Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цветоведение телевизионных систем. Монография
.pdf
4.5. Спектрально-колориметрический метод измерения
131
с последующим умножением каждой ординаты спектра излучения на удельные координаты цвета выбранной колориметрической системы координат.
Поскольку эти преобразования производятся последовательно во времени, то
для получения координат цвета необходимо произвести сложение полученных произведений. Функциональная схема устройства, реализующего спектрально-колориметрический метод измерения цветовых координат, представлена на рис. 4.5.
Подобный принцип реализации спектральных характеристик позволяет
сформировать любую характеристику чувствительности фотоприемника. Погрешность формирования спектральной характеристики зависит от числа интерференционных светофильтров, их полосы пропускания, а в основном от
передаточной характеристики усилительного звена, включенного на выходе
фотоприемника. Достижимая точность реализации параметров электронных
схем в настоящее время достигает высокого уровня. Поэтому можно надеяться, что погрешность измерения цветовых координат с помощью прибора, основанного на спектрально-колориметрическом методе, будет мала.
4.5.2. Электронная схема реализации метода
Рассмотренный выше метод формирования спектральных характеристик
чувствительности фотоприемника прибора, предполагает механическую смену интерференционных светофильтров, что является его недостатком. Можно избежать этого недостатка за счет использования современных светочувствительных устройств, выполненных с применением нанотехнологий.
На рис. 4.6 изображена функциональная схема прибора, обеспечивающего измерение координат цвета, в котором отсутствуют механические узлы.
Прибор работает следующим образом. Измеряемое оптическое излучение (1)
через входную регулируемую щель (2) и объектив (3) попадает на стеклянную трехгранную призму (4), которая разлагает входное излучение в оптический спектр. Этот спектр с помощью объектива (5) сканируется черно-белой
телевизионной камерой (6), построенный на основе ПЗС матрицы. Телевизионная камера относительно оптического спектра располагается так, что линии спектра совпадают с направлением строчной развертки. В этом случае
камера относительно линий спектра повернута на 90, а вся оптическая система настраивается так, чтобы геометрическая ширина линий спектра соответствовала высоте телевизионного кадра. Таким образом, в видеосигнале
каждой строки на выходе телекамеры присутствует информация об интенсивности линий спектра на всех длинах волн, определенных с точностью до
разрешающей способности телекамеры. Полученный видеосигнал с телекамеры поступает на коммутатор (7), который служит для разделения видеосигнала строк телевизионного кадра на временны е интервалы, за которые
возможно преобразование аналоговых значений видеосигнала в цифровую
форму и их измерение с помощью цифрового вольтметра (8). Управление
коммутатором осуществляется управляющим генератором (9), который син-
4. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ОБЪЕКТИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ЦВЕТА
132
x
y
z
хронизируется строчными и кадровыми синхроимпульсами телекамеры. Этот
же генератор вырабатывает импульс запуска цифрового вольтметра. Информация с цифрового вольтметра поступает в блок памяти (10), в котором имеется энергонезависимая область (на рис. 4.6 эта область не показана) для
хранения цифровых значений кривых сложения МКО, например,
,
и корректирующих коэффициентов k().
Значения коэффициентов k(), учитывающих неравномерность спектральной характеристики чувствительности по длинам волн, заносятся в
энергонезависимый участок блока памяти во время калибровки и настройки
прибора в период его изготовления. В эту же область энергонезависимой памяти во время калибровки прибора заносятся длины волн оптического спектра. После измерения и внесения в блок памяти всех ординат спектра в работу включается арифметическое устройство (11), которое вычисляет следующие выражения, например, для МКО 1931 г. (x, y):
,
Рис. 4.6. Функциональная схема колориметра, реализующего
спектрально-колориметрический метод измерения цветовых
координат, без механических узлов конструкции:
1 – излучение от измеряемого источника; 2 – регулируемая входная
щель; 3 – входной объектив; 4 – стеклянная трехгранная призма; 5 – объ-
ектив телевизионной черно-белой камеры; 6 – черно-белая телевизионная
камера, использующая в качестве сенсора ПЗС матрицу; 7 – коммутатор;
8 – аналого-цифровой преобразователь (цифровой вольтметр); 9 – син-
хрогенератор; 10 – запоминающее устройство; 11 – арифметическое
устройство; 12 – блок индикации; 13 – порт для подключения компьюте-
ра; 14‒20 – оптический спектр, полученный с помощью призмы
4.5. Спектрально-колориметрический метод измерения
133
1
1
1
;
;
.
n
i
n
i
n
i
X x k
Y y k
Z z k
x X M
y Y M
M X Y Z
С помощью блока индикации (12) непосредственно индицируются величины
и
, где
.
В приборе можно предусмотреть связь с компьютером посредством последовательного порта USB (13) (на рис. 4.6 это показано пунктиром). Числами (14…20) на рис. 4.6 обозначены области оптического спектра, соответственно от «красной» до «фиолетовой».
4.5.3. Анализ погрешности измерения цветовых координат
спектрально-колориметрическим методом
К особенностям спектрально-колориметрического метода измерения
необходимо отнести следующее: выбор числа интерференционных светофильтров и шага , определяющего максимально допустимый спектральный интервал длин волн, пропускаемый интерференционным светофильтром.
Определим оптимальный шаг , при этом предположим, что он равно-
мерный во всем диапазоне длин волн. Критерием определения оптимального
шага будем считать наименьшее количество интерференционных светофильтров и получение наибольшей точности измерения цветовых координат.
Если предположить шаг равным, например, 1 нм, то число интерфе-
ренционных светофильтров, которые необходимо использовать в конструкции прибора окажется слишком велико (351 светофильтр для перекрытия оптического диапазона по длинам волн от 380 до 730 нм). В случае измерения
дискретных узкополосных спектров излучения при условии, что шаг равен 5 нм, а ширина спектрального интервала прозрачности интерференционного светофильтра соответствует 2,5…3 нм, информация об ординатах этого
спектра (по результатам пилот‒испытаний) практически не искажается. При
этом число интерференционных светофильтров будет составлять 71, что
вполне реализуемо на практике.
Рассмотрим более детально влияние ширины спектрального интервала
длин волн, пропускаемого светофильтром, на погрешность измерения. Эту
зависимость можно рассматривать как влияние ширины щелей монохроматора при спектральном методе измерения. Анализ влияния ширины щелей монохроматора на погрешность измерения цветовых координат показал, что
при геометрической ширине щелей (входной и выходной) монохроматора,
равных 0,1 мм, погрешность измерения координат цветности будет равна
3…510–3 [44]. Тогда приняв во внимание геометрическую ширину щелей
4. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ОБЪЕКТИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ЦВЕТА
134
Рис. 4.7. Структурная схема прибора, реализующего
спектрально-колориметрический метод измерения цветовых
координат по механической схеме
монохроматора равных 0,1 мм, и обратную линейную дисперсию спектрального прибора, получим выделяемый спектральный интервал для красной области оптического диапазона (~600 нм) равный около 2 нм [47]. Интерференционные светофильтры с такой полосой прозрачности выпускаются промышленностью, но для построения прибора, основанного на спектральнокоординатном методе измерения, с экономической точки зрения, достаточно
применять и более широкополосные светофильтры, например, с полосой
пропускания по длинам волн на уровне 0,5 в 5…10 нм.
4.5.4. Практическая реализация спектрально-колориметрического
метода измерения цветовых координат
Рассмотрим структурную схему прибора, реализующего спектрально-
колориметрический метод измерения цветовых координат, построенного по
механической схеме (рис. 4.7) [45].
Оптическое излучение измеряемого объекта, проходя через диафрагму и
интерференционный светофильтр, попадает сразу на три фотоприемника
(в данном случае желательно применять полупроводниковые фотоприемники
оптического излучения, так как они имеют малые геометрические размеры).
Каждый фотоприемник связан со своим управляемым усилителем (УУ). Интерференционные светофильтры закреплены на турели, приводимой во вра-
4.5. Спектрально-колориметрический метод измерения
135
щение шаговым электродвигателем через редуктор. К усилителям подключено смещение, позволяющее менять коэффициент передачи каждого УУ, которое подается от аналоговых постоянных запоминающих устройств (ПЗУ).
Значения величин управляющих напряжений подобрано так, что коэффициенты передачи управляемых усилителей соответствуют значениям кривых
сложения цветов, на тех длинах волн, на которых коэффициент прозрачности
интерференционных светофильтров максимален. Поэтому значения коэффициента УУ зависит от угла поворота турели, а значит и от длины волны света,
попадающего на фотоприемник. Это позволяет изменять коэффициент усиления усилителя от нуля до максимального значения.
Аналоговые сигналы с выхода усилителей поступают на аналого-
цифровые преобразователи (АЦП), цифровые коды которых накапливаются в
сумматорах () (на рис. 4.7 сумматоры не показаны). После сканирования
всего оптического спектра (турель с интерференционными светофильтрами
делает полный оборот, либо часть его) в сумматорах накапливаются значения
координат цвета в коде АЦП (например, X, Y, Z).
Для набора интерференционных светофильтров диаметром 20 мм и ша-
гом = 5 нм в диапазоне 380…730 нм (71 светофильтр) диаметр турели
должен составлять около 470 мм, что вполне реализуемо. Для уменьшения
габаритов колориметра можно интерференционные светофильтры закреплять
не на турели, как это было описано выше, а использовать специально разработанную кассетную упаковку интерференционных светофильтров (например, аналогично тому, как это делается для набора слайдов в автоматических
диапроекторах).
Как показали результаты моделирования на компьютере процесса изме-
рения координат цветности с помощью спектрально-колориметрического метода (на модели прибора с интерференционными светофильтрами, имеющими
шаг = 5 нм, и с полосой прозрачности на уровне 0,5, составляющей 2,5 нм)
отклонения «измеренных» координат цветностей от рассчитанных по спек-
трам составляет не более х = 0,003 и y = 0,004, что дает право считать
данный метод измерения цветовых координат весьма перспективным [48].
Недостатком данного прибора является то, что он, по существу, является
колориметром одновременного действия, а значит нелинейность трех характеристик «свет‒сигнал» в этом случае сказывается сильнее на погрешность
измерения, по сравнению с нелинейностью световой характеристики прибора
поочередного действия. Поэтому нелинейность характеристик «свет-сигнал»
в приборе с интерференционными светофильтрами, основанном на спектрально-колориметрическом методе измерения, должна учитываться. Для
коррекции нелинейности световых характеристик прибора можно рекомендовать применение гамма-корректоров с амплитудной характеристикой обратной световым характеристикам фотоприемников.
4. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ОБЪЕКТИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ЦВЕТА
136
0
0
i
i
C
nN
1 3 1 0 3 0
31
n N n N
C
nn
1 1 2 3 2 3 2 3 2 1
0
1 2 3 2 2 3 2 1
n n n n n n
N
n n n n
1 2 3
,,
1 2 3
,,n n n
1 2 3
,,
,
ii
n
4.5.5. Модернизация прибора для измерения цветовых координат,
реализованного по электронной схеме
Из рис. 4.8, на котором изображена схема колориметра, видно, что его
электронная часть представляет собой не что иное, как схему специализированного вычислителя, который можно заменить обычным компьютером, как
это показано на рис. 4.8 [49]. Очевидно, что функциональные возможности
колориметра в этом случае значительно возрастут.
Кроме того, включение компьютера в качестве регистратора и устрой-
ства обработки спектра позволяет дополнительно решить другие важные задачи. Одна из которых – градуировка прибора по длинам волн. Обычно для
спектральных приборов с трехгранными призмами градуировку рассчитывают по дисперсионным формулам:
где
;
,
;
– длины волн спектральных линий;
ординат, соответствующие спектральным линиям
– координаты по оси
соответственно;
– текущие значения длины волны и координаты по оси ординат.
Для примера на рис. 4.9 изображена рассчитанная градуировочная кри-
вая. Как следует из этого рисунка масштаб по оси абсцисс нелинейный
(в красной области длин волн масштаб сжат). Это обстоятельство вызывает
определенные неудобства на практике. Для устранения этого недостатка
можно программным путем изменить масштаб длин волн по оси абсцисс.
Рис. 4.8. Функциональная схема модернизированного колориметра, реализующего
спектрально-колориметрический метод измерения цветовых координат
4.5. Спектрально-колориметрический метод измерения
137
Рис. 4.9. Градуировочная кривая спектральных приборов
с трехгранными призмами
Вторая задача, которая может решаться с помощью данного колориметра, заключается в возможности непосредственной оценки цветовых искажений. Более того, в программное обеспечение прибора можно дополнительно
включить любую (или любые) модель(и) цветового восприятия и прогнозировать теле или иные феномены восприятия глазом цветного изображения.
5. ПРИКЛАДНЫЕ ЗАДАЧИ КОЛОРИМЕТРИИ
5.1. Методы экспертизы подлинности документов
Технический прогресс представил широкому кругу пользователей потенциальную возможность подделки и фальсификации документов. Подделка
паспортов, удостоверений, дипломов, отчетов, финансовой документации,
сертификатов, различного рода расписок, завещаний, договоров и других документов, к сожалению, сейчас встречается достаточно часто. Одним из самых изощренных способов фальсификации документов – их оформление так
называемым «задним числом». Поэтому при появлении подозрения в подлинности и достоверности документа чаще всего заказывают экспертизу давности подписи.
На практике для проведения экспертизы давности документа используются специальные методы, одним из которых является физико-химическая
экспертиза. В этом случае давность изготовления документа определяется
путем исследования подписи, сделанные шариковой ручкой в документе.
В состав пасты или геля ручки входит не только пигмент, но и связующее
вещество‒загуститель. Экспериментально было установлено, что процесс
отвердения (полимеризации) этого загустителя составляет не более двух лет.
Поэтому, исследуя пасту или гель ручки на наличие летучих компонентов
фенил гликоля или бензоловых спиртов, можно установить степень полимеризации загустителя, тем самым определить срок выполнения подписи. Такое
исследование требует специального дорогостоящего оборудования – газового
хроматографа. Кроме этого, данный метод позволяет определить возраст документа только в пределах двух лет.
Альтернативным методом экспертизы давности документа является способ определения динамики выцветания цвета штриха от шариковой или гелиевой ручки по истечении времени.
Ни у кого не вызывает сомнения факт выцветания искусственных красителей в зависимости от времени. Это выцветание (изменение исходного
цвета) искусственного красителя тем больше, чем старше окрашенный объект. Определив динамику выцветания штрихов красящих веществ пишущих
инструментов, а также оттисков печатей и штампов, можно установить время составления любого документа, на котором, как правило, имеются реквизиты, нанесенные пишущим инструментов. Определение возраста документа и его сравнение с давностью, указанной в виде даты выпуска, позволяет судить о подлинности конкретного документа. Подобная задача оценки
цветовых различий между двумя и более цветами решается с помощью при-
5.1. Методы экспертизы подлинности документов
139
кладной колориметрии с разницей в том, что сравнение цветов происходит с
растяжкой во времени.
Вообще колориметрические измерения можно проводить любым из существующих методов объективной оценки координат цветности, сведения о
которых приведены в главе 4. Необходимым критерием точности оценки
(менее одного порога Д. Мак-Адама) обладают спектральный и спектральноколориметрический методы измерения координат цвета и цветности.
Непосредственно проведение экспертизы давности исследуемого документа осуществляется следующим образом. Первоначально в исходном документе на свободном месте наносится контрольный штрих шариковой ручкой. Следующий этап состоит в измерении спектра отражения штриха, как
основного, так и контрольного. Ординаты измеренных спектров заносятся
либо в отдельные файлы, либо в базу данных компьютера. При этом обязательно в составе этих записей должна присутствовать дата (может и время)
проведения спектральных измерений. По прошествии определенного временного интервала (10…30 суток) процесс измерения и фиксации данных в
компьютере повторяется. Этот процесс может быть повторен и в третий раз,
также через 10…30 суток. Окончание экспертизы и получение ее результатов
заключается в математической обработке измеренных и зафиксированных
спектров отражения основного и контрольного штрихов. По результатам обработки измеренных данных дается заключение о возрасте документа, его
подлинности и достоверности.
Структурная схема установки спектрального измерения координат цвета
и цветности приведена на рис. 5.1. В качестве спектрального прибора в установке по проведению экспертизы используется стандартный спектрограф
ДФС452, в котором была смонтирована выходная щель. К достоинствам этого типа спектрографа относится большая разрешающая способность по длинам волн (~ 0,5 нм). Для преобразования оптического сигнала ордината спектра используется Web-камера, располагающаяся перед выходной щелью
спектрографа. Выход камеры соединяется через USB-порт с компьютером.
С помощью специально разработанного программного обеспечения производится формирование спектральной кривой и ее обработка.
Исследуемый объект освещается лампой накаливания, которая питается от
стабилизированного источника постоянного тока, что обеспечивает постоянство светового потока. Отраженный свет от штриха попадает на входную щель
спектрографа через световод (на рис. 5.1 не показан), где он разлагается в
спектр. С помощью выходной щели из спектра выделяется узкая спектральная
линия с определенной длиной волны, и с помощью фотопреобразователя преобразуется в электрический сигнал, соответствующий ординате спектра. Этот
сигнал фиксируется в компьютере. Изменяя положение дифракционной решетки с помощью органа перестройки спектрографа, фиксируются все ординаты
оптического спектра по длинам волн. Шаг изменения по длинам волн, как правило, составляет 10 нм. Таким образом, производятся сканирование и фиксация
в базе данных ординат спектра в диапазоне длин волн от 380 до 780 нм.
5. ПРИКЛАДНЫЕ ЗАДАЧИ КОЛОРИМЕТРИИ
140
,,x y z
2
5
21
1
hc
kT
hc
S
e
Рис. 5.1. Структурная схема установки определения «возраста документа»
После фиксации всех ординат спектра производится расчет координат
цвета и цветности в колориметрической системе МКО 1931 г. При этом
предполагается, что удельные координаты цвета
и попра-
вочный коэффициент k() записаны в базу данных компьютера.
На практике любой фотопреобразователь при оценке ординат оптического спектра имеет некоторую свою спектральную характеристику чувствительности, то есть выходные сигналы от двух одинаковых по величие ординат спектра, принадлежащих разным длинам волн спектра, не будут равны
друг другу. Этот факт может быть усилен за счет неравномерности спектральной прозрачности оптических узлов спектрографа. Для компенсации
спектральных искажений всего тракта «свет – электрический сигнал» вводится поправочный коэффициент, который учитывает неравномерность спектральной характеристики оптоэлектрического тракта всей установки. В качестве источника света в установке проведения экспертизы целесообразно использовать лампу накаливания с вольфрамовой нитью, то есть стандартный
источник света типа «А», имеющий цветовую температуру 2854 К.
спектр излучения абсолютно черного тела S(), нагретого до этой температуры [29].
где h – постоянная Планка; k – постоянная Стефана-Больцмана; c – скорость света в нм/сек; Т – температура в градусах по Кельвину; – длина
волны в нм.
Зная цветовую температуру, по формуле М. Планка рассчитывается
, (5.1)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]