Исследование алгоритма подбора цвета при гиперспектральном окрашивании древесины с использованием метода оптимизации роя частиц
В рамках данного исследования применялась гиперспектральная камера FS13 (спектральный диапазон 400–1000 нм), разработанная компанией Hangzhou CHNSpec Technology Co., Ltd., предназначенная для высокоточных исследований в области окрашивания древесных материалов.
Цветовые характеристики древесины являются важнейшим показателем её декоративных и эксплуатационных свойств. Из-за ограниченности природных ресурсов ценных пород активно развивается производство искусственно тонированных материалов. Однако в традиционной технологии окрашивания качество окраски зачастую зависит от субъективного опыта оператора и визуального восприятия, что приводит к снижению стабильности цвета, перерасходу красителей и ухудшению общего качества продукции.
Для устранения данных недостатков в работе предложено применение гиперспектральной визуализации в сочетании с интеллектуальными алгоритмами оптимизации, что позволяет повысить точность и эффективность компьютерного подбора цветовых формул при окрашивании древесины.
Содержание исследования
Объект и методика эксперимента
В качестве исследуемого материала использовалась древесина ясеня маньчжурского (Fraxinus mandshurica). Эксперименты проводились по заранее определённой технологической схеме окрашивания. Были подготовлены следующие типы образцов:
- имитации древесины ценных пород;
- образцы, окрашенные однокомпонентными красителями;
- образцы, обработанные смесями красителей.
В работе рассмотрены основные принципы гиперспектральной визуализации, а также цветовые пространства и методы оценки цветовых различий.
Для теоретического и экспериментального анализа применялся гиперспектральный анализатор, обеспечивающий сбор, обработку и интерпретацию спектральных данных исследуемых образцов.
Алгоритмическое моделирование и оптимизация
На основе полученных экспериментальных данных была сформирована обучающая выборка, по результатам которой построена модель прогнозирования цветовой формулы окрашивания древесины на основе теории Кубелки–Мунка.
Для устранения ограничений базового алгоритма разработана усовершенствованная модель Фриера, применённая для анализа процессов окрашивания и подбора цвета.
Параллельно была проведена оценка точности цветовых различий между исходной и оптимизированной моделью. Для спектрального контроля окрашенных образцов использовался гиперспектральный фильтр.
С целью повышения точности расчётов и минимизации ошибок по кривым спектрального отражения и разнице цвета формула предсказательной модели Steam Noechel была оптимизирована с помощью метода роя частиц (Particle Swarm Optimization, PSO).
Результаты показали повышение точности прогноза и снижение цветовых и спектральных искажений после оптимизации.
Основные результаты работы
1. Разработан метод интеллектуального подбора цвета древесины на основе гиперспектрального анализа. Внедрение вычислительных технологий в процесс окрашивания и колориметрии древесных материалов позволило устранить технологические ограничения и обеспечить высокую повторяемость результатов.
2. Гиперспектральная технология внедрена в сферу прецизионных колориметрических измерений. По сравнению с традиционными спектрофотометрами, она обладает следующими преимуществами:
- интеграция спектральных данных;
- расширенный диапазон длин волн;
- повышенное спектральное разрешение.
Это позволяет устранить эффект «одинаковый цвет — разный спектр», присущий RGB-камерам, и формирует основу для новой системы измерения и стандартизации цвета.
3. Применение метода оптимизации на основе роя частиц повысило точность алгоритмической модели и позволило провести фитинг спектральных кривых отражения с использованием гиперспектральных измерений, что обеспечило более высокую точность цветового подбора в промышленных условиях.
4. В ходе экспериментов использовались образцы шпона ясеня маньчжурского, отличающиеся плотной структурой и устойчивостью к растрескиванию после окрашивания и термообработки.
5. Для обеспечения стабильного результата окрашивания рекомендуется соблюдать следующие технологические параметры:
- содержание влаги в шпоне — не менее 8%;
- соотношение объёма красильной ванны к образцу — 20:1;
- продолжительность окрашивания — до 3 часов;
- время фиксации красителя — около 30 минут;
- температура сушки — не выше 60 °C.
Соблюдение данных условий гарантирует равномерное распределение красителя, стабильность цвета и предотвращает структурные деформации древесины.
