Параметры цвета объектов с объемным рассеянием света при изменении условий их освещения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

ГОЛОВКОВ Олег Леонидович

Параметры цвета объектов с объемным рассеянием света при изменении условий их освещения

Специальность 01 04 05 - Оптика

аи344С 15В

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 8 СЕН 2003

Саранск 2008г

003446156

Работа выполнена в ГОУВПО «Рязанский государственный университет им С А Есенина»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

ЧЕРНОВ Евгений Иванович

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук, профессор

ЩЕННИКОВ Владимир Николаевич

кандидат физико-математических наук ДЯТЛОВ Михаил Константинович

Ведущая организация ФГУП НПО «Государственный институт прикладной оптики», г Казань

Защита состоится 15 октября 2008г в 14°° часов на заседании диссертационного совета Д 212 117 13 при ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н П Огарева» по адресу 430000, г Саранск, ул Большевистская, д 68а, ауд 243

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Мордовский государственный университет имени Н П.Огарева»

Автореферат разослан «_»_2008г

Ученый секретарь диссертационного совета

И Н. Кошин

Общая характеристика работы Актуальность исследования. В настоящее время в различных областях науки и техники (полиграфии, фотографии, передаче видеоинформации, хроматографии, медицине, фармакологии, экологии, стоматологии и т и) широко используются колориметрические методы измерения цветовых параметров объектов

Практикой установлено, что используемые в стоматологической практике, методы и приборы измерения цвета зубов - типичных представителей объектов с объемным рассеянием света, не позволяют точно определить цветовые параметры зубов в условиях изменяющегося внешнего освещения Представляется, что высокоточные методы измерения цветовых параметров объектов полностью рассеивающих свет на поверхности [2], [3], не подходят для объектов с объемным рассеянием света

Применение существующих теорий, описывающих распространение и рассеяние излучение в мутных средах (Релея, Ми, переноса, диффузного приближения, Тверского, Кубелки и Мунка и т п ) для анализа параметров цвета исследуемых объектов в условиях изменяющегося внешнего освещения невозможно, так как эти теории не учитывают углы падения излучения на поверхность исследуемой трехмерной среды В связи с чем, для анализа влияния на параметры цвета объектов с объемным рассеянием света условий освещения, актуальна разработка математической модели распространения и рассеяния света в объектах с объемным рассеянием света, учитывающей углы падения света на исследуемую поверхность, при условии приема излучения со стороны падения света Целью настоящей работы является

- определение закономерностей поведения параметров цвета объектов с объемным рассеянием света при изменении условий освещения,

- определение возможности корректного измерения параметров цвета объектов с объемным рассеянием света

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

- разработка математической модели распространения и рассеяния излучения в однородных и двухслойных объектах с объемным рассеянием света при приеме излучения со стороны падения света, учитывающей углы падения освещающего объект света;

- расчет влияния кратности рассеяния излучения в среде на параметры цвета объектов с объемным рассеянием света при изменении углов падения света на поверхность исследуемых объектов,

- проведение измерений параметров цвета объектов с объемным рассеянием света при различных условиях освещения, направленных на сопоставления полученных результатов и теоретических расчетов

Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в следующем

1 Разработана математическая модель распространения и рассеяния света в однородных и двухслойных объектах с объемным рассеянием света, учитывающая углы падения света на поверхность объекта, в случае приема излучения со стороны падения света, для однократного, двукратного и трехкратного рассеяния

2 Установлена зависимость параметров цвета объектов с объемным рассеянием света от геометрической формы рассеивающих свет частиц при изменении углов падения освещающего объект света

3 Показана невозможность корректного измерения параметров цвета исследуемых объектов при использовании зоны затемнения,

4 Показана возможность идентификации, как верхнего, так и нижнего слоев двухслойных объектов с объемным рассеянием света при использовании зоны затемнения

5 Установлено, что искусственные стоматологические материалы и натуральные зубы имеют разные тенденции изменения параметров цвета при изменении условий освещения

Научные положения, выносимые на защиту:

1 Для объекта с объемным рассеянием света, в состав которого входят

частицы способные при однократном рассеянии отражать свет в направлении фотоприемника

- яркость объекта увеличивается с ростом угла падения света на его поверхность,

- цветовой тон объекта изменяется в сторону длины волны, соответствующей максимальной составляющей спектра пропускания объекта при уменьшении угла падения света на его поверхность,

- насыщенность цвета объекта зависит от угла падения света

2 Для объекта с объемным рассеянием света, лишенного частиц способных при однократном рассеянии отражать свет в направлении фотоприемника

- яркость объекта может уменьшаться с ростом угла падения света на его поверхность,

- цветовой тон и насыщенность цвета объекта не зависят от углов падения света его поверхность

Практическая значимость диссертационной работы:

- установлена связь формы рассеивающих свет частиц исследуемых объектов с параметрами цвета объектов с объемным рассеянием света при изменении условий освещения объекта,

- использование дополнительных источников света позволяет корректно определять параметры цвета объектов с объемным рассеянием света,

- предложены, защищенные патентами РФ, три способа измерения параметров цвета объектов с объемным рассеянием света,

- на основании проведенных исследований показана возможность создания приборов, которые могут корректно измерять параметры цвета зубов Достоверность результатов представленного исследования основывается на применении фундаментальных законов физики и математики, подтверждения теоретических расчетов экспериментальными исследованиями

Апробация работы. Результаты исследований представлены на V

Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики и источников света», (Саранск, 2007г), на 2-й Российской научно-практической конференции «Тенденции развития отечественной философской мысли в XXI веке и перспективы регионального обществоведения», (Рязань, 2003) и на Всесоюзной научно-технической конференции «Оптика лазеров», (Ленинград, 1990г)

По материалам диссертации опубликовано научных 10 работ и получено 4 патента на изобретения

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и списка литературы из 62 наименований Она изложена на 163 страницах машинописного текста шрифтом "Times New Roman", 14пт, интервал 1,5 и содержит 75 рисунков и 2 таблицы Краткое содержание диссертации.

В ведении обосновывается актуальность темы, выделены нерешенные научные проблемы, сформулирована цель и задачи диссертационной работы Приведены основные научные результаты и научные положения, выносимые на защиту, отмечена практическая значимость выполненных исследований В первой главе диссертации представлено

- современные системы описания цветовых характеристик поверхности объектов,

- анализ современных методов определения цветовых характеристик объектов с объемным рассеянием света и приборов, созданных на их основе,

- краткий анализ применимости существующих теорий, описывающих распространение и рассеяние излучения в мутных средах, а именно теорий -Релея, Ми, переноса, диффузного приближения, Тверского, Кубелки и Мунка и т п , к анализу параметров цвета объектов при изменении углов падения света на поверхность объектов

Для анализа зависимости параметров цвета объектов с объемным рассеянием света от условий освещения, во второй главе представлена разработанная математическая модель распространения и рассеяния света в

двухслойной среде с объемным рассеянием света (мутной среде) Верхний слой исследуемой среды плоско-параллельная пластина толщиной t, имеющая показатель объемного рассеяния света — к и спектральные показатели поглощения света с„ где индекс i соответствует длинам волн RGB разложения XYZ цветового пространства Нижний слой - подложка, расположен под верхним слоем и полностью рассеивает своей поверхностью падающий на нее свет и имеет спектральные показатели поверхностного рассеяния света s, Используется фотоприемник, который имеет «игольчатую» диаграмму направленности (не более 5'), что соответствует условиям съемки объекта цифровой камерой

Для теоретического анализа были выведены следующие математические выражения [4], [11].

1 Интенсивность света, пришедшая на фотоприемник для всех возможных вариантов распространения света в среде, при учете только однократного рассеянии света в верхнем слое исследуемой среды, описывается выражением

где § - диаграмма направленности однократного рассеяния излучения на частицах среды, р - угол распространения света после его преломления на границе воздух/среда Пределы интегрирования по / определены минимальным и максимальным расстоянием от точки падения луча света на поверхность среды до точки пересечения оси диаграммы направленности фотоприемника, при котором возможно пересечение луча света с диаграммой направленности фотоприемника

Интенсивность света, пришедшая на фотоприемник для всех возможных вариантов рассеяния распространения света в среде, при учете только однократного рассеяния от второго слоя, описывается выражением

(1)

о

Ли =4> е (2)

Общий вклад в общее излучение при учете только однократного рассеяния, равен сумме двух выражений (1) и (2)

2 Интенсивность света, пришедшая на фотоприемник для всех возможных вариантов распространения света в среде, при учете только двукратного рассеянии света в верхнем слое среды, описывается выражением

4= Л, (к \ \е [ С05(7) ^усИсШсЮ ^

0 0 о л

где А = -аг

1-1 С05(р)'

, В = аг^

I соз(р)'

5 = д//?2 -ь (/ Я1п(р))2 - 2 К I 5т(р) сск(о), и 0 — координаты падения луча света относительно точки пересечения диаграммы направленности фотоприемника с поверхностью объекта в цилиндрических координатах, / - длина пути света до первого акта рассеяния, у -угол распространения света после первого акта рассеяния Пределы интегрирования по I определены минимальным и максимальным длинами пути луча света в среде до первого акта рассеяния, по у - минимальным и максимальным углами рассеяния света после первого акта рассеяния

Интенсивность света, пришедшая на фотоприемник для всех возможных вариантов распространения света в среде, при учете только однократного рассеяния света от второго слоя и однократного рассеяния света в верхнем слое, описывается выражениями

г

2л+а> соб(р) { 1+1+_5_I

/2|,=/0 (%) } | \ е Л со!("яг(('-'сю,р|)/5))]«01 (4) 0 0 о

А ООО

где J =

Для двухслойной среды общий вклад в общее излучение, только от двукратного рассеяния, равен сумме трех выражений (3), (4) и (5)

3 Интенсивность света, пришедшая на фотоприемник для всех возможных вариантов распространения света в среде, при учете только трехкратного рассеянии света в верхнем слое описывается выражениями

I

/ ч,2гг г 2Г сНа)вЛ ^.{ыжШъЬУ^-^н) 13ь=1оШ Я I / | Це 1 С05(9) >ск?сЬ{с1Ы\\н1птс1) ^

0 0 0 0 ОЛЕ

(6)

где £ = н=1'+* 2гСаяМ,

{ Г ) У Г ] ¡1СОЭ (ф) соз2(у)

/•-радиус цилиндра рассеяния света после второго акта рассеяния света, ср - угол рассеяния света после второго акта рассеяния света в цилиндре радиусом г в вертикальном сечении, у - угол рассеяния света после второго акта рассеяния света в цилиндре радиусом г в горизонтальном сечении Пределы интегрирования по г - возможные минимальный и максимальный радиус цилиндра рассеяния света при втором акте рассеяния, по ф -минимальный и максимальный углы рассеяния света после второго акта рассеяния света в цилиндре радиусом г в вертикальном сечении, по \[/ -минимальный и максимальный углы рассеяния света после второго акта рассеяния света в цилиндре радиусом г в горизонтальном сечении I с

/32,=/0 | Я Iе ч^чсисит ^

0 0 О А 0 0

(7)

где й, = + ¡1 - 2 /, /2 Бтф-у), ¡1 - длина пути распространения лучей света вдоль направления I до первого акта рассеяния, /2 - длина пути распространения лучей света вдоль направления у до второго акта рассеяния,

2л+х соэ(р) В Iсоз(р)-С^(у) соз(у)

0 0 0 /1 о о

(8)

где п2 +/,2-г /, 5ш(у), /3 - длина пути распространения

лучей света вдоль оптической оси фотоприемника до учета третьего акта рассеяния

Интенсивность света, пришедшая на фотоприемник для всех возможных вариантов распространения света в среде, при учете только двукратного рассеяния света в верхнем слое и однократного рассеяния от второго слоя, описывается выражениями

/

271=С ОП 2Л С051

/34, = /о (яф, || | \ | \е Х С05(Р) С05(ф) ^Му&йМЬ л9)

0 0 0 0 0 А

(1-1 совГр)^! где Ф = «ггсЫ-—I,

I

2л» сю 2л соз(а) /¡+1+_1—+я|

/35, || { | \ \е 4 С05(ф) }скрс1Ыщ1гсШс10 ^ (10)

0 0 0 0 О Е

где у = аге# -^ м I,

/ 42 Тс г 2г г г

(^)^Л 1 I И- 1 С05(Р) С05(ф) ^УА)г<Ш91 (11)

0 0 О О Л £

где г= 1-1—+ -2 г У соз(у) I соэ ((р; соэ ^у^

/371 =/0 }{ \ \ \е Х С05(р) (12) 0 0 0 0 £

Для двухслойной среды общий вклад в общее излучение только от трехкратного рассеяния, равен сумме семи выражений (6) - (12)

Так же были выведены аналогичные выражения, описывающие распространение и рассеяние света в двухслойных объектах при произвольном положении по отношению к оси фотоприемника

Расчет приведенных выражений был проведен в редакторе MathCad 2000 для разных составляющих с, и s„ при этом для расчета уравнения (6) - (12) было использование понижение порядка интегрирования за счет фиксирования координат Л и 0, с последующей аппроксимацией полученной функции и дальнейшего интегрирования по координатам Л и 9

С помощью стандартного преобразования RGB параметров цветового пространства XYZ в пространство CIELab были вычислены параметры цвета - яркость, цветовой тон и насыщенность цвета В результате теоретических исследований зависимости цветовых параметров двухслойных объектов с объемным рассеянием света от угла падения света, толщины объекта и величины коэффициента рассеяния света в среде установлено следующее

1 Если в состав объекта с объемным рассеянием света входят частицы способные при однократном рассеянии отражать свет в направлении фотоприемника, то

- яркость объекта увеличивается с ростом угла падения света на его поверхность,

- цветовой тон объекта изменяется в сторону длины волны, соответствующей максимальной составляющей спектра пропускания объекта при уменьшении угла падения света на его поверхность,

- насыщенность цвета объекта зависит от угла падения света

2 Если объект с объемным рассеянием света лишен частиц, способных при однократном рассеянии, рассеивать свет в направлении фотоприемника, то

- яркость объекта может уменьшаться с ростом угла падения света на его поверхность,

- цветовой тон и насыщенность цвета объекта не зависят от углов падения света его поверхность

Проведен анализ влияния геометрических форм частиц на изменения яркости объектов без учета волновых, поляризационных и интерференционных эффектов, в результате чего было установлено, что при однократном рассеянии излучения на частицах среды

- сферические частицы сильнее рассеивают излучение в направлении падающего света, чем кубические и шестигранные кристаллы, и не рассеивают излучение в обратном направлении,

- кубические и шестигранные кристаллы рассеивают свет в направлении падающего света слабее, чем сферические частицы, но при этом эффективно рассеивают свет в обратном направлении

В главе 3 представлены экспериментальные измерения зависимости яркости, цветового тона и насыщенности цвета стоматологических керамических эталонных эмалей №530, №559, №545 фирмы VITA (Германия) -типичных представителей объектов с объемным рассеянием света и кромки резца натурального человеческого зуба В2, от толщины образцов при разных углах падения света на их поверхность, рисунок 2

Измерения производились с помощью, защищенной патентом РФ, экспериментальной установки измерения цвета объектов с объемным рассеянием света [12], схема которой представлена на рисунке 1

Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки измерения параметров цвета объектов с объемным рассеянием света 1 - цифровая фотокамера, 2 -измеряемый объект, 3 - белый светодиод, 4 - эталон белого цвета (матовое

стекло МС20), 5 - ловушка света

ю

Обработка результатов измерений производилась в редакторе Ма^аЬ 7 1, в котором была осуществлена яркостная и спектральная нормировка спектра каждого пикселя кадра, обусловленная спектральными свойствами излучения светодиода и спектральной чувствительности матрицы фотоаппарата, относительно эталона белого цвета - молочного стекла МС-20

-{

——-I

15 ЭД

угол падения света

15 30

угол падеши света

Ь)

Рисунок 2 - Измеренные параметров цвета керамических эмалей и натурального зуба в зависимости от угла падения света а) - яркость, Ь) - цветовой тон, с) - насыщенность цвета

^>

В результате исследований установлено, что

- яркость керамических пластин эмали увеличивается при увеличении угла падения света на их поверхность, что вызвано применением в искусственных эмалях мелкодисперсных порошков кристаллов Хг02, способных при однократном рассеянии рассеивать свет в направлении,

- яркость кромки натурального зуба уменьшается, при увеличении угла падения света на его поверхность, так рассеяние света происходит на цилиндрических призмах состоящих из гидроксилапатита и белковых соединений, которые не способны при однократном рассеянии, рассеивать свет в направлении фотоприемника (рис 2 а), что согласуется с теоретическими выводами,

- цветовой тон, как эмалей, так и кромки натурального зуба не изменяются от угла падения света (рис 2 в), что согласуется с теоретическими выводами,

- насыщенность цвета образцов керамических эмалей возрастает с увеличением угла падения света на поверхность пластин (рис 2 с), что согласно вышеизложенной теории говорит о наличии в среде частиц, способных при однократном рассеянии рассеивать свет в направлении фотоприемника

Произведены измерения зависимости яркости, цветового тона и цветовой насыщенности двухслойных объектов с объемным рассеянием света и натурального зуба от угла падения света при разной толщине верхнего слоя, рисунок 3 Двухслойные объекты с объемным рассеянием света представляли собой стоматологические керамические материалы, состоящие из трех типов верхних слоев - эмалей №530, №559, №545 и трех типов нижних слоев -опаков №677, №567, №564 фирмы VITA (Германия) Для предотвращения рассеяния света между слоями промежуток между слоями был заполнен смачивающим поверхности, оптически нейтральным веществом - глицерином

В результате установлено следующее

- яркость натурального зуба и керамических двухслойных материалов, используемых для изготовления искусственных зубов, качественно отличаются при изменении угла падения освещающего объект света (рисунок 3)

.....л...... КЛ.ЧЧЛ

170

0

15 30

угол падения света

45

0

15

30

45

угол падения света

а)

Ь)

Рисунок 3 - Зависимость яркости двухслойных объектов от угла падения света а) - Верхний слой составляют различные эмали, нижний слой - опак №567, Ь) - натуральный зуб (резец) В2

- цветовой тон и натурального зуба и искусственных материалов, используемых для изготовления искусственных зубов, незначительно изменяется при изменении угла падения света,

- насыщенность цвета натурального зуба уменьшается с ростом угла падения освещающего объект света;

- насыщенность цвета, как керамических двухслойных материалов, так и натуральных зубов уменьшается с увеличением толщины верхнего слоя, при этом у натурального зуба это уменьшении более значительно

Для анализа возможности корректного измерения параметров цвета объектов с объемным рассеянием свет с использованием зоны затемнения, в четвертой главе проведен математический расчет цветовых параметров двухслойных сред в зависимости от расстояния до границы свет/темнота, угла падения света на поверхность объекта и толщины верхнего слоя Для теоретического анализа использовались уравнения (1) - (12), при условии изменения предела интегрирования по координате Я с нуля до величины равной расстоянию до границы свет/темнота

В результате теоретического исследования установлено следующее

- параметры цвета исследуемых объектов, измеренные в зоне затемнения, не соответствуют реальным параметрам,

- цветовой тон исследуемых объектов в зоне затемнения соответствует цветовому тону подложки,

- по характеристике падения яркости в зоне затемнения, при увеличении расстояния до границы свет/темнота, можно идентифицировать верхний слой объектов

На основании теоретических исследований было использована, защищенная патентов РФ, экспериментальная измерительная установка [5], [6], [8], схема которой представлена на рис 4.

При проведении экспериментальные исследования с помощью установки представленной на рисунке 4, осуществлялась съемка торца когерентного световода 5 Обработка результатов измерений производилась в редакторе Ма^аЬ 7 1, в котором была осуществлена нормировка спектра каждого

пикселя кадра, вызванная спектральными свойствами излучения светодиода и спектральной чувствительности матрицы фотоаппарата, относительно эталона белого цвета - молочного стекла МС-20

Рисунок 4 - Схема экспериментальной установки измерения параметров цвета объектов 1 - цифровая фотокамера, 2 - исследуемый объект, 3 - белый светодиод, 4 - светонепроницаемая трубка, 5 - когерентный световод

В результате экспериментальных измерений яркости, цветового тона и насыщенности цвета двухслойных стоматологических керамических материалов описанных в главе 2 и реального зуба в зоне затемнения от толщины верхнего слоя было установлено следующее

- изменение в зоне затемнения яркости, цветового тона и насыщенности совпадает с теоретическими расчетами,

- цветовой тон верхнего слоя измерить достоверно невозможно, при этом можно определить цветовой тона нижнего слоя,

- по характеру изменения яркости, в зоне затемнения можно идентифицировать верхний и нижний слои двухслойного объекта

Основные результаты диссертации.

1 Разработано математическое описание распространения и рассеяния света в однородных и двухслойных средах с объемным рассеянием света при регистрации рассеянного света со стороны падения излучения, которое учитывает углы падения света на поверхность объекта

2 Показана связь цветовых параметров объектов с объемным рассеянием

света с углами падения освещающего излучения и формой рассеивающих свет частиц

3 Проведены теоретические и экспериментальные исследования цветовых параметров объектов с объемным рассеянием света при разных углах падения света и при разной толщине верхнего слоя, и проведен сравнительный анализ полученных результатов

4 Проведены теоретические и экспериментальные исследования цветовых параметров объектов с объемным рассеянием света при разных углах падения света и при разной толщине верхнего слоя в зоне затемнения от угла падения света и толщины верхнего слоя

5 Разработаны, защищенные патентами РФ, три способа измерения цветовых параметров объектов с объемным рассеянием света

6 Установлено, что искусственные стоматологические материалы и натуральные зубы имеют разные тенденции изменения параметров цвета при изменении условий освещения

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1 О Л Головков, Л А Хлуденева, Е И Чернов Субъективно-психологические проблемы цветовых ощущений // Тезисы докладов 2-й Российской научно-практической конференции«Тенденции развития отечественной философской мысли в XXI веке и перспективы регионального обществоведения» Рязань 2003 с 336

2 Чернов Е И, Головков О Л Прецизионный рефрактометр // Тезисы докладов на Всесоюзной научно-технической конференции «Оптика лазеров» Л ГОИ им С И Вавилова 1990 с 381

3 Ас 1509688 СССР, МКИ3 О 01 N 21/25 Устройство для измерения коэффициента отражения зеркал Чернов Е И , Головков О Л

4 О Л Головков, Е И Чернов О яркости объектов с объемным диффузным рассеянием излучения // Автометрия Том 42, №6,2006г, с 70

5 Патент РФ №2262673 Способ определения оптических характеристик многослойных объектов и устройство для его осуществления // Чернов Е И , Головков О Л. 2006г

6 Патент РФ №2207528 Способ определения цвета объектов и устройство для его осуществления // Чернов Е И, Головков О Л , Леонтьев В К , Садовский В В 2001 г

7 Е И Чернов, О Л Головков Алгоритмы определения цвета объектов с объемным диффузным рассеянием // Автометрия Том 41, №6,2005г, с 103

8 Е И Чернов, О.Л Головков, Л А Хлуденева Об одном из способов определения цвета объектов с диффузно рассеивающей свет неоднородной внутренней средой // Информатика и прикладная математика Межвузовский сборник научных трудов Рязань изд-во РГПУ, 2003г, с 65

9 Е И Чернов, О Л Головков Способ определения концентрации компонент пульсирующей мутной среды. //Тезисы докладов V Всероссийская конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы физики и источников света» Саранск 2007г

10 О Л Головков, Л А Хлуденева, Л П Набатчикова, Е И Чернов Компьютеризированный способ определения цвета зубов // Российский медико-биологический вестник им ИП Павлова №1-2,2004

11 О Л Головков, Л А Хлуденева, Л П Набатчикова, Е И Чернов Анализ влияния на цветовые характеристики двухслойного объекта оптических параметров его внутренней среды и расходимости освещающего света //Российский медико-биологический вестник им И П Павлова №4, 2006

12 Патент РФ № 2312314 Способ измерения цвета объектов (варианты) и устройство для его осуществления (варианты) // Головков О Л 2007г

13 Chernov ЕI, Golovkov О L Method for determining the ratio between the component concentrations of a pulsating turbid medium WO 03/098213 2003

14 О Л Головков, E И Чернов О цветовом тоне двухслойных объектов с объемным диффузным рассеянием света //Автометрия Том 44. №2,2008

Оглавление.

Введение

Глава 1. Измерение параметров цвета объектов.

1.1. Введение

1.2. Системы описанйя цветовых параметров объектов

1.2.1. Цветовая система CIELab

1.2.2. Цветовые системы RGB и XYZ

1.2.3. Цветовая система CMYK

1.2.4. Перевод информации между цветовыми системами

1.3. Методы измерения параметров цвета объекта

1.3.1. Определение яркости поверхности объекта

1.3.2. Определение цветового тона объекта

1.3.3. Свойства источников света

1.3.4. Измерение параметров цвета объектов с помощью эталонных шкал

1.3.5. Приборы для измерения параметров цвета зубов

1.4. Теории, описывающие рассеяние света в мутных средах

1.4.1. Прохождение света через слабо рассеивающую среду

1.4.2. Прохождение света через сильномутную среду с учетом однократного рассеяния

1.4.3. Средняя мощность рассеянного поля в приближении однократного рассеяния.

1.4.4. Теории, учитывающие многократное рассеяние излучения на частицах среды

1.4.5. Теория переноса

1.4.6. Диффузное приближение

1.4.7 Потоковая теория Кубелки и Мунка

1.4.8 Статистический подход для дифференциального уравнения поля

1.4.9 Рассеяние света в молочных стеклах

1.5 Выводы по главе

Глава 2. Исследование параметров цвета объектов с объемным рассеянием света

2.1. Введение

2.2. Математическое описание распространения и рассеяния света в двухслойной среде с объемным рассеянием света

2.3. Математическое описание распространения и рассеяния света объекта с объемным рассеянием света при его произвольном развороте.

2.4 Расчет параметров цвета плоских объектов с объемным рассеянием света при разных углах падения света на их поверхности

2.4.1. Расчет яркости объектов с объемным рассеянием света

2.4.2. Расчет цветового тона объектов с объемным рассеянием света

2.4.3. Расчет насыщенности цвета объектов с объемным рассеянием света

2.4.4. Расчет зависимости параметров цвета объекта с объемным рассеянием света от коэффициента рассеяния света

2.5. Влияния формы рассеивающих свет частиц среды на диаграмму однократного рассеяния света

2.5.1. Расчет диаграммы направленности однократного рассеяние света на сферических частицах

2.5.2. Расчет диаграммы направленности однократного рассеяние света на параллельных кубических кристаллических призмах

2.5.3. Рассеяние света на параллельных шестигранных кристаллических призмах

2.6. Выводы по главе

Глава 3. Измерение параметров цвета объектов с объемным рассеянием света.

3.1. Введение

3.2. Описание экспериментальной установки используемой для измерения параметров цвета однородных керамических материалов.

3.2.1. Погрешности измерения параметров цвета.

3.3. Измерение параметров цвета однородных объектов с объемным рассеянием света

3.4. Измерение параметров цвета двухслойных объектов с объемным рассеянием света

3.5 Выводы по главе

Глава 4. Измерение параметров цвета объектов с объемным рассеянием света с использованием зоны затемнения.

4.1. Введение

4.2. Расчет параметров цвета двухслойной пластины с объемным рассеянием в зоне затемнения

4.3. Способы измерения цвета объектов с объемным рассеянием света с использованием зоны затемнения

4.3.1. Экспериментальная установка №

4.3.2. Экспериментальная установка №

4.4. Измерение параметров цвета двухслойных объектов с объемным рассеянием в зоне затемнения

4.5. Идентификация верхнего слоя двухслойных объектов с объемным рассеянием света с использованием зоны затемнения.

4.5.1. Теоретическое обоснование

4.5.2. Идентификация верхнего слоя.

4.6. Выводы по главе 4 . . . . . . . .158 Заключение

Актуальность темы. В настоящее время в различных областях науки и техники (полиграфии, спектральном анализе мутных сред, медицине, фармакологии, экологии, стоматологии, оптики атмосферы и океанов, нефелометрии) широко используются оптические методы и приборы для измерения энергетических, спектральных и цветовых параметров объектов с объемным рассеянием света. При этом применяются интегрирующие приемные сферы (шары Тейлора), где учитывается рассеянное излучение практически от всех направлений, что не совпадает с условиями наблюдения объектов человеческим глазом.

Практикой установлено, что, используемые в стоматологической практике методы и приборы измерения цвета зубов - типичных представителей объектов с объемным рассеянием света, не позволяют точно определить цветовые параметры зубов в условиях изменяющегося внешнего освещения. Представляется, что высокоточные методы измерения цветовых параметров поверхностей объектов полностью рассеивающих свет на поверхности, не подходят для объектов с объемным рассеянием света.

Существующие теории (Релея, Ми, переноса, диффузного приближения, Тверского, Кубелки и Мунка и т.п.), описывающие распространение и рассеяние излучение в мутных средах, не учитывают углы падения излучения на поверхность исследуемой трехмерной среды. В связи с чем, для анализа влияния на параметры цвета объектов с объемным рассеянием света условий освещения, актуальна разработка математической модели распространения и рассеяния света в объектах с объемным рассеянием света при условии приема излучения со стороны падения света, учитывающей углы падения света на исследуемую поверхность.

Настоящее исследование направлено на:

- разработку математической модели распространения и рассеяния света в объектах с объемным рассеянием света при условии приема рассеянного излучения со стороны падения света, учитывающей углы падения света на поверхность объектов и при условии регистрации рассеянного излучения фотоприемниками максимально приближенных к человеческому глазу;

- определение параметров цвета объектов с объемным рассеянием света при разных углах падения света на их поверхность.

В науке и технике остаются открытыми вопросы:

- можно ли точно описать распространение и рассеяние света в мутных средах, при условии приема излучения со стороны падения излучения, учитывающего углы падения света на исследуемую поверхность?

- Зависят ли цветовые параметры объектов с объемным рассеянием света от их толщины и угла падения света на их поверхность?

- Существенно ли влияние формы рассеивающих свет частиц среды на цветовые параметры объектов с объемным рассеянием света?

- Корректны ли общепринятые методы измерения параметров цвета объектов с объемным рассеянием света?

Целью работы является:

- определение свойств параметров цвета объектов с объемным рассеянием света при изменении условий освещения;

- определение влияние формы рассеивающих свет частиц на параметры цвета исследуемых объектов;

- определение возможности идентификации слоев двухслойных объектов с объемным рассеянием света.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

- разработка математической модели распространения и рассеяния излучения в однородных и двухслойных объектах с объемным рассеянием света при приеме излучения со стороны падения света, учитывающей углы падения освещающего объект света для однократного, двукратного и трехкратного рассеяния излучения в среде;

- разработка математической модели распространения и рассеяния света в объектах с объемным рассеянием света в зоне затемнения для однократного, двукратного и трехкратного рассеяния излучения в среде;

- проведение измерений параметров цвета объектов с объемным рассеянием света при различных условиях освещения, направленных на сопоставления полученных результатов и теоретических расчетов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Для объекта с объемным рассеянием света, в состав которого входят частицы способные при однократном рассеянии отражать свет в направлении фотоприемника:

- яркость объекта увеличивается с ростом угла падения света на его поверхность;

- цветовой тон объекта изменяется в сторону длины волны, соответствующей максимальной составляющей спектра пропускания объекта при уменьшении угла падения света на его поверхность;

- насыщенность цвета объекта зависит от угла падения света.

2. Для объекта с объемным рассеянием света, лишенного частиц способных при однократном рассеянии отражать свет в направлении фотоприемника:

- яркость объекта уменьшаться с ростом угла падения света на его поверхность;

- цветовой тон и насыщенность цвета объекта не зависят от углов падения света его поверхность.

Практическая значимость диссертационной работы:

- установлена причина изменения параметров цвета объектов с объемным рассеянием света при изменении условий освещения объекта;

- показано, что использование дополнительных источников света позволяет корректно определять параметры цвета объектов с объемным рассеянием света;

- предложены, защищенные патентами РФ, три способа измерения параметров цвета объектов с объемным рассеянием света;

В диссертации впервые получены следующие научные результаты:

- разработана математическая модель распространения и рассеяния излучения в объектах с объемным рассеянием света при приеме излучения со стороны падения света, учитывающая углы падения света на поверхность объекта, при однократном, двукратном и трехкратном рассеянии излучения в среде;

- установлено влияние диаграммы однократного рассеяния света на частицах среды на параметры цвета объекта при изменении углов падения освещающего объект света;

- показано, что невозможно измерить параметры цвета объектов при применении зоны затемнения;

- показана возможность идентификации, как верхнего, так и нижнего слоев двухслойных объектов с объемным рассеянием света при использовании зоны затемнения;

- установлено, что искусственные стоматологические материалы и натуральные зубы имеют разные тенденции изменения параметров цвета при изменении условий освещения.

Основные результаты диссертации.

1. Разработано математическое описание распространения и рассеяния света в однородных и двухслойных средах с объёмным рассеянием света при регистрации рассеянного света со стороны падения излучения, которое учитывает углы падения света на поверхность объекта.

2. Проведены теоретические расчеты и экспериментальные исследования цветовых параметров объектов с объемным рассеянием света при разных углах падения света, проведен сравнительный анализ полученных результатов.

3. Показана связь цветовых параметров объектов с объёмным рассеянием света с формой рассеивающих свет частиц.

4. Проведены теоретические расчеты и экспериментальные исследования цветовых параметров объектов с объемным рассеянием света в зоне затемнения.

5. Разработан фотографический метод определения цветовых параметров объектов с объемным рассеянием света.

6. Разработано 2 метода определения цветовых параметров объектов с объемным рассеянием света, использующих зону затемнения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Синяк М.А. Спектрофотометр: взгляд изнутри. / Синяк М.А. // Москва.: Publish, 2000г., №2.

2. Э. Прэтт. Цифровая обработка изображений./ Э. Прэтт.: Перевод с английского под редакцией Лебедева Д.С. // Москва.: Мир, 1982г.

3. Гуревич М.М. Цвет и его измерение. / Гуревич М.М. // Москва, Ленинград.: Академия наук СССР, 1950.

4. Гуревич М.М. Фотометрия./ Гуревич М.М. // Ленинград.: Энергоиздат, 1983 г.

5. Пешкова В.М. Практическое руководство по спектрометрии и колориметрии./ Пешкова В.М., Громова М.И. // Москва.: Московский университет, 1965г.

6. Р. Дитчберн. Физическая оптика./ Р. Дитчберн.: Перевод с английского под редакцией Яковлева И.А. // Москва.: Наука, 1965г.

7. Гершун А.А. Избранные труды по фотометрии и светотехнике./ Гершун А.А. // Москва.: Гостехиздат, 1958г.

8. Д. Килпатрик. Свет и освещение./ Д. Килпатрик.: Перевод с английского под редакцией Шеклеена А.В. // Москва.: Мир, 1988г.

9. Э. Митчелл. Фотография. Москва. / Э. Митчелл.: Перевод с английского под редакцией Симонова А.Г. // Москва.: Мир. 1988г.

10. Хегенбарт Э. Воссоздание цвета в керамике: практическое руководство./ Хегенбарт Э.: Перевод с немецкого // Берлин.: Квинтэссенция. 1988.

11. П.Лебеденко Ю.И. Определение цвета зубов./ Лебеденко Ю.И., Перегудов А.Б., Глебова Т.Э. // Москва.: издательство МГМСУ, 2004г.

12. ГОСТ 29319-92. Материалы лакокрасочные. Метод визуального сравнения цвета.

13. Исследования электронных приборов измерения (определения) цвета.// Зубной техник. №2. с.82. 2005.

14. Патент РФ №2207528. Способ определения цвета объектов и устройство для его осуществления. М.кл. G01J 3/00 / Чернов Е.И., Головков О.Л., Леонтьев В.К., Садовский В.В. // Бюллетень №18, 2003.

15. Головков О.Л. Прецизионный рефрактометр./ Чернов Е.И., Головков О.Л. // Тезисы докладов на Всесоюзной научно-технической конференции «Оптика лазеров». Л.: ГОИ им С.И. Вавилова. 1990. с.381.

16. А. с. 1509688 СССР, М.кл. G 01 N 21/25. Устройство для измерения коэффициента отражения зеркал. /Чернов Е.И., Головков О.Л.// Бюллетень №35, 1995.

17. Ван де Хюлст. Рассеяние света малыми частицами./ Ван де Хюлст.: Перевод с английского под редакцией Соболева В.В. // Москва.: Иностранная литература. 1961.

18. Борен К. Поглощение и рассеяние света малыми частицами./ Борен К., Хафмен.: Перевод с английского под редакцией.// Москва.: Мир, 1986г.

19. Вышецки Г. Цвет в науке./ Джадд Д. Вышецки Г.: Перевод с английского под редакцией Артюшина Л.Ф. // Москва.: Мир. 1978.

20. Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения полидисперсионными частицами./ Дейрменджан Д.: Перевод с английского под редакцией Кондратьева К.Я. // Москва.: Мир. 1971.

21. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах./ Исимару А.: Перевод с английского // Москва.: Мир. 1981.

22. Пхалагов Ю.А. Исследование корреляционных связей аэрозольного ослабления оптического излучения с напряженностью атмосферного электрического поля. / Пхалагов Ю.А., Ужегов В.Н., Овчаренко Е.В., Генин

23. В.Н., Донченко В.А., Щелканов Н.Н. //Оптика атмосферы и океана, том 12, №2, 1999, с. 105.

24. Х.П. Прусс, Рассеяние света фотографическими слоями и их разрешающая способность./ Х.П. Прусс // Журнал научной и прикладной фотографии и кинематографии. №13, 1968.

25. Тимофеева В.А. Экспериментальное исследование рассеяния света в мутных средах./ Тимофеева В.А. //Доклады АН СССР, 1951г., стр. 677.

26. Попов С.Ю. Средние потоки солнечной радиации слоистой облачности со случайной верхней границей. /Попов С.Ю., Титов Г.А. //Оптика атмосферы и океана. 1994, т.7, с. 293.

27. Будак В.П. Моделирование пространственного распределения степени поляризации рассеянного атмосферой излучения на основании полного аналитического решения векторного уравнения переноса. / Будак

28. B.П., Коркин С.В.// Оптика атмосферы и океана, том 21, 2008г., № 1, с.35-41.

29. Рогаткин Д.А. Об одном подходе к решению многомерных задач теории рассеяния света в мутных средах./Рогаткин Д.А. //Квантовая электроника. 2001, т. 31, №3, с. 279.

30. Тучин В.В. Оптика биологических тканей. / Тучин В.В. // Москва.: Интеллект. 2008.

31. Reynolds L, Johnsson С.С., Ishimaru A. //Applied Optics. 1976, №15, p.2059.

32. Селищев C.B. Нестационарная двухпотоковая модель переноса излучения для томографии рассеивающих сред. / Селищев С.В., Терещенко

33. C.А. // ЖТФ. 1997, т. 67, 5, с 61.

34. Гудмен Дж. Статистическая оптика. / Гудмен Дж.: Перевод с английского под редакцией Сироцкого Г.В. // Москва.: Мир, 1988.

35. Никитина М.Г. О представлении решения уравнения переноса примеси и его приложении. / Никитина М.Г., Панько С.В., Старченко А.В. // Оптика атмосферы и океана, том 17, 2004г., № 01, с.86-89.

36. Креков Г.М. Метод Монте-Карло в проблемах атмосферной оптики. / Креков Г.М.// Оптика атмосферы и океана, том 20, 2007г., № 09, с.826-836.

37. Метод Монте-Карло в атмосферной оптике. / Перевод с английского под редакцией Марчука Г.И. // Москва.: Наука, 1976.

38. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере./ Татарский В.И. // Москва.: Наука. 1976.

39. Соболев В.В. Рассеяние света в атмосфере./ Соболев В.В. //Москва.: Наука. 1972г.

40. Будак В.П. Улучшение сходимости метода сферических гармоник при сильно анизотропном рассеянии. /Будак В.П., Козельский А.В., Савицкий Е.Н.//Оптика атмосферы и океана. Том 17, №1, с. 3641. 2004.

41. Головков O.JL. О яркости объектов с объемным диффузным рассеянием излучения. / Головков O.JL, Чернов Е.И. //Автометрия. Том 42, №6, с.70. 2006г.,

42. Афанасьев Ю.И. Гистология. /Афанасьев Ю.И., Юрина Н.А. // Москва.: Медицина, 1989г., с.502.

43. Боровский Е.В. Биология полости рта. /Боровский Е.В., Леонтьев В.К.//Москва.: Медицинская книга, 2001.

44. Розенберг Г.В. Рассеяние света в земной атмосфере. /Розенберг Г.В. //УФН. т.71, № 2,с. 173-213,1960.

45. Лушников А.А. Поглощение низкочастотного электромагнитного излучения мелкими металлическими частицами. /Лушников А.А., Максименко В.В., Симонов А .Я. //ФТТ, т.20, №2, с. 505 509, 1978.

46. Кдышевич Е.А. Матрицы рассеяния света водами Тихого и Атлантического океанов. /Кдышевич Е.А., Любовцева Ю. С., Розенберг Г.В.// Изв. АН СССР Физика атмосферы и океанов, т. 12, №2, с 186 - 192, 1976.

47. Обратные задачи в оптике./ Под ред. Болтса Г.П.: Перевод с английского под редакцией Свешникова AT Л Москва.: Машиностроение, 1984.

48. Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами. /Дейрменджан Д.: Перевод с английского под редакцией Кондратова К.Я. //Москва. «Мир». 1971.

49. К. Борен. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. /К. Борен, Д. Хафмен.: перевод с английского //Москва.: Мир. 1986.

50. Патент РФ №2262673. Способ определения оптических характеристик многослойных объектов и устройство для его осуществления. М.кл. G01J 3/00. / Чернов Е.И., Головков O.JI. // Бюллетень № 29, 2005.

51. Патент РФ № 2298396. Способ определения концентрации компонент пульсирующей мутной среды. М.кл. G01J 3/00. / Чернов Е.И., Головков O.JL. //Бюллетень №13,2007.

52. Головков O.JL. Алгоритмы определения цвета объектов с объемным диффузным рассеянием. / Чернов Е.И., Головков O.JL. // Автометрия. Том 41, №6, 2005, с. 103.

53. Golovkov O.L. Method for determining the ratio between the component concentrations of a pulsating turbid medium. /Chernov E.I., Golovkov O.L.// WO 03/098213.2003.

54. Головков O.JI. Компъютеризированый способ определения цвета зубов. / Головков O.JI., Хлуденева JI.A., Набатчикова Л.П., Чернов Е.И. // Российский медико-биологический вестник им. И.П. Павлова. №1-2, 2004.

55. Патент РФ №2312314. Способ измерения цвета объектов (варианты) и устройство для его реализации (варианты). /Головков О.Л., Иванищев В.К. //Бюллетень №34, 2007.

56. Головков О.Л. О цветовом тоне двухслойных объектов с объемным диффузным рассеянием света. / Головков О.Л., Чернов Е.И. //Автометрия. Том 44. №2, 2008.

57. ГОСТ Р 52489 -005. Материалы лакокрасочные. Колориметрия часть 1. Основные положения.

58. ГОСТ Р 52490-2005. Материалы лакокрасочные. Колориметрия часть 3. Расчет цветовых различий.

59. ГОСТ 8.205-90. Государственная поверочная схема для средств измерения координат цвета и координат цветности.

60. ГОСТ 7721-89. Источники света для измерения цвета.

61. Румшиский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. / Румшиский Л.З. // Москва. Наука. 1971.

62. Голубь Б.И., Котюк А.Ф., Кузин А.Ю. Основы обеспечения единства оптико-физических измерений. / Голубь Б.И., Котюк А.Ф., Кузин А.Ю. //Москва.: Горячая линия Телеком, 2006.