CC BY
156
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
УДК 535.65.083.6
М.А. Завьялова, Ю.В. Обидин
КТИ НП СО РАН, Новосибирск
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ КЛАССИФИКАЦИИ АЛМАЗОВ ПО ЦВЕТУ
В статье предложен метод классификации алмазов по цвету, основанный на регистрации и последующей обработке изображения алмаза. Обработка изображений позволяет значительно минимизировать влияние на результат измерения как индивидуальных характеристик алмаза, так и особенностей прохождения света через алмаз. В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что исключение из анализа малоинформативных точек изображений позволяет повысить точность сортировки алмазов до 98 %.
теория цвета, RGB-метод, сортировка алмазов по цвету.
M.A. Zavjalova, Y.V. Obidin
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering (TDI SIE)
Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (SB RAS)
41, Russkaya str., Novosibirsk, 630058, Russia
HIGH-PERFORMANCE COLORIMETRIC METHOD FOR AUTOMATIC COLOUR CLASSIFYING DIAMONDS
The article considers method for classifying diamond according to their color based on diamond digital images registration and their after-treatment. Image processing allows greatly to minimize the influence of the position, glare and individual particularities of the diamond on result of the measurement. The results of the experiments have demonstrated the increasing of the sorting accuracy up to 98 per sent when proper exclusion of flares, black inclusions and the areas adjoining crystal edges was made.
color theory, RGB-method, classification diamonds by color.
В алмазной промышленности сырье разделяют по размеру, по форме и по качеству кристаллов. Цвет алмазов является одним из важнейших показателей качества. Наибольшую ценность представляют прозрачные алмазы и алмазы с небольшим оттенком или фантазийной окраски, используемые в ювелирной промышленности. Менее ценятся алмазы насыщенных коричневых цветов, которые идут на переработку с последующим изготовлением из них точильных камней, порошков для полировки и т. п.
В России алмазы сортируются по цвету преимущественно вручную. Кроме низкой производительности и высокой стоимости, ручная сортировка обладает недостатком, связанным с зависимостью результатов как от наблюдателя и условий наблюдения, так и от индивидуальных особенностей алмаза, в частности
101
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
от его размера, формы и качества. Создание и исследование методов и средств определения цвета, пригодных для высокоскоростной автоматической сортировки алмазов, позволит повысить производительность труда при сортировке и избежать субъективности ее результатов.
Сортировка алмазов по цвету используется на всех предприятиях по добыче алмазов. Существуют стандарты, которые определяют цветовые группы алмазов в зависимости от интенсивности окраски и цветового оттенка. В соответствии с требованиями ГОСТ Р 51519.2-99, основой цветовой классификации образцов алмазов является визуальная оценка их цвета.
Особенности задачи
Существует отлаженная система классификации алмазов по цвету. Сортировка выполняется в соответствии с требованиями стандартов и методик в специальных помещениях с использованием вспомогательных технических средств, что позволяет получать стабильные результаты сортировки, слабо зависящие от времени и места ее проведения. В этой связи при создании средств автоматической сортировки алмазов следует стремиться к получению результатов, совместимых с ручной технологией на основе оценок эксперта. Это может быть достигнуто путем вычисления таких параметров цвета, которые являются общепринятыми при визуальном контроле. Вероятно, что и условия, при которых производятся измерения цвета, должны быть близки к условиям визуального контроля.
При визуальной оценке цвета обычно говорят о трех основных характеристиках - собственно о цвете, о насыщенности и о прозрачности (яркости) алмаза. В технических терминах цвет определяется доминирующей длиной волны Xd, т. е. такой длиной волны спектра излучения (поглощения), на которой в спектре имеется преобладающее по мощности излучение. Насыщенность цвета N - параметр цвета, характеризующий степень чистоты цветового тона. Он определяется отношением мощности спектра излучения на доминирующей волне ко всей мощности. Очевидно, что чем шире спектр зарегистрированного светового потока, тем меньше насыщенность цветового тона. С приближением цвета к спектральному (то есть с уменьшением ширины спектра) его насыщенность возрастает. Прозрачность алмаза I при аппаратном измерении может быть оценена уровнем или яркостью сигнала, прошедшего через алмаз I = Iqt (I0 - интенсивность освещающего сигнала, т - коэффициент пропускания алмаза). Этот параметр характеризует главным образом дефектность алмаза, указывая на наличие в теле кристалла непрозрачных включений и трещин.
Индивидуальные свойства алмазов (трещины, сколы, включения, неоднородности и пр.) приводят к тому, что результаты измерений алмазов одного и того же цвета существенно зависят от индивидуальных особенностей алмазов. Повышение точности определения цвета алмаза возможно на основе более полного учета совокупности его характеристик.
Задачей исследования являлся поиск методов колориметрии, позволяющих снизить влияние индивидуальных оптических свойств алмаза на результаты измерения его цвета.
102
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
Описание метода
Рассмотрим принцип метода, который реализуется следующим образом: объект освещается источником «белого» света, а прошедший поток регистрируется тремя приемниками излучения с различными (достаточно узкими) диапазонами спектральной чувствительности. Либо объект поочередно освещается красным (R), зеленым (G) и синим (B) пучками света, которые, проходя через объект, регистрируется одним фотоприемником. Значения сигналов, полученных при регистрации трех компонент спектра, однозначно определяют цветовые координаты в системе RGB. Существует множество систем координат для определения цвета [1, 2, 3] по трем компонентам RGB. Матрицы преобразования из одной системы координат в другую линейны, из чего следует, что преобразование цветовых координат не дает дополнительной информации при классификации по цвету. Выбор системы координат определяется удобством построения разделяющих границ для отнесения алмазов к той или иной категории цвета.
Следует отметить положительные характеристики фотоэлектрического метода: он прост в реализации и максимально адаптирован к визуальному восприятию цвета. Однако при измерениях цветовых характеристик алмазов этот метод может давать большие ошибки, связанные с наличием внутренних включений, бликов на поверхности и микробликов на сколах и ребрах. Результаты измерений существенно зависят от положения и формы алмаза, от качества его поверхности.
Авторами проведено исследование возможностей быстродействующего фотоэлектрического метода в сочетании с цифровой обработкой изображений. Регистрация изображений осуществлялась цифровым фотоаппаратом или видеокамерой (рис. 1), в которой используется ПЗС-матрица с обособленными каналами RGB.
Кривые чувствительности элементов матрицы близки к кривым чувствительности человеческого глаза. Именно поэтому цветную камеру можно считать своеобразной моделью глаза, которая позволяет вычислять значения RGB, усредняя или интерполируя данные по всем элементам изображения - пикселям. Найденные средние значения R-, G-, B-компонент переводились в цветовую систему координат XYZ по следующим формулам [2]:
Рис. 1. Оптическая схема измерений с использованием цветной видеокамеры
103
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
X = 2,7687R + 1,7516G + 1,13015;
Y = 1,0000R + 4,5904G + 0,06015;
Z = 0,0000R + 0,0565G + 5,59395.
В данном трёхкомпонентном цветовом пространстве положение любого цвета определено двумя координатами цветности xob, yob:
_ X ; _ Y
Xob _ X + Y + Z ’ УоЬ _ X + Y + Z ‘
Заметим, что zob-компонентой пренебрегают [2], поскольку её значение может быть получено из значений двух других координат. Это связано с тем, что между тремя координатами цветности существует линейная зависимость: x + y + z = 1 и для однозначного определения положения цвета необходимо и достаточно только двух координат X и У.
Эти координаты дают возможность оценить насыщенность и доминирующую длину волны цвета измеряемого объекта. Насыщенность описывается следующим выражением [2]:
N _ y(xsrc xob ) +(ysrc yob )
(xsrc — Wx ) + (ysrc — Wy iP
где xsrc и ysrc - координаты цветности источника, воспроизводящего условия освещения усреднённым дневным светом; Wx и Wy - координаты цветности, полученные в точке пересечения цветового локуса с прямой, соединяющей точку источника (xsrc, ysrc) с точкой цвета (хob, yob) измеренного объекта. При цветовых измерениях обычно используют нормализованный источник D65, координаты цветности которого равны: xD65 = 0,313; yD65 = 0,329.
Доминирующая длина волны определяется интерполяцией табличного значения длины волны, в котором каждой X соответствует определенная точка с координатами цветности на цветовом локусе Wx и Wy [1]. Следует отметить, что такой метод при определении доминирующей длины волны не достигает абсолютной точности спектрофотометра. Однако он вполне подходит для сравнительных измерений.
Дополнительная обработка изображений алмаза была направлена на поиск и исключение из анализируемой области точек, соответствующих бликам, включениям, дефектам формы и т. д. с тем, чтобы получить неискаженную оценку цвета, приблизить результаты измерений к экспертным оценкам, повысить достоверность получаемых результатов.
Экспериментальные результаты
104
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
На первом этапе для проверки возможностей цифровой регистрации и обработки изображений было сделано около 100 снимков с помощью цифрового фотоаппарата. Алмаз размещался на белом горизонтальном столе. Отраженный и рассеянный свет регистрировался на матрице фотоаппарата. Коррекция измеренных значений цветовых параметров путем учета индивидуальных особенностей алмаза в процессе измерения выполнялась вручную в пакете Mathcad и Photoshop следующим образом. Для этого были разработаны алгоритмы, позволяющие исключать из процедуры расчетов те области изображения, которые резко отличаются по своим параметрам от основной массы. К таким точкам могут относиться как очень яркие участки изображения, обусловленные появлением бликов на поверхности алмаза, так и очень темные участки, возникающие на изображении вследствие наличия в алмазе внутренних дефектов. Несмотря на то, что спектральная чувствительность фотоаппарата не аттестована и, более того, при сохранении изображений в формате JPEG были потеряны тонкие отличия в цвете соседних областей изображения, - получены результаты, которые во многом совпадают с результатами ранее проводившихся фотометрических и спектрометрических измерений [4]. Совпадение наблюдаются как по относительным результатам и их разбросу, так и по абсолютным оценкам. На рис. 2 приведены результаты измерений доминирующей длины волны Xd и насыщенности цвета N по значениям RGB, полученным после обработки цифровых фотоснимков.
Рис. 2. Результаты измерений насыщенности и длины волны по цифровым изображениям алмазов категорий цветности 1 col - 5col
105
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
Из рисунка видно, что использование доминирующей длины волны и насыщенности в качестве оценочных критериев позволяет выделить алмазы следующих категорий цветности: «Extra+1C» - прозрачные и бесцветные алмазы; «2С» - алмазы с едва уловимым жёлтым оттенком; «3С» - алмазы с незначительным жёлтым оттенком, «4С» - алмазы с небольшим желтоватым оттенком и «5С... Cape» - алмазы с видимым жёлтым оттенком.
Для более полной проверки колориметрического метода был создан макет сортирующего устройства, в котором вместо фотоаппарата применена цветная цифровая камера. На этом этапе алгоритмы обработки изображений были реализованы программно.
Всего исследованиям было подвергнуто около 750 алмазов. В ходе экспериментов измерялись цветовые характеристики эталонных коллекций. По полученным данным определялись границы насыщенности цвета алмазов различных категорий и длины волны для алмазов желтых и коричневых цветов. Затем по этим границам осуществлялась сортировка алмазного сырья. Высокий процент (98 %) правильной сортировки показал перспективность такого подхода: обработка цифровых изображений позволяет свести к минимуму влияние бликов отраженного света и собственных дефектов кристалла, существенно искажающих результат сортировки.
Заключение
Таким образом, авторами исследованы возможности применения при сортировке алмазов колориметрического метода в сочетании с цифровой обработкой изображений. С помощью такого подхода оказывается возможным существенно минимизировать влияние на результат измерения индивидуальных особенностей алмаза, приблизить получаемые оценки цвета к результатам экспертной оценки. В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что исключение из анализа малоинформативных точек изображений позволяет повысить точность сортировки алмазов до 98 %. Ведется разработка автоматической оптико-электронной системы для сортировки алмазов по цвету, которая позволит сортировать алмазы на 10 категорий цветности со скоростью 5 алмазов/с.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Джадд, Д.В. Цвет в науке и технике / Д.В. Джадд, Г. Вышецки // Мир. -1978.
2. Луизов, А.В. Цвет и свет / А.В. Луизов // М: Энергоатомиздат, - 1989.
3. Кривошеев, М.И. Цветовые измерения / М.И. Кривошеев, А.К. Кустарев. - М.: Энергоатомиздат, 1990.
4. Клюев, Ю.А. Некоторые результаты измерения цвета алмазов / Ю.А. Клюев, А.М. Налетов, Н.А. Колчеманов, Б.Н. Фейгельсон, Н.Г. Зудин // Всероссийская конференция «Алмаз в технике и электронике. На пороге 3 тысячелетия». - 2000. - С. 76-84.
Получено 10.12.2010
© М.А. Завьялова, Ю.В. Обидин, 2010
106
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
М.А. Завьялова - младший научный сотрудник. Тел.: (383) 333-74-95.
Ю.В. Обидин - канд. техн. наук, старший научный сотрудник. Тел.: (383) 333-74-95.
107
