Kolorymetr matrycowy w zastosowaniach praktycznych

Transkrypt

1 Piotr KAŹMIECZAK, Wojciech MOĆKO Instytut Transportu Samochodowego Kolorymetr matrycowy w zastosowaniach praktycznych Streszczenie. Kolorymetr matrycowy jest urządzeniem stosowanym w pomiarach zaledwie od kilku lat. W referacie przedstawiono pokrótce budowę i zasadę działania tego urządzenia oraz przykłady jego zastosowań praktycznych. Oprócz przykładów zaczerpniętych z literatury zaprezentowano także wyniki badań przeprowadzonych za pomocą kolorymetru matrycowego opracowanego w Instytucie Transportu Samochodowego. Abstract. Matrix colorimeter is a device that has been used for measurements since only few years. This article presents short description of construction and working of the device and as well as examples of its practical use. Besides of the examples taken from literature, the article also presents measurements' results carried out with the aid of matrix colorimeter elaborated in Motor Transport Institute. (Matrix colorimeter in practical use). Słowa kluczowe: pomiar luminancji, pomiar barwy, współrzędne chromatyczności, kolorymetr matrycowy. Keywords: luminance measurement, color measurement, chromaticity coordinates, matrix colorimeter. Wstęp Zastosowanie w fotometrii i kolorymetrii scalonych przetworników obrazu pozwoliło na opracowanie wielu nowych typów urządzeń pomiarowych, które wykorzystują przetworniki liniowe (spektrometry) jak i powierzchniowe (matrycowy miernik luminancji i kolorymetr matrycowy). Zakres zastosowań nowych urządzeń obejmuje zarówno usprawnienie i przyspieszenie dotychczas prowadzonych pomiarów, jak i opracowanie całkiem nowych metodyk badawczych wykorzystujących specyficzne właściwości scalonych przetworników obrazu. W referacie przedstawiono szereg przykładów zastosowań kolorymetru matrycowego z dziedziny motoryzacji, multimediów, ochrony przyrody, medycyny i rolnictwa. Do pomiarów zastosowano matrycowy miernik luminancji z funkcją pomiaru współrzędnych chromatyczności, opracowany w Instytucie Transportu Samochodowego. Kolorymetr matrycowy - budowa i cechy charakterystyczne Zasada działania kolorymetru matrycowego [1, 2] jest podobna jak w klasycznym kolorymetrze trójbodźcowym. Analizowana wiązka świetlna jest rozdzielana na trzy tory pomiarowe. Każdy tor posiada filtr dopasowujący czułość widmową fotodetektora do czułości widmowej znormalizowanej, nazywanej obserwatorem kolorymetrycznym normalnym. Zamiast zestawu trzech detektorów, zawierających pojedyncze fotoelementy, w kolorymetrze matrycowym stosuje się scalony przetwornik obrazu. W typowym układzie (rys. 1) obraz badanej sceny jest rzutowany za pomocą obiektywu na scalony przetwornik obrazu. Po drodze światło przechodzi przez filtr dopasowujący czułość widmową przetwornika do kształtu funkcji kolorymetrycznych. Ponieważ do pomiaru barwy wykorzystuje się trzy składowe trójchromatyczne, należy zastosować trzy różne filtry dopasowujące. Filtry są umieszczone w obrotowym uchwycie. Do wykonania całego pomiaru są więc potrzebne trzy pomiary składowe. Każdy z innym filtrem dopasowującym: X, Y i Z. Uzyskane obrazy są przetwarzane na postać cyfrową i analizowane za pomocą komputera osobistego i odpowiedniego oprogramowania. Właściwości i cechy charakterystyczne kolorymetru matrycowego wynikają bezpośrednio z jego budowy i zasady działania: - do sterowania pracą kolorymetru niezbędny jest komputer, co znacznie zmniejsza mobilność systemu i utrudnia prowadzenie pomiarów terenowych, - zastosowanie scalonego przetwornika obrazu do akwizycji danych pomiarowych pozwala na jednoczesny pomiar wielu milionów punktów pomiarowych, - do akwizycji danych z jednej sceny należy wykonać oddzielne pomiary dla trzech składowych X, Y i Z, w trakcie trwania całego pomiaru mierzone parametry nie mogą się zmienić, - obraz badanej sceny jest zapisywany, co pozwala na prowadzenie późniejszych analiz. Oddzielnym zagadnieniem, związanym z pomiarami kolorymetrycznymi prowadzonymi za pomocą miernika matrycowego, jest brak odpowiednich metodyk badawczych. SCENA OBIEKTYW FITR SPO A/D IBM PC SOFT US Rys.1. Zasada działania kolorymetru matrycowego: SPO scalony przetwornik obrazu, US układ sterujący, SOFT oprogramowanie do sterowania i analizy obrazu Opisany powyżej kolorymetr matrycowy jest urządzeniem wykonywanym na specjalne zamówienie, w związku z tym bardzo drogim (cena wynosi kilkadziesiąt tysięcy EUR). W Instytucie Transportu Samochodowego opracowano kolorymetr matrycowy [3] wykorzystujący do akwizycji danych pomiarowych cyfrowy aparat PRZEGĄD EEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 84 NR 8/

2 fotograficzny, co znacznie obniżyło koszt urządzenia. W porównaniu do dedykowanego kolorymetru matrycowego charakteryzuje się on dużą mobilnością, niską ceną oraz nieco mniejszą dokładnością pomiaru. Ponieważ za rejestrację trzech barw podstawowych w cyfrowym aparacie fotograficznym odpowiada filtr CFA nałożony na przetwornik, wszystkie składowe trójchromatyczne są rejestrowane jednocześnie, co skraca czas pomiaru. Prezentacja wyników pomiaru Wynik pomiaru barwy przyjęto prezentować jako położenie punktu na dwuwymiarowym wykresie. Wartość współrzędnych określa barwę badanego bodźca. Przykład takiej prezentacji wyniku pomiaru to wykres współrzędnych chromatyczności CIE (x, y) oraz CIE (u, v). Na dwuwymiarowym wykresie łatwo jest zdefiniować wymagania w postaci pola barwowego, a następnie sprawdzić, czy badana próbka znajduje się w obrębie tego pola i tym samym spełnia określone wymagania. Jasność danego bodźca jest pomijana. Taki dwuwymiarowy sposób opisu barwy stosuje się np. w badaniach oświetlenia samochodowego. Pełną informację o barwie można przedstawić w postaci trójwymiarowego wykresu (rys.2). Na płaszczyźnie poziomej zawiera on współrzędne określające chromatyczność próbki, natomiast na osi pionowej jasność próbki. Przykładem tego typu układu jest CIEab. Typowy kolorymetr matrycowy pozwala na uzyskanie wyników pomiaru w postaci dwuwymiarowej macierzy dla każdej z trzech wartości:, x, y. Aby w pełni wykorzystać zalety urządzenia, należy przedstawić wynik pomiaru w postaci rozkładu zmierzonych wartości na badanej powierzchni. Przykład wizualizacji wyników pomiaru wzornika Macbeth Color Checker Semi Gloss (MCCSG) oświetlonego iluminantem A przedstawiono na rys. 3. CIE y CIE x CIE CIE a CIE b Rys. 2. Przykład pełnego opisu barwy A (, x, y) x y A (, a, a b c) d) Rys. 3. Pomiar wzornika MCCSG za pomocą kolorymetru matrycowego. zdjęcie wzornika; luminancja w trybie FalseColors; c) współrzędna chromatyczności CIE x; d) - współrzędna chromatyczności CIE - y 220 PRZEGĄD EEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 84 NR 8/2008

3 Przykłady zastosowań Przykład praktycznego zastosowania scalonych przetworników obrazu do analizy kolorymetrycznej zaprezentowała grupa koreańskich naukowców [4]. Przedmiotem ich zainteresowania były przebarwienia skóry, pokazane na rys. 4. Rys. 4. Przebarwienia skóry [4] Jest to schorzenie wrodzone, a jednym ze sposobów jego leczenia są naświetlania laserem. Poważnym problemem była ocena skuteczności leczenia. Jej miarą jest powrót przebarwionych czerwonych lub purpurowych obszarów skóry do normalnego koloru. Subiektywna ocena wykonana przez lekarza, w warunkach szpitalnych jest niewystarczająca z wielu powodów. Kuracja trwa wiele tygodni, a warunki oceny powinny być za każdym razem identyczne. Z kolei obiektywny pomiar barwy z wykorzystaniem tradycyjnego kolorymetru jest technicznie bardzo trudny do przeprowadzenia. Dopiero zastosowanie 2 [cd/m ] kolorymetru matrycowego pozwoliło na łatwe i dokładne śledzenie postępów w leczeniu. Kolejnym częstym problemem z dziedziny medycyny jest dobór barwy wypełnień dentystycznych. Oczywiście dostępne są odpowiednie wzorniki umożliwiające ocenę barwy zębów, jednak ich zastosowanie wiąże się z subiektywną oceną wykonywaną przez lekarza. Jest ona zależna od wielu czynników i nie zawsze musi być prawidłowa. Zbliżonym zagadnieniem jest śledzenie postępów przy wybielaniu zębów. Zastosowanie kolorymetru matrycowego ułatwia obiektywną ocenę postępów przeprowadzanych zabiegów i wprowadzenie ewentualnych korekt do procesu. Dodatkowe korzyści wynikające z zastosowania kolorymetru matrycowego to rejestrowanie w postaci zdjęć efektów przeprowadzonych zabiegów, możliwość szczegółowej analizy i porównań. Wykonanie monitora CD o przekątnej dochodzącej do kilkudziesięciu cali i znakomitej równomierności wyświetlania obrazu nie stanowi przy obecnej technologii problemu. Często jednak stosuje się jeszcze większe ekrany o kilkunastometrowych przekątnych, w których elementami świecącymi są ED-y. Ponieważ ED-y charakteryzują się dużymi rozrzutami produkcyjnymi parametrów, aby uzyskać dobry obraz, wolny od przebarwień o dużej równomierności, należy wykonać kalibrację takiego wyświetlacza. Do kalibracji można wykorzystać kolorymetr matrycowy. Jest on sprzężony ze sterownikiem wyświetlacza i na podstawie zmierzonych wartości barwy i jasności koryguje ustawienia wyświetlacza. Po wykonaniu kalibracji i zapisaniu współczynników korygujących kolorymetr jest odłączany. CIE - x CIE - y c) Rys. 5. Rozkład luminancji oraz współrzędnych chromatyczności dla przykładowych monitorów : CD nr 1; CRT; c) CD nr 2 Kolorymetr matrycowy może być także wykorzystany do kalibracji różnego rodzaju urządzeń multimedialnych, takich jak: monitory, drukarki, rzutniki. Dotychczas do kalibracji wykorzystywano kolorymetr, którym mierzono barwę pól testowych, a wyniki pomiaru ręcznie lub automatycznie wprowadzano do komputera. Na podstawie wyników pomiaru są tworzone profile przetwarzania kolorów dla danego urządzenia (np. ICC). Zamiast wykonywać serię pomiarów można wykorzystać kolorymetr matrycowy, który zarejestruje i przeanalizuje wszystkie pola testowe w trakcie jednego ujęcia, co znacznie przyspiesza pracę. PRZEGĄD EEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 84 NR 8/

4 Kolorymetr matrycowy można wykorzystać nie tylko do kalibracji, ale także i do pomiarów parametrów monitorów i wyświetlaczy [5]. Rozkład luminancji oraz współrzędnych chromatyczności trzech przykładowych monitorów przedstawiono na rys. 5. Na rys. 5 przedstawiono wyniki pomiaru monitora CD niskiej jakości. Można zaobserwować duże zmiany luminancji (od 43 cd/m2 do 73 cd/m2) oraz współrzędnych chromatyczności (wsp. CIE - x od 0,250 do 0,285; wsp. CIE y od 0,264 do 0,300). Na rys. 5 przedstawiono wyniki pomiaru używanego monitora CRT. Widać wyraźne różnice w luminancji poszczególnych fragmentów, a także zmiany barwy wynikające z nierównomiernego zużycia luminoforu w kineskopie. Zmiany luminancji wynoszą od 18cd/m2 do 25cd/m2, a zmiany wartości współrzędnych chromatyczności (wsp. CIE - x od 0,330 do 0,350; wsp. CIE y od 0,330 do 0,355). Na rys. 5 c) przedstawiono wyniki pomiaru dobrej klasy monitora CD. uminancja obrazu zmienia się w zakresie od 87 cd/m2 do 106 cd/m2, a współrzędne chromatyczności CIE x od 0,333 do 0,342 oraz CIE y od 0,342 do 0,358. Ostatni monitor wykazał największą równomierność zarówno luminancji jak i barwy. Wyniki pomiarów podsumowano w tabeli 1. Motoryzacja Od kilku lat na ulicach można spotkać pojazdy wyposażone w reflektory ze źródłem ksenonowym. Układ optyczny takiego reflektora składa się ze źródła ksenonowego, odbłyśnika, przesłonki poprawiającej kształt granicy światła i cienia (GSC) oraz soczewki. Aberacje chromatyczne w soczewce oraz szeroki zakres widma światła emitowanego przez źródło ksenonowe powoduje, że na granicy światła i cienia zauważyć można zjawisko rozszczepienia światła podobnie jak ma to miejsce w pryzmacie (rys. 6 ). Obserwator widząc w pewnych kątach obserwacji (w pobliżu GSC) niebieskawą barwę światła (pieszy, kierowca poprzedzającego pojazdu obserwujący drogę w lusterkach) może mieć wrażenie, że zauważył światło ostrzegawcze pojazdu uprzywilejowanego. Może to prowadzić do nieporozumień i niebezpiecznych sytuacji na drodze. Obecne wymagania dotyczące reflektorów pojazdów zawierają definicję pola barwowego na wykresie współrzędnych chromatyczności CIE (x, y) wewnątrz którego musi się znajdować barwa światła wysyłanego przez reflektor. Nie sprecyzowano wymagań dotyczących równomierności rozkładu barwy na ekranie pomiarowym. Zastosowanie do analizy kolorymetru matrycowego pozwala na szybki i obiektywny pomiar rozkładu współrzędnych chromatyczności jak przedstawiono na rys. 6 i c). Dzięki temu istnieje możliwość opracowania nowych wymagań uwzględniających równomierność barwy plamy świetlnej reflektora, co wpłynie na poprawę bezpieczeństwa ruchu drogowego. Obecnie kontrola eksploatacyjna świateł sygnałowych pojazdów sprowadza się jedynie do oględzin wykonywanych podczas badania technicznego pojazdu. W praktyce oznacza to sprawdzenie działania świateł bez pomiaru światłości oraz barwy światła. Wpływ prawidłowego postrzegania sygnałów świetlnych na bezpieczeństwo ruchu drogowego jest oczywisty i znaczący, natomiast ocena parametrów świetlnych w trakcie przeglądu jest niewystarczająca. Wykorzystując kolorymetr matrycowy [6] można opracować metodykę badań, pozwalającą na szybki obiektywny pomiar światłości oraz barwy świateł sygnalizacyjnych. Przykład takiego pomiaru przedstawiono na rys. 7. Obiektem badań była lampa kierunku jazdy przystosowana do żarówki PY21W. Na bańce tej żarówki naniesiony jest filtr barwny, tak aby emitowała światło barwy żółtej samochodowej. Często jednak zdarza się, że filtr w wyniku częstych zmian temperatury łuszczy się i odpada od bańki. Efektem tego jest kierunkowskaz emitujący światło barwy białej, zamiast żółtej samochodowej. Na rys. 7 przedstawiono zdjęcie lampy z żarówką z uszkodzonym filtrem barwnym, na rys. 7 i c) rozkład współrzędnych chromatyczności na kloszu lampy. Na rys. 7 d), e), f) przedstawiono analizę tej samej lampy ale z nową żarówką o prawidłowej barwie. c) Rys. 6. Zjawisko rozszczepienia światła na granicy światła i cienia w reflektorze ksenonowym Średnie wartości wyniku pomiaru barwy przedstawiono w tabeli 2. Dodatkowo w tabeli umieszczono także wynik pomiaru światłości wyznaczonej na podstawie pomiaru luminancji klosza lampy. Wymagania dotyczące barwy dla świateł kierunku jazdy, określone w Reg. 7 EKG ONZ, nie są spełnione dla lampy z wyblakłą żarówką. Tabela 2. Wyniki pomiaru światłości i barwy lampy kierunku jazdy ampa I [cd] CIE - x CIE - y z żarówką z uszkodzonym filtrem 284 0,511 0,409 z nową żarówką 188 0,592 0, PRZEGĄD EEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 84 NR 8/2008

5 Tabela 1. Analiza rozkładu luminancji i barwy testowanych monitorów [cd/m 2 ] CIE - x CIE y Monitor Min Max Min Max Min Max CD nr ,250 0,285 0,264 0,300 CRT ,330 0,350 0,330 0,355 CD nr ,333 0,342 0,342 0,358 Zdjęcie lampy Rozkład CIE x Rozkład CIE - y c) d) e) f) Rys. 7. Analiza rozkładu współrzędnych chromatyczności dla światła kierunku jazdy:,, c) z wyblakłą żarówką PY21W; d), e), f), z nową żarówką PY21W Ochrona przyrody, rolnictwo, przemysł spożywczy Scalone przetworniki obrazu są wykorzystywane w rolnictwie i ochronie przyrody. Do analizy wykorzystuje się obrazy satelitarne i lotnicze. Na podstawie barwy można ocenić wilgotność lasu, stopień dojrzałości upraw, skład pokrywy roślinnej. Obok analizy współrzędnych chromatyczności prowadzone są także bardziej złożone analizy widmowe. Zamiast trzech filtrów do pomiaru składowych trójchromatycznych stosuje się wtedy odpowiednio większą liczbę filtrów pasmowoprzepustowych, co pozwala na pomiar rozkładu widmowego promieniowania. Kolorymetria jest również szeroko stosowana w przemyśle spożywczym do oceny jakości mięsa, owoców, warzyw oraz kontroli procesów produkcyjnych. Podsumowanie Kolorymetr matrycowy pozwala na prowadzenie nowych badań i analiz w wielu zastosowaniach. Opracowany w Instytucie Transportu Samochodowego model takiego urządzenia zostanie wykorzystany głównie w badaniach związanych z diagnostyką oświetlenia samochodowego oraz pomiarami oznakowania i oświetlenia ulic. Prace w tych dziedzina wpłyną na poprawę bezpieczeństwa ruchu drogowego. ITERATURA [1] Rafałowski M., Scalone analizatory obrazu w pomiarach techniki świetlnej i ocenie kształtu obiektów, Białystok 2004 [2] Moćko W. Zastosowanie scalonych przetworników obrazu do analizy kolorymetrycznej, Technika Świetlna '2006, XV Krajowa Konferencja Oświetleniowa, Warszawa 2006 [3] Moćko W. Zastosowanie fotografii cyfrowej do pomiarów barwy Przegląd Elektrotechniczny, ISSN , R. 83 NR 1/2007, s [4] Chang-Seok Kim, Moon Ki Kim, Byungjo Jung, Bernard Choi, Wim Verkruysse, Myung-Yung Jeong, and J. Stuart Nelson, Determination of an optimized conversion matrix for device independent skin color image analysis [5] Video Electronics Standards Association (VESA) Flat Panel Display Measurements Standard Version 1.0, Milpitas, CA, [6] Żagan W., Podstawy teoretyczne i koncepcja techniczna nowatorskiego systemu kompleksowej diagnostyki oświetlenia pojazdów, Projekt badawczy nr 9T12 C Autorzy: dr inż. Wojciech Moćko, dr inż. Piotr Kaźmierczak, Instytut Transportu Samochodowego, Zakład Oświetlenia i Wyposażenia Elektrycznego Pojazdów, ul. Jagiellońska 80, Warszawa, wojciech.mocko@its.waw.pl piotr.kazmierczak@its.waw.pl, PRZEGĄD EEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 84 NR 8/