CC BY
45
ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 658.562.012.7:691.421
Н. Н. Умарова, В. Ф. Сопин, А. Г. Сакаева
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ЦВЕТОВОЙ ГАММЫ КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА
В ЦВЕТОВЫХ МОДЕЛЯХ
Ключевые слова: хемометрический анализ, метод главных компонент, цвет, керамический кирпич.
В работе предложен экономичный и экспрессный вариант идентификации цвета кирпича посредством обработки оптического изображения с помощью специализированной компьютерной программы RAL C1 Digital 4.0. С помощью хемометрических методов анализа показан характер взаимосвязи оттенков цвета готового кирпича с температурой обжига и соотношением глин.
Keywords: chemometric analysis, principal component analysis, color, ceramic brick.
In this paper we propose a cheap and fast option identify the color of the brick by processing the optical images using specialized computer programs RAL C1 Digital 4.0. Using chemometric methods of analysis shows the relationship of colors brick with firing temperature and the ratio of clay.
Современные архитектурно-строительные требования к разнообразию декоративной отделки зданий определяют необходимость увеличения выпуска лицевого кирпича различной окраски. Для увеличения цветовой гаммы производители керамического кирпича применяют различные технологии: варьируют температуру и режимы обжига, смешивают глины различных оттенков, добавляют в сырьевую смесь красители-пигменты, а также прибегают к поверхностной обработке кирпичей специальными составами.
Однако в силу специфики технологии производства кирпича небольшие изменения соотношения глин, концентрации вводимого пигмента, колебания температурного режима в печи приводят к изменениям в оттенках выпускаемой продукции. Хотя жестких требований к колориметрическим характеристикам
керамического кирпича стандартами не устанавливается, на практике часто возникают ситуации, когда на фасаде здания, видны участки кирпичной кладки, отличающиеся разнотонностью цвета, что ведет к недовольству потребителей.
Поскольку в нормативных документах, устанавливающих требования к керамическому кирпичу и методам его анализа, отсутствуют какие-либо предписания в части измерения цвета изделий, выбор той или иной колориметрической системы, а также методов определения цветовых характеристик остается на усмотрение производителя.
Существует множество подходов для описания цвета изделий. В строительстве традиционно используется шкала RAL, в производстве лаков и красок - колориметрическая система L*a*b*, в полиграфии - модели RGB, CMYK, HSB, и т.д. В данной работе в процессе сравнительного анализа моделей RAL, RGB и L*a*b* для количественного описания цвета кирпича модель L*a*b* была выбрана как наиболее информативная.
В цветовом пространстве L*a*b* (рис. 1) каждый цвет представлен точкой с тремя координатами: L* (светлота (Lightness)) -субъективный признак, характеризующий ощущения объективной величины яркости цвета; a* - характеризует величину красной/зеленой составляющей; b* - характеризует величину желтой/синей составляющей [1, 2].
Рис. 1 - Модель описания цвета Ь*а*Ь
Методы оценки цветовых различий можно разделить на две категории. Первая - визуальная оценка идентичности цвета анализируемого объекта и эталонного цвета. Данный метод удобен и экономичен, но свойства поверхности и окраска эталонных образцов могут изменяться со временем. Визуальный контроль колориметрических характеристик к тому же отличается высокой степенью субъективности [3].
Вторая категория - инструментальные методы количественной оценки цвета (спектрофотометрический и колориметрический)
[4]. Однако приборы количественной оценки цвета достаточно дороги и не всегда доступны производителю.
Альтернативой является обработка оптического изображения измеряемого объекта с помощью таких компьютерных программ, как: Launch RGB Color Generation, Pixie, HTMLColors2000, Colorpix, RAL C1 Digital и т.д. Наиболее простой и представленного ряда, на наш программа RAL C1 Digital. Она математическую информацию о цвете в
информативной из взгляд, является даёт виде
числовых значений цветовых координат в заданном цветовом пространстве.
Данная работа по исследованию цвета керамических изделий была основана на изучении 30 экспериментальных (или модельных) образцов, приготовленных при различном соотношении двух видов глин (красножгущейся глины ключищинского месторождения и светложгущейся глины максимовского месторождения Республики Татарстан) .и различных температурах обжига.
Для идентификации цвета были проведены съемки цифровым фотоаппаратом в двух вариантах: при дневном освещении и со вспышкой. Обнаружено, что условия съемки играют существенную роль в правильном отражении цветовых характеристик: цвет образцов, который мы воспринимаем органолептически, более точно передан на фотографиях со вспышкой. Далее с помощью программы RAL C1 Digital по полученным фотографиям для всех исследуемых образцов найдены координаты цветовых характеристик в системах L*a*b*, RGB и RAL. Таким образом, получена таблица данных размера 30х10 (рис. 2).
Рис. 2 - Исходная матрица хемометрического анализа
данных для
Кроме того, путем анализа координат цвета случайно отобранного образца установлено, что случайные погрешности измерения координат цвета керамического кирпича предложенным способом составляют не более 5 %.
Для установления взаимосвязи между переменными, отвечающими за цвет (L*, a*, b*, RAL, R, G, B), и переменными, отвечающими за рецептуру получения керамического изделия (соотношение
концентраций двух глин и температура обжига) был проведен корреляционный анализ. Результаты анализа представлены в таблице на рис. 3.
На рисунке 3 коэффициенты корреляции, значимые на уровне р<0,05, выделены красным цветом. Как можно видеть из первой и второй строки матрицы корреляций, существует тесная связь всех цветовых параметров с соотношением глин, что вполне закономерно, ибо цвет готовой продукции в значительной степени зависит от цвета исходных сырьевых материалов. Однако с температурой обжига связана только одна переменная - координата красноты а* колориметрической системы L*a*b. Это свидетельствует о более высокой чувствительности системы L*a*b к изменениям технологических режимов получения керамического кирпича, чем RAL и RGB.
Рис. 3 - Таблица коэффициентов корреляций в программе 8ТЛТ18Т1СЛ
Далее с помощью метода главных компонент проведен анализ координат цвета образцов в колористической системе L*a*b*. Этот метод позволяет выделить в большом массиве данных скрытые (латентные) переменные и проанализировать связи, существующие в изучаемой системе. Наиболее информативные инструменты метода главных компонент - графики счетов и графики нагрузок. Счета - координаты образцов в пространстве главных компонент. Нагрузки - коэффициенты перехода от исходных переменных к новым (главным компонентам) [5]. В качестве переменных-предикторов были взяты координаты цвета, в качестве переменных-откликов - технологические переменные (соотношение глин и температура обжига). Полученная МГК-модель имеет две главные компоненты, которые описывают порядка 90 % информации, содержащейся в исходной матрице данных.
Изучая график счетов (рис. 4), полученный для колористической системы L*a*b*, можно сделать вывод, что в распределении данных в проекционном пространстве отсутствует хаотический разброс, и напротив, - видна отчетливая структура. Стрелками указано направление увеличения содержания
красножгущейся ключищинской глины в шихте и уменьшения содержания светложгущейся максимовской глины. Расстояние между линиями в 50 °С значимо: видимые линии не пересекаются. Это свидетельствует о том, что, несмотря на видимую схожесть, цвета обожженных при разной температуре изделий не будут идентичными,
разница все же будет существенно проявляться в оттенках.
График нагрузок (рис. 5) помогает понять физический смысл главных компонент. Первая главная компонента (Factor 1) - это скрытая переменная, отражающая цветовые различия в образцах. Вторая главная компонента (Factor 2) -это температурная переменная. Линия роста температуры обжига перпендикулярна оси соотношения двух видов глин, а ось «ключищинская глина» - «максимовская глина», в свою очередь,
параллельна линиям-изотермам, обозначенным на графике счетов.
По графику нагрузок видно, что наибольшую нагрузку на вторую (температурную) компоненту среди координат цвета Ь*а*Ъ* оказывает переменная «краснота а*», иными словами, она является показателем, который в наибольшей степени дискриминирует образцы в зависимости от условий их термообработки, причем данная зависимость является обратно пропорциональной.
3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5
£ 0,0
со
* -0,5 £
-1,0 -1,5 -2,0 -2,5 -3,0 -3,5
13
-----------. _.гг.
14 15
- - J_5 16 17
.10
11
1100 C
12
19 20 21
_ 21 2 2 23
25,
-2-6 27 - 29^
18 1050 C
1000 C
24
30 950 C
■ ^
900 C
-6
-4
-1 0 1 2 ГК 1: 69,89%
3
4
5
6
7
Рис. 4 - График счетов МГК-модели Ь*а*Ь*в пространстве первых главных компонент ГК1 - ГК2 (с указанием температур обжига)
1,0
0,5
-0,5
-1,0
-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0
ГК 1 : 69,89%
Рис. 5 - График нагрузок МГК-модели Ь*а*Ь* в пространстве первых главных компонент ГК1 - ГК2
Таким образом, в работе предложен экономичный и экспрессный вариант идентификации цвета кирпича посредством обработки оптического изображения с помощью специализированной компьютерной программы RAL C1 Digital 4.0. С помощью хемометрических методов анализа показан характер взаимосвязи оттенков цвета готового кирпича с температурой обжига и соотношением глин.
Литература
1. ГОСТ Р 52489-2005 Колориметрия. Часть 1. Основные положения. - М.: Изд-во стандартов, 2005.
2. Юстова Е.Н. Цветовые измерения (Колориметрия). СПб.: Изд-во СПб. Ун-та, 2000.- 397 с.
3. Горбачева М.М., Ефанкина А.Н. Нормирование цветового различия с применением инструментальных и визуальных оценок // Лакокрасочные материалы и их применение. 1987. - №3. - С.36-38.
4. ГОСТ Р 52662-2006 Колориметрия. Часть 2. Измерение цвета. - М.: Изд-во стандартов, 2006.
5. Эсбенсен К. Анализ многомерных данных. Избранные главы / К. Эсбенсен. - Черноголовка: Изд-во ИПХФ РАН, 2005. - 160 с.
© Н. Н. Умарова - канд. хим. наук, доц. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ, [email protected]; В. Ф. Сопин - д-р хим. наук, проф., зав. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ, А. Г. Сакаева - аспирант кафедры аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ, [email protected].
© N. N. Umarova - Ph.D. in Chemistry, Associate Professor of Department of Analytical Chemistry, Certification and Quality Management KNRTU, [email protected] ; V. F. Sopin - Dr. Sci. (Chem.), Full Professor of Department Analytical ^emistry, Certification and Quality Management KNRTU, A. G. Sakaeva - graduate student of the Department of Analytical chemistry, Certification and Quality Management KNRTU, [email protected].
