Тема: МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЦВЕТА ИСКУССТВЕННО ОКРАШЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Актуальность темы исследования и степень её разработанности. Промышленное получение цветных поверхностей или изображений сопряжено с вероятностью возникновения отклонений от заданного цвета и визуально-различимых дефектов. При массовом производстве это может привести к существенным материальным потерям. Контроль цветовых отклонений основан на значениях цветовых координат, рассчитывающихся по спектральным характеристикам стандартного наблюдателя, поэтому для точного определения цвета объекта по изображению, полученному трихроматической камерой, необходимо соблюдение спектральных условий (Лютера-Айвса) и точное воспроизведение спектра стандартных осветителей. Эта проблема может разрешима с помощью мультиспектральных информационных систем (МИС), с линейным процессом формирования многоканальных мультиспектральных изображений (МСИ), представленном на схеме (рисунок 1).
Из рисунка 1 видно, что в таких МИС формирование вектора 1 тоновых значений (ТЗ) в отсчёте МСИ может быть представлено линейным отображением:
1 = Р Э1ад (d) г = Нг, (1)
где г — вектор спектра отражения (СО), состоящий из значений коэффициента отражения для т спектральных зон, О1а§(й) — функция «создающая» диагональную матрицу с главной диагональю из компонентов вектора спектра освещения Ц, Р — матрица спектральной чувствительности МИС, Н=Р И1ад(Ц) — спектральная характеристика МИС с учётом осветителя. Обычно количество спектральных каналов п в МИС меньше количества спектральных зон т. На практике ищется решение обратной задачи реконструкции СО г по модели (1), что позволяет определить цвет для любого заданного освещения. Таким образом анализ МСИ даёт возможность одновременного контроля цветового и графического оформления продукции.
Мультиспектральные системы, для работы с искусственно окрашенными поверхностями рассматривались в работах Р. Бернса, П. Бёрнса, Й. Брауэрса, С. Хеллинга, Х. Эрнандеса-Андреса, Ф. Имаи, Х. Лян, Ю. Чжао, Ф. Шмитта, Й. У. Хардеберга, и др. При этом в алгоритмах обработки МСИ широко используются методы теории решения обратных задач, рассмотренные, например, в монографиях В. Ю. Терибижа или М. Бертеро, П. Боккаччи. Вопросы построения информационных систем для управления цветом и его контроля в промышленности рассматривались в работах Ю. Н. Самарина, Ю. С. Андреева и др. Однако, несмотря на большое количество научных работ, промышленные МИС для контроля цвета пока не получили широкого распространения. Это обусловлено высокой стоимостью оптико-электронной элементной базы МИС, низкой скоростью работы, недостаточной проработкой метрологического обеспечения, что осложняет контроль допусков, заданных стандартами.
В настоящее время оптико-электронная элементная база для разработки МИС становится доступнее. Таким образом, является актуальной задача разработки математического и алгоритмического обеспечения МИС, расширяющего их функциональность возможностью текущего контроля цвета окрашенных поверхностей, обеспечивающего высокую скорость реконструкции СО, теоретическую оценку случайной погрешности и устойчивую работу для различных технологий синтеза цвета поверхности.
Целью работы является разработка математического и алгоритмического обеспечения, расширяющего функциональные возможности промышленных МИС. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Проанализировать состояние разработок математического и алгоритмического обеспечения промышленных МИС, на основе данных о существующих МИС, методах реконструкции СО, системах СО искусственно окрашенных поверхностей и характеристиках МИС, необходимых для эффективного контроля цвета.
2. Разработать математическое и алгоритмическое обеспечение для реконструкции СО по данным мультиспектральной съёмки с теоретической оценкой случайной погрешности.
3. Разработать экспериментальную МИС для тестирования математического и алгоритмического обеспечения при реконструкции СО образцов искусственно окрашенных поверхностей.
4. Провести экспериментальное исследование по выявлению факторов, влияющих на точность реконструкции СО при работе с образцами, моделирующими промышленную продукцию.
Объект исследования — МИС, предназначенная для определения СО произвольного локального участка искусственно окрашенной поверхности и расчёта его цветовых координат.
Предмет исследования — математическое и алгоритмическое обеспечение реконструкции спектров для МИС, в которых формирование измерительных данных описывается линейной моделью.
Научная новизна работы:
1. Разработано математическое и алгоритмическое обеспечение для реконструкции СО по данным мультиспектральной съёмки, отличающееся от известного теоретической оценкой случайной погрешности результатов.
2. Предложен новый тип фиксированных функциональных базисов для аппроксимации СО в задачах искусственного синтеза цвета, соответствующий характерному виду кривых СО.
3. Проведено экспериментальное исследование по выявлению факторов, влияющих на точность реконструкции СО при работе с образцами, моделирующими промышленную печать изображений.
Методология и методы исследований. В работе использованы методы: линейной алгебры, прикладной математической статистики, теории решения обратных задач, компьютерной обработки изображений, спектроскопии, светотехники и колориметрии.
Теоретическая значимость результатов работы заключается в разработке математического и алгоритмического обеспечения для реконструкции СО с одновременной оценкой случайной погрешности и возможностью выделения её систематической составляющей, что позволяет целенаправленно совершенствовать МИС.
Практическая значимость результатов работы заключается в:
1. Определении требований к промышленным МИС и подтверждении возможности разработки высокоскоростных МИС для использования в качестве компонента промышленных систем автоматизированного управления;
2. Разработке математического и алгоритмического обеспечение с теоретической оценкой погрешности реконструкции СО создающего предпосылки для разработки метрологического обеспечения, необходимого для практического использования МИС.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Разработанное математическое и алгоритмическое обеспечение может использоваться для реконструкции СО в высокоскоростных промышленных системах контроля цвета.
2. Предложенный тип базисов может быть эффективно использован для реконструкции СО искусственно окрашенных поверхностей в случае невозможности использования метода главных компонент.
3. Разработанное математическое и алгоритмическое обеспечение позволяет выделить систематическую составляющую погрешности реконструкции СО и даёт возможность анализировать влияющие на неё факторы.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается корректным применением математических методов, подтверждается проведёнными экспериментами и сопоставлением с результатами других авторов.
Внедрение результатов диссертационного исследования. Результаты диссертационной работы используются в Уральском федеральном университете имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия (акт об использовании результатов от 22.06.2021); в ПАО «Аскольд», г. Арсеньев, Россия (акт об использовании результатов от 17.06.2021), в ООО «СК Графические системы», г. Екатеринбург, Россия (акт об использовании результатов от 17.06.2021).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: 5th International Conference on New Horizons in Education (INTE 2014), Paris, France, June 25-27 2014; Международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Информационные технологии, телекоммуникации и системы управления» , Екатеринбург, Россия, 15-17 декабря 2014; Международная научно-практическая конференция «Передача, обработка, восприятие текстовой и графической информации» Екатеринбург, Россия, 19-20 марта 2015; Международная конференция «Компьютерный анализ изображений: Интеллектуальные решения в промышленных сетях (CAI-2016)» Екатеринбург, Россия, 5-6 мая 2016; Международная конференция «Информация: передача, обработка, восприятие» Екатеринбург, Россия, 12-13 января 2017.
Личный вклад. Автор разработал математическое и алгоритмическое обеспечение МИС для реконструкции СО с теоретической оценкой случайной погрешности, обосновал способ аппроксимации СО в репродукционных задачах с помощью сглаженных ступенчатых базисов, разработал экспериментальную МИС, обработал и проанализировал результаты экспериментов по выявлению факторов, влияющих на точность реконструкции СО при работе с образцами, моделирующими промышленную продукцию.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК РФ и Аттестационным советом УрФУ, из них 2 статьи в изданиях, индексируемых в между-народных цитатно-аналитических базах WoS и Scopus. Получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, 3 приложений. Работа изложена на 216 страницах, содержит 93 рисунка и 13 таблиц.

Купить

В процессе диссертационного исследования решены следующие задачи.
1. Проведён анализ проблемы промышленного контроля цвета с помощью МИС, в результате которого обоснована разработка МИС, обеспечивающих спек-тральный контроль с использованием алгоритмов реконструкции СО, обладающих минимальной вычислительной трудоёмкостью.
2. Разработан алгоритм реконструкции СО с минимально возможным количеством вычислительных операций, в котором реконструкция производится путём умножения вектора ТЗ из МСИ размерности nна реконструирующую матрицу раз-мерности (mх n), где n — количество каналов МИС, а m — количество спек-тральных зон СО. Получены аналитические выражения для расчёта стандартных отклонений СО и цветовых координат XYZ.
Предложен способ линейной аппроксимации СО на основе сглаженных ступенчатых базисов, позволяющий снизить размерность модели формирования данных в МИС без предварительного исследования контролируемой спектральной системы. Точность такой аппроксимации по цветовому отклонению в некоторых случаях сопоставима с методом ГК.
3. Разработана экспериментальная модульная МИС, соответствующая обще-принятой линейной модели. Это позволило проверить разработанное математическое и алгоритмическое обеспечение путём реконструкции СО объектов, моделирующих промышленную продукцию.
4. Впервые проведено экспериментальное исследование влияния автотипной структуры печатных оттисков на точность определения СО и координат цвета в МИС. Установлено, что влияние изменения пространственной частоты автотипной структуры на перечисленные величины незначительно. Анализ результатов проведённой серии экспериментов позволил предположить, что основной причиной систематической погрешности реконструкции СО являлось влияние флуоресцентного отбеливателя в запечатываемом материале.

Купить