PL B1. POLITECHNIKA WARSZAWSKA, Warszawa, PL BUP 09/10. GRZEGORZ MĄCZKOWSKI, Radom, PL ROBERT SITNIK, Warszawa, PL

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. G01J 3/46 ( ) G01J 3/51 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Sposób multispektralnego pomiaru barwy i urządzenie do pomiaru barwy (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 09/10 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 07/12 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA WARSZAWSKA, Warszawa, PL (72) Twórca(y) wynalazku: GRZEGORZ MĄCZKOWSKI, Radom, PL ROBERT SITNIK, Warszawa, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Jerzy Woźnicki

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób multispektralnego pomiaru barwy i urządzenie do pomiaru barwy, przy użyciu zestawu filtrów interferencyjnych, mające zastosowanie do pomiarów barwy powierzchni na potrzeby archiwizacji obiektów dziedzictwa kulturowego, inżynierii odwrotnej i wirtualnej rzeczywistości. Z opisu patentowego EP znany jest skaner multispektralny pełniący funkcję urządzenia do renderowania, skanera multispektralnego i trójwymiarowego automatycznego gonio-spektrofotometru. Służy on do generowania trójwymiarowych obrazów skanowanego obiektu, pomiaru rozkładu natężenia światła odbitego od obiektu oraz charakterystyki kolorymetrycznej powierzchni o skomplikowanej charakterystyce odbiciowej, takich jak np. włókna czy tkaniny. Multispektralny pomiar barwy stosowany jest po to, żeby uzyskać niezależne od oświetlenia informacje o kolorze, co pozwala na ustawienie dowolnej charakterystyki spektralnej źródła światła podczas renderowania i mimo to otrzymanie prawidłowej barwy obiektu. Moduł ten daje wynik pomiaru niezależny od charakterystyki widmowej układu optycznego skanera. Skaner zbudowany jest z wykorzystaniem szeregu filtrów spektralnych o precyzyjnie skalibrowanej centralnej długości fali i charakterystykach niezachodzących na siebie. Umożliwia to odtworzenie dokładnej charakterystyki odbicia, nawet dla źródeł światła, które nie mają gładkiej charakterystyki widmowej, jak np. świetlówki. Kalibracja skanera umożliwia kompensację wpływu układu optycznego, charakterystyki widmowej detektora i filtrów. Polega ona na rejestracji widma światła odbitego dla serii próbek o różnych barwach, ale znanych charakterystykach, co pozwala na wygenerowanie odpowiednich współczynników korekcyjnych. Trójwymiarowy gonio-spektrofotometr użyty jest w celu otrzymania dokładnej charakterystyki spektralnej światła odbitego od badanego obiektu dla obiektów o niejednorodnej charakterystyce odbicia, np. tkanin. W przypadku obiektów o powierzchni jednorodnej charakterystykę odbicia można traktować jako stałą na całej powierzchni, mierząc jej wartości tylko w zależności od kąta obserwacji, natomiast w przypadku obiektów niejednorodnych należy ją traktować jako zmienną także w zależności od położenia punktu na powierzchni. Ponadto zastosowanie układu gonio-spektrometru trójwymiarowego umożliwia badanie powierzchni o skomplikowanym kształcie. Możliwe jest także uniezależnienie pomiaru charakterystyki rozproszenia od błędów wynikających z powstania jasnej plamki największego odbicia w przypadku kąta rejestracji zbliżonego do kąta padania światła. W celu wyznaczenia charakterystyki odbicia w danym punkcie stosowana jest metoda podwójnego promienia, która polega na tym, że mierzony jest jednocześnie strumień natężenia światła odbitego od badanej powierzchni i od idealnie rozpraszającej płytki referencyjnej, a wartość odbicia wyznaczana jest jako iloraz tych dwóch wielkości. Znany jest także system pomiaru barwy Jumbo Scan firmy Lumiere Technology. Jest to system pomiaru barwy o bardzo wysokiej rozdzielczości przeznaczony do archiwizacji obiektów dziedzictwa kulturowego, a szczególnie obrazów. Składa się ze specjalnie zaprojektowanej kamery posiadającej obiektyw z rozbudowaną korekcją chromatyczną za którym znajduje się zestaw filtrów interferencyjnych i linijka CCD o dużej rozdzielczości jako detektor oraz oświetlacza generującego linijkę świetlną, która skanuje mierzony obiekt. Jej przesuw jest zsynchronizowany z przesuwem detektora. Kamera multispektralna może być zamontowana na różne sposoby, w zależności od potrzeb konfiguracji stanowiska pomiarowego. Układ oświetlający zapewnia równomierne oświetlenie nie powodując nagrzewania powierzchni mierzonej. Uzyskane dane są niezależne od charakterystyki źródła światła, co umożliwia symulowanie wyglądu powierzchni z zastosowaniem różnych rodzajów oświetlenia. System został wdrożony i zastosowany m. in. do pomiarów obrazu Mona Lisa w muzeum Luwr i obrazu Dama z gronostajem w Muzeum Czartoryskich w Krakowie. Strona internetowa projektu: Sposób multispektralnego pomiaru barwy, polegający na zebraniu obrazów zarejestrowanych czarno-białą kamerą z matrycą CCD poprzez filtry interferencyjne oraz wyznaczeniu składowych barwy w niezależnej przestrzeni barw na podstawie analizy zarejestrowanych obrazów z wykorzystaniem obrazu referencyjnego mierzonej powierzchni w tym samym obszarze pomiarowym, według wynalazku polega na tym, że rejestruje się sekwencję obrazów pobieranych kolejno poprzez inny filtr interferencyjny w zestawie pokrywającym cały zakres widzialny widma, a otrzymane dane koryguje się na podstawie znajomości odpowiedzi uzyskanej dla wzorca bieli, przy czym do obliczenia wartości barwy powierzchni zakrzywionej i częściowo zacienionej wykorzystuje się obraz referencyjny zebrany bez filtra interferencyjnego, który porównuje się z charakterystyką kątową rozproszenia światła od mierzonej powierzchni.

3 PL B1 3 Urządzenie do pomiaru barwy, wyposażone w wymienne filtry interferencyjne, źródło światła i detektor w postaci kamery czarno-białej z matrycą CCD, według wynalazku charakteryzuje się tym, że filtry interferencyjne oraz jedno okno puste są rozmieszczone równomiernie na obwodzie obracającej się tarczy, przy czym kamera jest umieszczona nieruchomo wewnątrz okręgu wyznaczonego przez obwód tarczy, zaś obrót tarczy o określoną podziałkę jest realizowany przez zespół napędowy z silnikiem krokowym, przy czym źródło światła stanowi lampa emitująca światło w całym zakresie widzialnym, zwłaszcza lampa metalohalogenkowa. Korzystnym jest, jeżeli oś oświetlenia od źródła światła tworzy z osią optyczną obiektywu kamery kąt między 8 a 15, a ponadto źródło światła jest wyposażone w matówkę zapewniający równomierne oświetlenie obszaru pola widzenia kamery. Korzystnym jest także, jeżeli urządzenie zawiera od 10 do 20 wymiennych filtrów interferencyjnych oraz jedno okno puste, rozmieszczone w tej samej odległości na obwodzie tarczy, która to odległość określa wielkość podziałki. W sposobie według wynalazku, przed obiektywem kamery umieszczone są kolejno filtry interferencyjne o wąskim paśmie, na przykład o szerokości 20 nm pokrywające cały zakres widzialny widma (od 400 do 780 nm) i ewentualnie bliską podczerwień (do 1000 nm). Kamera rejestruje sekwencję obrazów, z których każdy jest pobierany przez inny filtr interferencyjny. Otrzymane dane są korygowane dzięki znajomości odpowiedzi uzyskanej dla wzorca bieli, co pozwala na eliminację wpływu spektralnej charakterystyki obiektywu, matrycy CCD i źródła światła. Dodatkowo dane są korygowane przy użyciu obrazu referencyjnego zebranego bez przysłaniania obiektywu filtrem interferencyjnym w celu eliminacji wpływu zacienienia powierzchni. Odbywa się to zgodnie z założeniem, że cień jest zjawiskiem niezależnym od długości fali światła, czyli powoduje równomierny w całym widmie spadek intensywności. Spadek ten można wyeliminować dzieląc obraz uzyskany z filtrem interferencyjnym przez obraz referencyjny. W celu wyrównania wartości barwy na powierzchni mierzonej wykorzystuje się dane z układu pomiaru kątowej charakterystyki rozproszenia światła, niezależnego od ujawnionego wynalazku. Dane te są dostępne w postaci macierzy współczynników określających przestrzenny rozkład natężenia światła rozproszonego od powierzchni dla danego położenia systemu pomiarowego względem mierzonej powierzchni. Dane po przetworzeniu opisanym powyżej są zamieniane na składowe barwy w przestrzeni CIE XYZ na podstawie tabel udostępnionych przez CIE. Stosując dalsze przetwarzanie można dane te zamienić na inne przestrzenie barw, jak również symulować barwę powierzchni przy oświetleniu różnymi źródłami dzięki wykorzystaniu odpowiedniego algorytmu przeliczania składowych XVZ na przestrzeń RGB. W urządzeniu według wynalazku obracająca się tarcza umożliwia automatyczną zmianę filtrów interferencyjnych podczas pomiaru barwy mierzonej powierzchni. Zmiany położenia tarczy z filtrami interferencyjnymi dokonywane są przy użyciu silnika krokowego, którego napęd przenoszony jest za pomocą przekładni z paskiem zębatym w celu zmniejszenia obciążenia bezwładnościowego silnika i zachowania dokładności pozycjonowania. Tarcza na obwodzie której znajdują się filtry interferencyjne ma tak dobraną średnicę, żeby możliwe było umieszczenie maksymalnie 20 filtrów interferencyjnych i pozostawienie jednego okna pustego w celu zebrania obrazu referencyjnego. Źródło światła jest umieszczone poza urządzeniem do pomiaru barwy, jednak w taki sposób, żeby oświetlało równomiernie całą objętość pomiarową a jego oś tworzyła z osią optyczną obiektywu kamery kąt między 8 a 15. Ponadto źródło światła jest sztywno połączone z urządzeniem do pomiaru barwy, tak żeby jego położenie względem tego urządzenia było niezmienne podczas pomiaru. Kamera z matrycą CCD powinna umożliwiać rejestrację obrazu w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni. Obiektyw kamery powinien być tak dobrany, żeby zapewniał uzyskanie pola widzenia, a zarazem wielkości analizowanej powierzchni do 300x300mm. Należy przy tym zapewnić, żeby oprawa filtra interferencyjnego nie ograniczała pola widzenia obiektywu kamery, gdyż prowadzi to do zmniejszenia jasności obrazu w kierunku od środka do krawędzi pola widzenia. Zastosowany obiektyw może być stało ogniskowy, ponieważ cały system jest ustawiony na stałe na jedną, określoną objętość pomiarową. Rozwiązanie według wynalazku umożliwia uzyskanie informacji o barwie mierzonej powierzchni w każdym zarejestrowanym pikselu. Wynalazek może być stosowane ze źródłami światła o ciągłym widmie promieniowania w zakresie widzialnym, bez znajomości jego ścisłej charakterystyki widmowej. Rozwiązanie według wynalazku pozwala na wyeliminowanie wpływu błędów wynikających z nierównomiernego oświetlenia, nieznanej charakterystyki spektralnej źródła oraz zależności czułości detektora

4 4 PL B1 i transmisji układu optycznego od długości fali, a także kąta nachylenia mierzonej powierzchni do systemu pomiarowego. Rozwiązanie według wynalazku może współpracować z systemem pomiaru kształtu metodą oświetlenia strukturalnego, niezależnego od ujawnionego wynalazku, ponieważ oba te systemy, do pomiaru barwy i do pomiaru kształtu, korzystają z tej samej kamery jako detektora. Tego typu zintegrowany układ, zastosowany razem z urządzeniem do pomiaru kształtu metodą projekcji światła strukturalnego, może służyć do dokładnego wyznaczania tekstur nakładanych na powierzchnie otrzymane w tym pomiarze. Tekstury takie charakteryzują się równomierną jasnością, niezależnie od kierunku pomiaru i nie wymagają dodatkowej obróbki w celu uzyskania wiernego odwzorowania barwy dla wielu kierunków pomiaru. Wynalazek jest objaśniony w przykładzie realizacji zobrazowanym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok urządzenia do pomiaru barwy w perspektywie, fig. 2 przedstawia usytuowanie zespołu napędowego i kamery względem tarczy z filtrami interferencyjnymi w perspektywie, a fig. 3 przedstawia schemat przebiegu pomiaru. Jak przedstawiono na fig. 1, urządzenie do pomiaru barwy jest wyposażone w przyrząd do automatycznego ustawiania filtrów interferencyjnych 3 rozmieszczonych na obwodzie tarczy 10 pomiędzy obiektywem 2 kamery 4 a mierzoną powierzchnią oświetloną przez źródło światła 1. Filtry są zamocowane w obejmach 5 tworzących pierścień przymocowany współosiowo do tarczy 10. Obiektyw 2 kamery 4 jest widoczny na rysunku przez okno w obejmie 5 bez filtra interferencyjnego 3. Źródło światła 1 stanowi lampa metalohalogenkowa emitująca światło o widmie w całym zakresie widzialnym, połączona sztywno z przyrządem tak, że wzajemne położenie przyrządu i lampy nie zmienia się podczas pomiaru. Przyrząd jest wyposażony w 20 wymiennych filtrów interferencyjnych 3 oraz jedno okno puste rozmieszczone wraz z filtrami w tej samej odległości na obwodzie tarczy 10. Odległość ta wyznacza wielkość podziałki. Jak przedstawiono na fig. 2, wymienne filtry interferencyjne 3 są rozmieszczone równomiernie na obwodzie obracającej się tarczy 10. Każdy filtr jest umieszczony w obejmie 5 zamocowanej do krawędzi tarczy 10. Kamera 4 jest umieszczona nieruchomo wewnątrz okręgu wyznaczonego przez obwód tarczy 10, której obrót o określoną podziałkę, równą odległości między filtrami, jest realizowany przez zespół napędowy złożony z silnika krokowego 7, mechanizmu przeniesienia napędu 8 i osi napędzanej ułożyskowanej w tulei 6. Mechanizm przeniesienia napędu 8 jest wyposażony w przekładnię pasową. Czarno-biała kamera 4 posiada szaro-odcieniową matrycę CCD o charakterystyce czułości pokrywającej całe pasmo widzialne i bliską podczerwień. Obiektyw 2 jest stało ogniskowy, dopasowany do założonego pola widzenia systemu pomiarowego tak, aby jego pole widzenia nie było ograniczane przez krawędź filtra interferencyjnego 3. Obiektyw 2 powinien mieć dobrze skorygowaną krzywiznę pola i dystorsję. Korekcja aberracji chromatycznej nie ma wpływu na działanie układu, gdyż jest kompensowana przez pomiar wzorca bieli podczas kalibracji urządzenia. Obejmy 5, z oknami na filtry interferencyjne 3, są zaprojektowane tak, że umożliwiają łatwe zamontowanie filtra, bez potrzeby demontowania przyrządu. Umożliwia to zastosowanie dowolnej konfiguracji filtrów działających w świetle widzialnym i bliskiej podczerwieni w zależności od koniecznych warunków pomiaru. Zastosowanie silnika krokowego 7 jako napędu umożliwia dokładne ustawienie kolejnych pozycji filtrów interferencyjnych bez potrzeby użycia sprzężenia zwrotnego. Zastosowanie przekładni pasowej z paskiem zębatym nie wprowadza błędu pozycjonowania, a ogranicza moment bezwładności jakim obciążony jest silnik. Oś tarczy 10, do której są przymocowane obejmy 5, jest ułożyskowana tocznie w tulei 6, co ogranicza tarcie i umożliwia precyzyjny, bezluzowy obrót tarczy 10. Dzięki temu nie jest konieczne stosowanie dodatkowego podparcia w celu stabilizacji płaszczyzny obrotu tarczy 10. Dużą sztywność zespołu napędowego zapewnia samonośna konstrukcja z profili aluminiowych 9. Do tej samej konstrukcji przymocowana jest kamera 4, dzięki czemu jej pozycja w stosunku do usytuowanego przed nią okna obejmy 5 jest zawsze taka sama. Jak przedstawiono na schemacie z fig. 3, pierwszym krokiem (101), wykonywanym jednorazowo przed pomiarem, jest instalacja filtrów interferencyjnych 3 w przyrządzie do automatycznego ustawiania filtrów wchodzącym w skład urządzenia do pomiaru barwy. W drugim kroku (102) przeprowadza się bazowanie urządzenia pomiarowego polegające na ustawieniu przyrządu zmieniającego filtry w pozycji startowej, w której bezpośrednio przed obiektywem kamery 4 znajduje się puste okno, bez filtra interferencyjnego 3. Trzecim krokiem (103) jest pobranie obrazu referencyjnego, a następnym (104) - ustawienie naprzeciw kamery 4 pierwszego w kolejności filtra interferencyjnego 3. W piątym kroku (105) pobierany jest obraz z kamery 4 przy nieruchomej tarczy 10 przyrządu, po czym następuje

5 PL B1 5 ustawienie kolejnego filtra. Kroki (105, 106) są powtarzane dopóki nie zostaną zebrane obrazy ze wszystkich zainstalowanych filtrów interferencyjnych 3. Po zarejestrowanej sekwencji obrazów, w siódmym kroku (107) dokonywana jest analiza numeryczna pobranych i zarejestrowanych obrazów oraz przetworzenie danych w celu uzyskania składowych barwy w określonej przestrzeni barw. Wynalazek jest przeznaczony przede wszystkim do digitalizacji obiektów dziedzictwa kulturowego. W połączeniu z systemem pomiaru kształtu z wykorzystaniem oświetlenia strukturalnego może stanowić zintegrowany system generowania trójwymiarowych modeli zabytków na potrzeby ich archiwizacji i wirtualnej rzeczywistości. Wynalazek umożliwia wyznaczenie charakterystyki widmowej światła rozproszonego od powierzchni, a także określenie barwy powierzchni mierzonej w niezależnej przestrzeni barw. Ponadto wynalazek umożliwia symulację wyglądu powierzchni przy oświetleniu różnymi rodzajami źródeł światła. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób multispektralnego pomiaru barwy, polegający na zebraniu obrazów zarejestrowanych czarno-białą kamerą z matrycą CCD poprzez filtry interferencyjne oraz wyznaczeniu składowych barwy w niezależnej przestrzeni barw na podstawie analizy zarejestrowanych obrazów z wykorzystaniem obrazu referencyjnego mierzonej powierzchni w tym samym obszarze pomiarowym, znamienny tym, że rejestruje się sekwencję obrazów pobieranych kolejno poprzez inny filtr interferencyjny (3) w zestawie pokrywającym cały zakres widzialny widma, a otrzymane dane koryguje się na podstawie znajomości odpowiedzi uzyskanej dla wzorca bieli, przy czym do obliczenia wartości barwy powierzchni zakrzywionej i częściowo zacienionej wykorzystuje się obraz referencyjny zebrany bez filtra interferencyjnego, który porównuje się z charakterystyką kątową rozproszenia światła od mierzonej powierzchni. 2. Urządzenie do pomiaru barwy, wyposażone w wymienne filtry interferencyjne, źródło światła i detektor w postaci czarno-białej kamery z matrycą CCD, znamienne tym, że filtry interferencyjne (3) oraz jedno okno puste są rozmieszczone równomiernie na obwodzie obracającej się tarczy (10), przy czym kamera (4) jest umieszczona nieruchomo wewnątrz okręgu wyznaczonego przez obwód tarczy (10), zaś obrót tarczy (10) o określoną podziałkę jest realizowany przez zespół napędowy (8) z silnikiem krokowym (7), przy czym źródło światła (1) stanowi lampa emitująca światło w całym zakresie widzialnym, zwłaszcza lampa metalohalogenkowa. 3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że oś oświetlenia od źródła światła (1) tworzy z osią optyczną obiektywu kamery (4) kąt między 8 a Urządzenie wg zastrzeżenia 2, znamienne tym, że źródło światła (1) jest wyposażone w matówkę zapewniający równomierne oświetlenie obszaru pola widzenia kamery (4). 5. Urządzenie według zastrzeżenia 2, znamienne tym, że zawiera od 10 do 20 wymiennych filtrów interferencyjnych (3) oraz jedno okno puste, rozmieszczone w tej samej odległości na obwodzie tarczy (10), która to odległość określa wielkość podziałki.

6 6 PL B1 Rysunki

7 PL B1 7

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)