RU2312314C2

RU2312314C2 - Способ измерения цвета объектов (варианты) и устройство для его осуществления (варианты)

Info

Publication number: RU2312314C2
Application number: RU2005139473/28A
Authority: RU
Inventors: Олег Леонидович Головков (RU); Олег Леонидович Головков; Константин Васильевич Иванищев (RU); Константин Васильевич Иванищев
Original assignee: Олег Леонидович Головков; Константин Васильевич Иванищев
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2007-12-10
Also published as: RU2005139473A

Abstract

Изобретение относится к оптике. Изобретение предусматривает освещение поверхности объекта спектрально управляемым светом, сбор данных о цветовом оттенке для создания, по меньшей мере, одной карты внешнего вида объекта. Освещение объекта осуществляется одним точечным источником света, а изображение объекта обрабатывается, по меньшей мере, двумя видео- или фотокамерами, оснащенными устройствами управления угла зрения камер, при этом для разделения оптических каналов перед камерами располагают светоделитель. Технический результат - однозначное определение цвета объекта, независимо от условий и качества освещения. 5 н.п. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к оптике и предназначено для анализа цвета объектов. Может применяться для анализа цвета сложных диффузно-рассеивающих объектов с неоднородной внутренней структурой и произвольной поверхностью, в том числе зубов, окрашенного стекла, кожи, керамики, бумаги, цветных покрытий и т.п.

Известен способ измерения цвета зубов /1/, который заключается в том, что на поверхность зуба устанавливается измерительный щуп, представляющий собой защищенный оптический световод, при этом поверхность зуба освещается световым потоком, сформированным коаксиально относительно оси световода, расходимость освещающего света при этом не превышает ±25°.

К недостаткам данного способа стоит отнести точность измерения, потому что невозможно дважды точно позиционно и по углу к поверхности установить оптический щуп. При этом присутствует зона затемнения, приводящая к косвенному измерению цвета зуба. Также расходимость облучаемого поверхность объекта света не связана с условиями освещения объекта при определении цвета на глаз специалистом. Также диаграмма направленности приемника не совпадает с диаграммой направленности глаза человека. Все это приводит к ошибкам измерения цветовых параметров зубов.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ определения цвета объекта /2/, который заключается в спектрально управляемом освещении поверхности объекта, сбором фото- или видеокамерой данных о цветовом оттенке и обработке данных о цветовом оттенке поверхности объекта в соответствии с цветом света, освещающего поверхность.

К недостаткам этого способа стоит отнести отсутствие измерения расстояния до поверхности зуба, что приводит к неточному определению яркости объекта, использование освещения только одной расходимости света не связанного с условиями освещения объекта при определении цвета на глаз специалистом, что часто приводит к неточному измерению цвета при изменении условий расходимости освещающего света объекта с диффузно рассеивающей средой, каким является человеческий зуб. Также наблюдается обширный отраженный от поверхности блик света, который не позволяет определить цвет объекта по всей его поверхности.

Задача, на решение которой направлено изобретение, это создать такой способ измерения цвета диффузно рассеивающих свет объектов, при котором однозначно определялся цвет объекта, независимо от условий и качества освещения.

Технический результат направлен на создание прибора, позволяющего определять цветовые характеристики объекта, такие как цветовой тон, цветовая насыщенность и яркость, независимо от свойств освещающего объект источника света. Также избавиться от регистрации отраженного от поверхности объекта светового блика.

В предлагаемом способе и устройстве технический результат достигается поочередным освещением поверхности объекта множеством источников света с разной известной расходимостью света и точно рассчитанным угловым положением их в пространстве, при этом фото- или видеокамера имеет определенный входной зрачок. Целесообразно для измерения расстояния до объекта и рельефа его поверхности ввести вторую фотокамеру и обеспечить освещение объекта специально сформированным световым растром.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволяет установить, что заявителем не обнаружены технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существующим признакам заявляемого изобретения. Отличие из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявляемом объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.

Сведения об известности отличительных признаков в совокупностях признаков известных технических решений с достижением такого же, как у заявляемого устройства положительного эффекта, не имеется. На основании этого сделан вывод, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Способ измерения цвета объектов и устройство для его осуществления поясняется чертежами.

На фиг.1 показан блок-схема способа и устройства для определения цвета объекта.

На фиг.2 показана блок-схема способа и устройства для определения цвета и рельефа поверхности объекта.

На фиг.3 показана блок-схема способа и устройства для определения цвета и рельефа поверхности объекта.

Способ измерения цвета объектов заключается в следующем. Поверхность объекта 4 поочередно освещается с помощью двух источников света 5 и 6 таким образом, чтобы расходимость излучения излучателя 5 отличалась от расходимости излучателя 6, при этом расходимости источников 5 и 6 известны. Изображение поверхности объекта регистрируется фотокамерой 1 с объективом 2. Для того чтобы свести к минимуму отраженный блик от поверхности объекта размеры источников 5 и 6 должны быть минимальны, а диаграмма направленности фотокамеры минимальна, как глаз человека, для чего входной зрачок фотокамеры уменьшают до 1 мм с помощью диафрагмы 3. Производится измерение двух параметров, которые описаны выражениями (1) и (2)

где Р₁, Р₂ - яркость точки поверхности объекта 4, нормированная к эталону яркости при освещении его поочередно первым и вторым источником света соответственно и измеренные фотокамерой 1; α₁ и α₂ - расходимость света излучателями 5 и 6 соответственно; tg(φ) - крутизна зависимости яркости точки поверхности объекта от угла падения коллимированного света на эту поверхность. Параметры Р и tg(φ) необходимы для точного и правильного воспроизведения цветовых параметров объекта при его реставрации независимо от условий освещения объекта.

Источники света 5 и 6 могут быть белыми, тогда фотокамера должна разлагать изображение поверхности объекта по трем цветам - красному, синему, зеленому. Источники света 5 и 6 могут быть спектрально управляемыми, тогда используется монохромная фотокамера 1.

Выражения (1) и (2) вытекают из математического анализа, проведенного авторами для определения цветовых параметров многослойных диффузно-рассеивающих свет объектов, из которого было установлено, что цвет, яркость и цветовая насыщенность поверхности диффузно-рассеивающего свет объекта зависят от расходимости света, падающего на поверхность объекта, толщины верхнего слоя и формы рассеивающих частиц среды.

На фиг.1 приведено устройство для измерения цвета объектов, которое состоит из фотокамеры 1, которая оптически связана с диафрагмой 3, объективом 2 и поверхностью объекта 4, при этом с поверхностью объекта 4 оптически связаны излучатели света 5 и 6, которые, в свою очередь, оптически связаны с оптическими системами 7 и 8, предназначенными для создания разной расходимости падающего на поверхность исследуемого объекта света.

Устройство для измерения цвета объектов работает следующим образом. С помощью цветной фотокамеры 1, оснащенной диафрагмой 3 и объективом 2, производится фото- или видеосъемка поверхности исследуемого объекта 4, которая поочередно освещается двумя полноцветными излучателями света 5 и 6, снабженными оптическими системами 7 и 8, обеспечивающими заданную разную расходимость света.

Для точного определения яркости этого недостаточно. Необходимо точно знать расстояние до поверхности объекта, что решается с помощью устройства, приведенного на фиг.2.

Устройство для измерения цвета объектов, представленное на фиг.2, состоит из двух фотокамер 1 и 9, которые оптически связаны с поверхностью объекта 4, фотокамера 1 также оптически связана с диафрагмой 3. С поверхностью объекта 4 оптически связаны блок формирования оптического растра 10 и излучатели света 5, 6, которые, в свою очередь, оптически связаны с оптическими системами 7 и 8, предназначенными для создания заданной разной расходимости падающего на поверхность исследуемого объекта света.

Устройство для измерения цвета объектов работает следующим образом. С помощью цветной фотокамеры 1, оснащенной диафрагмой 3 и объективом 2 производится фото- или видеосъемка поверхности исследуемого объекта 4, которая поочередно освещается двумя полноцветными излучателями света 5 и 6, перед которыми установлены оптические системы, которые формируют заданную разную расходимость падающего на поверхность объекта света. Для определения расстояния от устройства до поверхности объекта и определения рельефа поверхности используются блок формирования светового растра 10, который в паузе между излучением осветителей 5 и 6 формирует на поверхности объекта систему световых точек, штрихов и т.п., при этом производится анализ изображения фотокамерами 1 и 9, которые имеют различный угловой параллакс. Зная разницу параллаксов камер 1 и 9, расстояние между ними и величину рассогласования точек растра можно определить расстояние до точки поверхности объекта 4. Блок формирования оптического растра можно построить стандартным (проекционным) способом.

Для определения крутизны зависимости яркости точки поверхности объекта от угла падения на нее коллимированного света - tg(φ) можно использовать способ, который работает следующим образом. Поверхность объекта 4 освещается с помощью одного точечного источника света 5, а изображение поверхности объекта регистрируется двумя фотокамерами 1 и 14, оснащенными устройствами управления угла зрения 15 и 16, в качестве которых могут быть использованы объективы 2 и 13 с управляемыми диафрагмами 3 и 12. Для разделения оптических каналов перед фотоприемниками располагается делительное устройство 11, делящее свет на две части. В качестве делителя света 11 может быть делительная стеклянная пластинка с напыленным отражением, делительный кубик, призматический расщепитель света и т.п. Далее производится измерение двух параметров, которые описаны выражениями (1) и (3)

где β₁ и β₂ - угол зрения камеры 1 и камеры 14 соответственно.

На фиг.3 приведено устройство для измерения цвета объектов, которое состоит из двух фотокамер 1 и 14, которые оптически связаны с устройствами управления угла зрения 15 и 16, оптическим делителем 11 и поверхностью объекта 4, при этом с поверхностью объекта 4 оптически связан излучатель света 5. Устройства управления угла зрения 15 и 16 состоят из диафрагм 3 и 12 и объективов 2 и 13.

Устройство для измерения цвета объектов работает следующим образом. С помощью цветных фотокамер 1 и 14, оснащенными устройствами управления угла зрения 15 и 16, обеспечивающим разный угол зрения фотокамер, с помощью оптического делителя 11 производится фото- или видеосъемка поверхности исследуемого объекта 4, которая освещается полноцветным излучателем света 5. Целесообразно чтобы излучатель 5 был точечным, а оптические оси камер 1 и 14 совпадали. При этом устройствами управления угла зрения 15 и 16 могут состоять из одинаковых объективов 2 и 13, и разных диафрагм 3 и 12.

Для измерения расстояния до поверхности исследуемого объекта можно применить аналогичный способ оптического растра, который приведен в устройстве, представленном на фиг.2.

Устройство для измерения цвета объектов, представленное на фиг.4, состоит из трех фотокамер 1, 9 и 14, которые оптически связаны с поверхностью объекта 4, при этом фотокамеры 1 и 14 оптически связаны с диафрагмами 3 и 12, с объективами 2 и 13, с оптическим делителем 11. С поверхностью объекта 4 оптически связаны блок формирования оптического растра 10 и излучатель света 5.

Устройство для измерения цвета объектов работает следующим образом. С помощью цветных фотокамер 1 и 14, оснащенными устройствами управления угла зрения 15 и 16, которые, в свою очередь, могут состоять из диафрагм 3 и 12 и объективов 2 и 13 производится фото- или видеосъемка поверхности исследуемого объекта 4, которая освещается полноцветным излучателе света 5. Для определения расстояния от устройства до поверхности объекта и определения рельефа поверхности используются блок формирования светового растра 10, который в паузе излучения осветителя 5 формирует на поверхности объекта систему световых точек, штрихов и т.п., при этом производится анализ изображения фотокамерами 1 и 9, которые имеют различный угловой параллакс. Зная разницу параллаксов камер 1 и 9, расстояние между ними и величину рассогласования точек растра, можно определить расстояние до точки поверхности объекта 4. Блок формирования оптического растра можно построить стандартным (проекционным) способом.

Для определения цвета объекта необходимо использовать не менее трех основных цветов, что достигается применением либо спектрально перестраиваемых источников света, либо спектральным разложением пришедшего с поверхности объекта света, при освещении его полноцветным (белым) световым излучением. Для данного изобретения подходят оба метода. В случае, когда необходимо перестраивать длину волны осветителей, можно использовать три группы по четыре светодиода, где каждая группа светодиодов светит в одной определенной области спектра (красной, желто-зеленой, синей). В случае, когда производится спектральный анализ излучения поверхности объекта фотоприемником (фото- или видеокамерой), достаточно использовать полноцветные (белые) светодиоды. При этом разложение по цветам осуществляется на стандартных светофильтрах фотоприемника. Во всех случаях необходимо производить калибровку всего устройства по спектру относительно белого эталона и использовать приемники света с линейной характеристикой в широком диапазоне входных световых потоков.

Источники литературы

1. Изобретение РФ №2207528, Чернов Е.И., Головков О.Л., Леонтьев В.К., Садовский В.В. «Способ определения цвета объектов и устройство для его осуществления», 2002 г.

2. WO 00/37903, Бретон Пьер и др. «Способ определения внешнего вида объекта и устройство для его осуществления», 2000 г.

Claims

1. Способ анализа цвета объектов, состоящий в освещении поверхности объекта спектрально управляемым светом, сбором камерой данных о цветовом оттенке, соответствующем лучам света, отраженным от заданного множества точек освещенной поверхности объекта, и обработке данных о цветовом оттенке для создания, по меньшей мере, одной карты внешнего вида объекта, отличающийся тем, что освещение осуществляется поочередно с помощью, по крайней мере, двух источников света, излучающих свет с разной расходимостью, входной зрачок фотокамеры не превышает 1 мм, и для воспроизведения цветовых параметров объекта используют параметры Р и tg(φ),

где Р=Р₁+Р₂,

tg(φ)=|(Р₂-Р₁)/(α₂-α₁)|,

при этом Р₁, Р₂ - измеренная яркость объекта, нормированная к эталону яркости, при освещении объекта соответственно первым и вторым источником света;

α₁, α₂ - расходимость света соответственно для первого и второго источников света.

2. Устройство для анализа цвета объекта, содержащее, по меньшей мере, один полноцветный источник света и цветную камеру, предназначенную для создания, по меньшей мере, одной карты внешнего вида освещенной поверхности объекта, отличающееся тем, что устройство содержит, по меньшей мере, второй полноцветный источник излучения для осуществления раздельного по времени освещения объекта, при этом источники света имеют на выходе оптические системы, обеспечивающие разную расходимость света, входной зрачок фотокамеры не превышает 1 мм, и в устройстве предусмотрена возможность измерения яркости поверхности объекта, нормированной к эталону яркости.

3. Устройство для анализа цвета объекта, содержащее, по меньшей мере, один спектрально управляемый источник света, камеру, предназначенную для создания, по меньшей мере, одной карты внешнего вида освещенной поверхности объекта, отличающееся тем, что устройство содержит, по меньшей мере, второй спектрально управляемый источник света для осуществления раздельного по времени освещения объекта, при этом источники света имеют на выходе оптические системы, обеспечивающие разную расходимость света, входной зрачок фотокамеры не превышает 1 мм, и в устройстве предусмотрена возможность измерения яркости поверхности объекта, нормированной к эталону яркости.

4. Способ анализа цвета объектов, состоящий в освещении поверхности объекта спектрально управляемым светом, сбором, по меньшей мере, одной камерой данных о цветовом оттенке, соответствующем лучам света, отраженным от заданного множества точек освещенной поверхности объекта, и обработке данных о цветовом оттенке для создания, по меньшей мере, одной карты внешнего вида объекта, отличающийся тем, что освещение объекта осуществляется одним точечным источником света, а изображение объекта обрабатывается, по меньшей мере, двумя видео- или фотокамерами, оснащенными устройствами управления угла зрения камер, при этом для разделения оптических каналов перед камерами располагают светоделитель и для анализа цветовых параметров объекта используют параметры Р и tg(φ),

где Р=Р₁+Р₂,

tg(φ)=|(Р₂-Р₁)/(β₂-β₁)|,

при этом Р₁, Р₂ - измеренная яркость объекта, нормированная к эталону яркости;

β₁, β₂ - угол зрения соответствующих камер.

5. Устройство для анализа цвета объекта, содержащее, по меньшей мере, один спектрально управляемый источник света, по меньшей мере, одну камеру, предназначенную для создания, по меньшей мере, одной карты внешнего вида освещенной поверхности объекта, отличающееся тем, что используется один точечный источник света, по крайней мере, вторая камера, при этом камеры оснащены устройствами управления угла зрения камер и перед камерами расположен светоделитель, а в устройстве предусмотрена возможность измерения яркости поверхности объекта, нормированной к эталону яркости.

6. Устройство по любому из пп.2, 3 и 5, отличающееся тем, что используется дополнительная камера и блок формирования оптического растра.