Параметры цвета объектов с объемным рассеянием света при изменении условий их освещения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат физико-математических наук Головков, Олег Леонидович

• Головков, Олег Леонидович
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Головков, Олег Леонидович

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Параметры цвета объектов с объемным рассеянием света при изменении условий их освещения»

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.

Заключение диссертации по теме «Оптика», Головков, Олег Леонидович

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Головков, Олег Леонидович, 2008 год

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.