Колориметрия поверхностей активными видеосистемами

Стереоскопическая активная видеосистема (АВС) представляет собой универсальную многофункциональную аппаратуру для измерения геометрических и цветовых величин, позволяющую измерять расстояния от неё до исследуемых поверхностей и источников света (ИС), а также точно воспроизводить геометрические условия измерений в последующих сеансах измерений.

Сбор и регистрация точных геометрических характеристик данного измерения, таких как положение АВС относительно исследуемой поверхности и пространственные координаты искусственных ИС, позволяют АВС автоматически и точно воспроизводить полученные результаты в последующих сеансах измерений.

На практике отражательные характеристики поверхностей значительно отличаются от характеристик колориметрических эталонов. Поверхности не отражают ни полностью диффузно, ни в каком-либо выделенном направлении, и их отражательная способность сильно зависит от угла зрения и расположения ИС. Вследствие этого надёжные результаты измерений можно получать только при неизменных или известных геометрических условиях измерений.

Традиционные измерительные приборы, предлагаемые на рынке, редко соединяют в себе возможности колориметрических и геометрических измерений. Для измерений пространственных характеристик трёхмерных структур используются главным образом топографические, фотограмметрические и лазерные методы. Колориметрическое оборудование, имеющееся в продаже, выполняет точные измерения отдельных пятен диаметром не менее нескольких миллиметров. Колориметры могут быть контактными и бесконтактными. Контактные снабжены встроенным калиброванным ИС, а бесконтактные нуждаются во внешних ИС, по возможности удовлетворяющих рекомендациям МКО по спектрам излучения. На единичные измерения все эти приборы затрачивают менее нескольких секунд, однако проведение частого выборочного контроля поверхностей может требовать больших затрат времени из-за продолжительности повторного позиционирования. Кроме того, корреляция геометрических и цветовых параметров получается не мгновенно и может требовать значительных усилий. В этой связи существует определённая потребность в универсальной, многофункциональной аппаратуре (производящей измерения как геометрических, так и цветовых характеристик), которая объединяла бы в себе отдельные функции с целью облегчения сбора данных на месте и их дальнейшего распространения.

Для преодоления некоторых из названных трудностей, возникающих при измерениях трёхмерных поверхностей крупных размеров, можно разработать цифровую измерительную систему на основе цифрового активного зрения, проводящую взаимно коррелированные пространственные геометрические и колориметрические измерения.

Соответственно, недавно, в докладе, была предложена АВС, содержащая три чёрно-белые телекамеры (ТК), расположенные на одной линии (рис. 1). Две ТК (TL) снабжены длиннофокусными объективами для выделения небольших участков сцены с высоким разрешением. Их можно поворачивать на известные углы как вокруг параллельных осей панорамирования, так и вокруг оси наклона с целью фиксирования определённых точек сцены. При этом ТК TLL (левая) снабжена специальными светофильтрами, позволяющими получать высокоточные цветные изображения исследуемой поверхности. Третья ТК оснащена широкоугольным объективом для охвата всей интересующей области при низком разрешении и управляет фиксацией остальных двух ТК на объекте. Геометрические измерения проводятся как прямой триангуляцией оптических осей длиннофокусных ТК во время фиксации объекта, так и его трёхмерным восстановлением из стереопары изображений. Колориметрические измерения проводятся с использованием трёх базовых цветов и (или) спектральной фильтрации. Полученные и прошедшие светофильтр изображения затем приводятся к показателям цветности в колориметрическом пространстве Lab МКО. АВС получает и соотносит данные о пространственных соотношениях и колориметрических характеристиках трёхмерных поверхностей площадью в десятки квадратных метров и охватывает рабочий диапазон их глубин порядка 2-8 м. Рабочие характеристики АВС оценивались лабораторными испытаниями и сравнивались с данными, полученными с другой аппаратурой и другими методами, обычно используемыми в данной области.

Рис. 1. Схематическое описание стереоскопической активной видеосистемы

1. О проведении измерений

АВС работает в диапазоне глубин порядка 2-8 м и производит комплексные колориметрические и геометрические измерения с оцениванием точности. Благодаря компьютерному управлению автоматической работой АВС, существует возможность оперативной обработки получаемых данных и их сравнения с базами данных для решения задач текущего контроля. Это позволяет также точно воспроизводить опорные геометрические условия в разных сеансах измерений и, следовательно, автоматически повторять условия измерений.

АВС должна автоматически обнаруживать и фиксировать некоторые естественные и искусственные точечные зоны (точки) интересующей области поверхности и измерять их пространственное положение. Затем она должна произвести геометрические и цветовые измерения исследуемой поверхности вокруг фиксированной точки. Кроме того, АВС должна принимать данные о больших поверхностях с высоким разрешением, представляя изображение в виде мозаики, и восстанавливать трёхмерную поверхность по точкам, разбросанным в некотором пространстве.

Процедура измерений включает два основных этапа: измерение пространственного положения точки сцены изображаемой поверхности и измерение трёх цветовых координат этой точки.

Для получения этих данных АВС помещают перед объектом измерений для захвата и установки границ всей интересующей области с помощью широкоугольной ТК. Полученное ею изображение обрабатывается, определяя структуры, представляющие интерес для конкретной задачи, на которые затем направляются длиннофокусные ТК (фиксация) для производства нужных измерений (геометрических и колориметрических).

Если размеры поля, ограниченного длиннофокусными ТК, слишком малы для анализа, можно захватывать поле больших размеров в виде последовательности частично перекрывающихся мозаичных элементов, автоматически сканируя интересующую область длиннофокусными ТК. Оператор, видящий на мониторе компьютера изображение, получаемое широкоугольной ТК, может выбрать в диалоговом режиме интересующую область. Кроме данных по текстуре и цвету для каждого мозаичного элемента на каждом шаге определяются пространственное положение, ориентация и направление зрения на него, так что данные по геометрии всей ограниченной области полностью контролируются АВС и могут сохраняться с целью надёжных повторений измерений в разные моменты времени, то есть для решения задач текущего контроля.

Воспроизведение данных о всей интересующей области достигается благодаря мозаичности изображения. Для этого был разработан «мозаичный» подход, основывающийся на свойствах системы приёма и накопления данных, позволяющих выполнять построения. Он не основан на итерациях и обладает преимуществами простоты и скорости, сочетая их с точностью, удовлетворяющей требованиям практических применений.

Помимо измерений пространственного положения точки (путём фиксации), АВС работает как калиброванная стереосистема, восстанавливающая трёхмерную сцену по изображениям от двух длиннофокусных ТК. При этом по координатам, соответственно, «левого» и «правого» изображений одной и той же точки трёхмерной поверхности может рассчитываться разность положений точки на двух разных изображениях и её пространственное положение. При полном воспроизведении указанной сцены все точки на одном изображении ищутся на другом изображении. Поиск производится путём взаимной корреляции малого окна «левого» изображения, имеющего центром рассматриваемую точку, с соответствующим окном «правого» изображения.

Чтобы система работала правильно, необходимы некоторые операции юстировки и калибровки. Операции юстировки основаны на обработке изображений и на том свойстве, что точки на оси поворота имеют инвариантные положения на изображениях поворачиваемой ТК; они позволяют получать результаты на пределе разрешения каждой компоненты.

Цель калибровки – связать между собой широкоугольную и длиннофокусные ТК для взаимообмена геометрическими данными и описания геометрических характеристик длиннофокусных ТК при стереовосстановлении трёхмерного объекта и связать результаты колориметрических измерений, получаемые с использованием светофильтров левой длиннофокусной ТК, с колориметрической системой XYZ МКО.

2. Протокол

Чтобы сравнивать результаты измерений, выполненных в разное время, и обнаруживать изменения с подходящей точностью, условия измерений (геометрические характеристики измерительной установки, цветовая температура ИС и т. д.) должны тщательно документироваться, особенно при цветовых измерениях. Для этого должен быть определён протокол измерений, включающий опорный и любой последующий повторный сеансы измерений.

На первом этапе опорного сеанса АВС (АВСR) следует расположить перед сценой, чтобы определить границы всей интересующей области поверхности с помощью широкоугольной ТК. Далее изображение, полученное этой ТК, используется для определения нескольких опорных точек сцены (ХR) (рис. 2).

Рис. 2. Первый этап опорного сеанса измерений

 
Изображение, полученное широкоугольной ТК, сохраняется в качестве опорного для последующих операций. Путём фиксации не менее 5-ти искусственных мишеней измеряется положение АВС относительно поверхности и вычисляется положение до 4-х ламп относительно АВС. Все параметры положения, а именно по три пространственные координаты искусственных мишеней и 4-х ламп, сохраняются как опорные в файле «Отчёт». Использование искусственных мишеней в качестве опорных точек улучшает рабочие характеристики АВС значительнее, чем использование естественных опорных мишеней, поскольку ошибка локализации искусственных мишеней составляет несколько сотых пикселя, а не несколько десятых пикселя в случае естественных мишеней. Оператор в диалоговом режиме управляет длиннофокусными ТК для фиксации интересующих точек сцены и начинает требуемые колориметрические измерения. Значения трёх координат цвета, полученные этими измерениями (в системах X, Y, Z и L*, a*, b* МКО), вместе с тремя пространственными координатами и «левым» изображением испытуемых точек сохраняются вместе с метрологическими параметрами, соответственно, левой длиннофокусной ТК.

В любом повторном сеансе измерений первым этапом является операция повторного позиционирования. Здесь используется опорное изображение, полученное широкоугольной ТК, для грубого повторного позиционирования АВС перед сценой путём сравнения его с текущим изображением от этой ТК. Измеряется пространственное положение N искусственных мишеней на сцене, используемое для расчёта параметров R и T, которые связывают текущие координаты этих мишеней (XC) с их же координатами, полученными в опорном сеансе измерений (XR) (рис. 3):

Рис. 3. Первый этап повторного сеанса измерений

 
XR = R * XC + T .

Опорное положение воспроизводится перемещением АВС, определяемым параметром Т, и её поворачиванием для фиксации широкоугольной ТК на той же самой точке опорного изображения. Подобным же образом воспроизводятся положения ламп (X’) (рис. 4):

Рис. 4. Конечная корректировочная процедура в повторном сеансе измерений

 
X’ = XC – T ≈ XR.

АВС обновляет своё конечное положение и начинает операцию автоматического текущего контроля, опираясь на данные файла «Отчёт» для опорного сеанса измерений.

Длиннофокусные ТК автоматически перемещаются с целью фиксации на каждой испытуемой точке (после перехода в текущую систему координат) и настраиваются соответствующим образом. Цветовые измерения (с привязкой к системам X, Y, Z и L*a*b* МКО) выполняются автоматически, и ошибки фиксации Δx и Δy, оцениваемые различием между опорным и текущим изображениями испытуемой точки, полученными длиннофокусной ТК, оцениваются в пикселях. Новые результаты записываются и одновременно высвечиваются результаты их сравнения с предыдущими данными, давая возможность дальнейшим действиям (если потребуется).

Точность повторного позиционирования лучше 50 мм (только на 1-м шаге), тогда как точность автоматической фиксации испытуемых точек не хуже 1 мм. Что касается цветовых измерений, то их точность и повторяемость возрастают с увеличением размеров измеряемого пятна, поскольку ошибка повторного позиционирования усредняется по большей площади. С другой стороны, малые размеры пятен позволяют АВС работать с более сложными текстурами. С этой точки зрения, АВС позволяет как выбирать наиболее подходящее решение (размер пятна) в каждом конкретном случае, так и одновременно получать результаты измерения цветовых характеристик. Эта задача неразрешима традиционными колориметрами.

Что касается повторяемости результатов колориметрических измерений в разных сеансах, то в докладе показано: повторяемость результатов 10-ти разных испытаний лучше 2,5 единиц цветового различия в системе Lab МКО, тогда как повторяемость, получаемая на серийном колориметре PhotoResearch PR650, не лучше 6,6 этих единиц, несмотря на большую ширину его измерительного поля (45 мм). Это, по существу, связано с ошибкой повторного позиционирования колориметра, что подтверждает значение надлежащей способности этих приборов к повторному позиционированию (в задачах текущего контроля) и говорит в пользу описанного метода активного цифрового зрения.

Заключение

Благодаря своим возможностям, измерения пространственных и колориметрических параметров больших поверхностей с разрешением порядка нескольких пикселей АВС, по-видимому, пригодны для определения колориметрических характеристик трёхмерных поверхностей крупных размеров как внутри, так и снаружи помещений.