network. This analysis can be performed sequentially or simultaneously. In the first case the spectral information from the color stimulus focuses with the help of the necessary optical systems on a single detector and the wavelength that reaches it goes varying normally by the mechanical movement of the network of diffraction. If the analysis is simultaneous there is an array of detectors with a certain geometric configuration that allows that on each of them focus light of different length of wave. The spectrophotometers respond to the curves of transmittance or reflectance of the object or distribution Spectral of a light source. From these curves and by software normally incorporated into the instrument can be obtained tristimulus values and chromatic coordinates in principle for any combination of illuminating and observer pattern. The Measurement geometry can be fixed or variable depending on the Spectrophotometer design.

Los colorímetros y los espectrofotómetros convencionales presentan importantes limitaciones como, por ejemplo, que realizan una integración del campo de observación por lo que deben actuar siempre sobre superficies cromáticamente uniformes. Las áreas de medida suelen ser del orden de 10 mm de diámetro o superiores. Únicamente en algunos instrumentos dotados de teleobjetivos el área de medida puede llegar a ser del orden de 1 mm para algunas distancias de trabajo. Otra limitación importante la constituye el hecho de que para medir el color en diferentes puntos de una superficie debe realizarse de forma secuencial, es decir, punto a punto, no pudiéndose disponer de toda la información en una sola medida. Además, ninguno de los instrumentos disponibles hasta el momento permite su integración en un sistema automatizado de producción.Colorimeters and spectrophotometers Conventional limitations have important limitations such as example, that they perform an integration of the observation field by what should always act on surfaces chromatically uniforms The measurement areas are usually of the order of 10 mm of diameter or greater Only on some gifted instruments of telephoto lenses the measurement area can be of the order of 1 mm for some working distances. Another important limitation it is the fact that to measure the color in different points of a surface must be performed sequentially, it is say, point to point, not being able to have all the information in one measure. In addition, none of the instruments available So far it allows its integration into an automated system of production.

Existen referencias en las que se recoge la posibilidad de utilización de sensores CCD en los campos de la fotometría y la colorimetría (A.C. Parr and J.J. Hsia , NISTIR 5420, National Institute of Standars and Technology, Gathersburg, MD,1994) y diseños de colorímetros (D.R. Jenkins et al. Proc. SPIE, Vol.4295, 2001) pero que en ningún caso parten de una cámara CCD-RGB convencional, ni pueden realizar medidas en cualquier ambiente luminoso ni son independientes de la fuente de iluminación.There are references in which the possibility of using CCD sensors in the fields of photometry and colorimetry (A.C. Parr and J.J. Hsia, NISTIR 5420, National Institute of Standars and Technology, Gathersburg, MD, 1994) and colorimeter designs (D.R. Jenkins et al. Proc. SPIE, Vol. 4295, 2001) but which in no case start from a camera Conventional CCD-RGB, nor can they perform measurements in any bright environment nor are they independent of the source of illumination.

Así, el dispositivo presentado permite la medida del color de estímulos autoluminosos o iluminados y elimina las limitaciones de los instrumentos convencionales de medida del color puesto que permite realizar medidas de objetos muy pequeños y de escenas muy grandes, en este último caso con una sola medida. El límite inferior de resolución lo constituye un pixel de la CCD cuyo tamaño típico del orden de 10 µm y el límite superior lo constituye la imagen que pueda formarse sobre el CCD de la cámara. Además permite la medida en cualquier ambiente luminoso y es independiente de la fuente luminosa. Igualmente el dispositivo presentado puede implementarse fácilmente en los sistemas automatizados de producción y control de calidad.Thus, the device presented allows measurement of the color of self-luminous or illuminated stimuli and eliminates limitations of conventional color measurement instruments since it allows measurements of very small objects and very large scenes, in the latter case with a single measure. The lower limit of resolution is a pixel of the CCD whose typical size of the order of 10 µm and the upper limit constitutes it the image that can be formed on the camera CCD. further allows measurement in any bright environment and is independent of the light source. Also the device presented can easily implemented in automated systems of Production and quality control.

Explanation of the invention.

A la vista de lo anterior existe la necesidad en el arte de un dispositivo que permita la medida del color, superando las limitaciones de los instrumentos convencionales disponibles actualmente (colorímetros y espectrofotómetros) y que pueda ser incorporado en los procesos productivos y de control de calidad on-line, con la rapidez y automatización que demanda la industria actual. El objetivo fundamental de la presente invención es proporcionar un dispositivo para la medida del color que cumpla estos requerimientos, es decir, que permita la medida de muestras muy pequeñas y de grandes superficies simultáneamente, con cualquier nivel y tipo de iluminación y sea flexible, rápido y fácilmente automatizable para ser incorporado en procesos productivos y de control de calidad "on-line"In view of the above there is a need in the art of a device that allows the measurement of color, overcoming the limitations of conventional instruments currently available (colorimeters and spectrophotometers) and that can be incorporated into the production and control processes of online quality, with the speed and automation that Demand the current industry. The fundamental objective of this invention is to provide a device for color measurement that meets these requirements, that is, that allows the measurement of very small and large surface samples simultaneously, with any level and type of lighting and be flexible, fast and easily automatable to be incorporated into processes productive and quality control "on-line"

El dispositivo (Figura 1) está compuesto por una cámara CCD-RGB convencional, un objetivo zoom, una tarjeta digitalizadora de imágenes y un ordenador tipo PC con el software incorporado que permitirá tanto el control del dispositivo (enfoque, selección de parámetros de trabajo, etc) como la realización de la transformaciones necesarias para pasar de la respuesta RGB del sistema digitalizador de imágenes, formado por el objetivo, la cámara CCD-RGB y la tarjeta digitalizadora, a los valores triestímulo en un espacio universal de medida del color como por ejemplo el CIE XYZ.The device (Figure 1) is composed of a conventional CCD-RGB camera, a zoom lens, a image digitizer card and a PC type computer with the Built-in software that will allow both device control (approach, selection of work parameters, etc.) such as the realization of the necessary transformations to pass from the RGB response of the image digitizer system, consisting of the lens, CCD-RGB camera and card digitizer, to the tristimulus values in a universal space of color measurement such as CIE XYZ.

El dispositivo (Figura1) será calibrado espectralmente y su respuesta perfilada a un espacio de medida del color como por ejemplo el CIE-1931 XYZ , para obtener medidas fotométricas y colorimétricas a partir de los valores RGB del mismo.The device (Figure 1) will be calibrated spectrally and its profiled response to a measurement space of color such as CIE-1931 XYZ, for obtain photometric and colorimetric measurements from the RGB values of it.

La calibración espectral se realizará a partir de la medida experimental de las funciones espectrales de conversión optoelectrónica, para cada canal RGB. A partir de estas funciones puede deducirse la sensibilidad espectral del sistema y las funciones de igualación del mismo.Spectral calibration will be performed from experimental measurement of spectral conversion functions Optoelectronics, for each RGB channel. From these functions the spectral sensitivity of the system and the matching functions thereof.

El perfilado de la respuesta espectral del sistema al espacio CIEXYZ se realizará buscando el mejor ajuste entre las funciones de igualación del dispositivo y las funciones de igualación de la CIE-1931 XYZ. Este ajuste se realiza de forma que pueda medirse el color en cualquier nivel luminoso e independientemente de cual sea la fuente luminosa.The profiling of the spectral response of CIEXYZ space system will be done looking for the best fit between device matching functions and functions of equalization of the ICD-1931 XYZ. This setting is performed so that color can be measured at any level bright and regardless of the light source.

Una vez obtenidos los valores triestímulo de un espacio universal de medida del color como el CIEXYZ podrá aplicarse un modelo de apariencia de color como los descritos en la literatura (M. D. Fairchild, Color Appearance Models, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, 1998), de forma que el dispositivo dé información sobre parámetros perceptuales del color.Once the tristimulus values of a universal space of measurement of color like CIEXYZ can apply a color appearance model as described in the Literature (M. D. Fairchild, Color Appearance Models, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, 1998), of so that the device gives information about parameters perceptual color.

Acoplando un sistema de microscopía al dispositivo se podrán obtener medidas fotométricas y colorimétricas de muestras microscópicas.Attaching a microscopy system to device you can get photometric and colorimetric measurements of microscopic samples.

El software que llevará incorporado el dispositivo para el control del mismo podrá permitir enfocar automáticamente la superficie cuyo color debe medirse así como determinar cual debe ser el valor de la apertura relativa (N) del objetivo fotográfico para que la respuesta de la cámara CCD se sitúe en el rango lineal de medida de la misma.The software that will incorporate the device to control it may allow focusing automatically the surface whose color should be measured as well as determine what the relative opening value (N) of the photographic objective so that the response of the CCD camera is place in the linear measuring range of it.

Asimismo mediante la captación de una imagen que contenga los objetos cuyo color se quiere medir y que se visualizará en el monitor del dispositivo (Fig. 1,4), el software permitirá seleccionar el área o áreas de interés de las cuales se dará información colorimétrica y fotométrica.Also by capturing an image that contain the objects whose color you want to measure and that the software will be displayed on the device monitor (Fig. 1.4) will allow to select the area or areas of interest from which will give colorimetric and photometric information.

Description of the figures Figure 1 General scheme of the device

1 = Cámara CCD-RGB1 = CCD-RGB camera

2 = Objetivo2 = Objective

3 = Ordenador tipo PC con tarjeta digitalizadora3 = PC type computer with card digitizer

\hskip0,5cm

de imágenes

 \ hskip0,5cm

of pictures

4 = Monitor4 = Monitor

Explanation of an embodiment of the invention

En la figura 1 se muestra un diagrama esquemático del dispositivo de la presente invención que puede utilizarse para la medida del color de una superficie autoluminosa de forma simultánea. Este dispositivo registrará la imagen de la superficie mediante una cámara CCD-RGB (1) acoplada a un objetivo de focal variable (2). Esta imagen será digitalizada por la tarjeta digitalizadora de imágenes acoplada a un ordenador tipo PC (3) y visualizada en el monitor (4).A schematic diagram is shown in figure 1 of the device of the present invention that can be used for the measure of the color of a self-luminous surface so simultaneous. This device will record the surface image by means of a CCD-RGB camera (1) coupled to a variable focal lens (2). This image will be digitized by the image digitizer card attached to a type computer PC (3) and displayed on the monitor (4).

Para pasar de la respuesta RGB del sistema digitalizador de imágenes a los valores triestímulo deben realizarse dos procesos fundamentales: una calibración espectral del sistema formado por el objetivo, la cámara y la tarjeta digitalizadora, y, el perfilado de la respuesta espectral del sistema al espacio de medida del color CIEXYZ.To pass the system RGB response image digitizer to tristimulus values must perform two fundamental processes: a spectral calibration of the system formed by the lens, the camera and the card digitizer, and, the profiling of the spectral response of the CIEXYZ color measurement system.

La calibración espectral del sistema se realiza a partir de la medida experimental de las funciones espectrales de conversión optoelectrónica, es decir las curvas de respuesta digital a diferentes niveles de exposición, para cada canal RGB y para todo el espectro visible. A partir de estas funciones puede deducirse la sensibilidad espectral del sistema y las funciones de igualación del mismo.The spectral calibration of the system is performed at from the experimental measurement of the spectral functions of optoelectronic conversion, ie the response curves digital at different exposure levels, for each RGB channel and for the entire visible spectrum. From these functions you can deduct the spectral sensitivity of the system and the functions of equalization of it.

El perfilado de la respuesta espectral del sistema al espacio CIEXYZ se realiza buscando el mejor ajuste entre las sensibilidades espectrales del sistema digitalizador de imágenes obtenidas en la caracterización espectral y las funciones de igualación de la CIE-1931 XYZ, lo que permite extraer una relación matricial entre ambas.The profiling of the spectral response of CIEXYZ space system is done looking for the best fit between the spectral sensitivities of the digitizer system of images obtained in spectral characterization and functions of equalization of the ICD-1931 XYZ, which allows extract a matrix relationship between them.

Al realizar este ajuste se tendrá en cuenta el balance de adaptación luminosa y que el ajuste sea independiente de la fuente luminosa. El balance de adaptación luminosa se realizará utilizando la apertura relativa (N) del objetivo fotográfico acoplado a la cámara para adaptar el rango dinámico de luminancias de una escena al rango dinámico propio de la cámara CCD, de forma que pueda medirse el color cualquiera que sea el nivel luminoso (alto, medio o bajo). La independencia de la fuente luminosa se conseguirá mediante un sencillo ajuste lineal de corrección del color.When making this adjustment, the light adaptation balance and that the adjustment be independent of The light source. The light adaptation balance will be performed using the relative aperture (N) of the photographic objective coupled to the camera to adapt the dynamic range of luminances from a scene to the dynamic range of the CCD camera, so that the color can be measured whatever the light level (high, medium or low). The independence of the light source is will achieve by a simple linear adjustment of correction of the color.

Elements that make up the device

- Cámara CCD-RGB (Fig. 1, 1). Cámara CCD-RGB convencional que de información de tres canales RGB en el registro de la imagen. Una cámara típica puede ser una cámara con arquitectura de 3 CCD.- CCD-RGB camera (Fig. 1, 1). Conventional CCD-RGB camera that provides information on Three RGB channels in the image register. A typical camera It can be a camera with 3 CCD architecture.

- Objetivo (Fig. 1, 2) Objetivo de calidad fotográfica, de focal y apertura relativa variables. Valores típicos para la variación de la focal pueden ser entre 10 mm y 50 mm y para la variación de la apertura relativa entre 2 y 16.- Objective (Fig. 1, 2) Quality objective Photographic, focal and relative aperture variables. Values Typical for focal variation may be between 10 mm and 50 mm and for the variation of the relative opening between 2 and 16.

- Ordenador (Fig. 1, 3) Ordenador tipo PC-Pentium. Lleva incorporada la tarjeta digitalizadora de la cámara CCD (Fig. 1,1), que puede tener un nivel típico de digitalización de 8 bits. El ordenador lleva incorporado también todo el software de control del dispositivo así como el software de usuario que permite obtener la medida del color.- Computer (Fig. 1, 3) Type computer PC-Pentium It has the card incorporated CCD camera digitizer (Fig. 1,1), which can have a level Typical 8-bit scanning. The computer has a built-in also all device control software as well as the User software that allows to obtain the color measurement.

- Monitor (Fig. 1,4) que permite la visualización de la imagen a captar así como la visualización de los resultados de las medidas.- Monitor (Fig. 1,4) that allows viewing of the image to be captured as well as the display of the results of the measures.

Claims

1. Instrument for measuring composite color from:

\bullet?: Una cámara CCD-RGB con un objetivo fotográfico acoplado que registra la información luminosa de una escena.A camera CCD-RGB with a coupled photographic lens that Registers the luminous information of a scene.

\bullet?: Un ordenador con una tarjeta digitalizadora, que digitaliza la imagen registrada por la cámara CCD-RGB.A computer with a digitizing card, which digitizes the registered image by the CCD-RGB camera.

\bullet?: Un monitor acoplado al ordenador que permite la presentación de la información del color relativa a la escena captada por la cámara CCD.A monitor coupled to the computer that allows the presentation of information of the color relative to the scene captured by the camera CCD

2. An instrument for measuring color according to claim 1, characterized in that the color of very large areas with a large spatial resolution can be obtained simultaneously.

3. Instrument for color measurement according claim 1, which also allows obtaining quantities Photometric

4. Color measurement instrument according to claim 1, characterized in that part of the gross response values of the CCD camera with the least previous electronic manipulation to obtain the photometric and colorimetric measurements.

5. An instrument for measuring the color according to claim 1, characterized in that it incorporates a balance of luminous adaptation from the use of different relative apertures of the objective (N) so that it can measure photometric and colorimetric magnitudes of the objects of the scene in any bright environment (high, medium or low)

6. An instrument for measuring color according to claim 1, characterized in that it is independent of the light source and therefore allows the measurement of photometric and colorimetric quantities of the objects regardless of the light intensity and the chromaticity of the source.

7. An instrument for measuring color according to claim 1, characterized in that by incorporation into the tristimulus values obtained from color appearance models it can be converted into a perceptual colorimeter.

8. An instrument for measuring color according to claim 1, characterized in that it can be easily adapted to online production processes.

9. An instrument for measuring color according to claim 1, characterized in that coupling it to a microscopy system allows obtaining photometric and colorimetric measurements in microscopic samples.

10. An instrument for measuring the color according to claim 1, characterized in that it allows the automatic determination of the value of the relative aperture (N) from the measurement of the luminous level of the scene.

11. An instrument for measuring the color according to claim 1, characterized in that it has a visualization system in which photometric and colorimetric information of a given area of the captured scene or of all areas of interest can appear.

12. A method that includes the steps:

\bullet?: Calibración espectral del instrumento de la reivindicación 1Calibration spectral of the instrument of claim 1

\bullet?: Perfilado del instrumento de la reivindicación 1 a un espacio universal de medida del color como el CIE 1931.Profiled of the instrument of claim 1 to a universal space of color measurement as the CIE 1931.

This method allows to transform the instrument of claim 1 in an instrument for measuring quantities Photometric and colorimetric.