МЕТОД ЦИФРОВОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦВЕТА ГРУНТА

Проблемы и решения
С.И. ГОРОДЕЦКИЙ, заместитель руководителя департамента
по вопросам технического регулирования НОИЗ, Москва,
И.В. АРХАНГЕЛЬСКИЙ, генеральный директор,
ООО «Научно-производственная фирма “Недра”», Санкт-Петербург.
МЕТОД ЦИФРОВОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦВЕТА ГРУНТА
Цвет является интересной сферой исследования, и в связи с ролью цветовых ощущений в жизни и деятельности человека появилась наука о цвете — теория цвета, или цветоведение. Она изучает круг вопросов, связанных с оптикой и
физиологией зрения, психологией восприятия цвета, а также
теоретические основы и технику измерения и воспроизведения цветов. С развитием цифровых технологий возникла
потребность присваивать цвету цифровые обозначения или
буквенно-цифровые коды.
Наш глаз способен выделять до 7,5 миллионов оттенков
цветов, существует около 4 тысяч названий различных цветов
и оттенков, но большинство из нас использует не более 40.
Несмотря на то, что некоторые художники и специалисты
по дизайну могут выделять намного больше цветов, ни один
из них не использует все цвета, которые люди способны видеть и различать.
Так, например, цветовые карты Манселла различаются
по цветовым оттенкам (цвету), светлости (так называемой
«рыхлости» цвета или «контрастности») и цветовой насыщенности (так называемой «плотности» или «тяжести цвета») и содержат тысячи цветовых оттенков.
Три свойства цвета по цветовой системе Альберта Манселла
№ 2(49) 2013
Ученые применили цветовые карты Манселла для изучения способности людей различных культур определять цвета или давать характеристики цветовым оттенкам. После
проведения этих исследований было обнаружено, что разные культуры (этнические группы) дают несколько отличающиеся определения на одни и те же цветовые области. Так,
если мы предъявляем цветовую диаграмму представителям
разных культур и просим выделить на ней все цветовые области, которые они будут называть, например «оранжевый
цвет», то получим большое сходство реакций внутри культур,
но не между ними.
С другой стороны, общие названия и понятия, которые
легко объяснить и перевести с одного языка на другой, не
имеют идентичных значений. Интересно отметить, что люди,
владеющие двумя языками, тяготеют к выделению таких
категорий, которые являются средними от категорий, выделяемых респондентами, владеющим одним из двух языков
в изучаемых культурах.
А вот еще один пример. Эрнест Г. Шахтель в своих
экспериментах доказал, что опыт цветового восприятия
имеет сходство с эмоциональным опытом или ощущением аффекта. Как и цвет, эмоция вызывает в нас только
определенное отношение к предмету: красное яблоко —
спелое — можно съесть. И такие рассуждения можно продолжать бесконечно, так как все это происходит
на ассоциативном уровне.
Мы привыкли и нам понятно описание цвета словесными определениями, к которым могут прилагаться уточнения (светло-, темно-, ярко-). Для передачи ощущений цвету присваиваются температурные характеристики (теплый,
холодный), а при недостаточном количестве определений
с уточнениями присваиваются сравнительные термины
(миндальный, яичный, мокрый асфальт…). И за всем этим
многообразием кроется единственная цель — наиболее
точно передать характеристику цвета. Для упрощения работы и более верного обозначения были предложены методики применения различных цветовых шкал, которые оказывают помощь, особенно для установления соответствия
в описаниях разных людей.
Можно задать резонный вопрос, а какое это имеет отношение к распознаванию цветовой гаммы грунтов? Ответ
прост — специалисты также формулируют свои субъективные представления о цвете в определенной последовательности: от простого к сложному, от привычного и обыденного
к научному.
75
Проблемы и решения
ЦВЕТ В ИНЖЕНЕРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЯХ
Выдающийся ученый в области инженерной геологии
В.Д. Ломтадзе, чье столетие со дня рождения (3 сентября
2012 г.) недавно было отмечено изыскателями и научной общественностью России, придавал огромное значение окраске песчаных и глинистых грунтов и в своей книге
«Инженерная геология. Инженерная петрология»[1] посвятил этому вопросу специальный раздел. В другой книге Валерия Давидовича «Инженерная геология. Специальная инженерная геология» [2] приведен пример составления геолого-литологической колонки, где в описательной части колонки цвет грунта помещен сразу после его наименования.
В существующих правилах ведения полевой инженерно-геологической документации указание цвета грунтов
является обязательным. В колонках, прикладываемых к отчетам о результатах инженерно-геологических изысканий,
всегда есть сведения о цвете грунтов. Однако в текстовой
части отчетов цвет грунтов, как правило, не упоминается,
и анализ цветовой гаммы грунтов отсутствует, что свидетельствует о формальном подходе геологов к указанию
цвета. Такой подход связан чаще всего с непониманием
многими геологами значения цвета для инженерно-геологической характеристики и оценки грунтов. Цвет грунтов
не анализируется даже в отчетах по результатам инженерно-геологических изысканий таких уникальных сооружений, как атомные станции.
Описание грунта в полевых условиях
Пески мелкие, слабольдистые,
массивной криогенной текстуры (июнь 2012 г.)
Вместе с тем, благодаря цвету
получают ценную инженерно-геологическую информацию. Это можно
показать на примере моренных отложений. Поскольку основная масса
этих отложений образуется за счет
продуктов механического разрушения коренных пород, подстилающих
ледник, состав и цвет морены отражает состав и цвет коренных пород.
На северо-западе России, севернее
Балтийско-Ладожского глинта, мо-
76
Торфа пластичномерзлые сильнольдистые
(декабрь 2012 г.)
рена обычно глинистая, имеет значительную мощность, цвет ее серый, синевато-зеленый. Такой состав и цвет
морены обусловлен образованием ее
за счет разрушения подстилающих
синих кембрийских глин.
Южнее глинта морена подстилается светлыми ордовикскими известняками. Она имеет небольшую мощность,
становится более грубой, моренные
суглинки и глины содержат щебень известняков и доломитов, грунты приоб-
ретают цвет подстилающих известняков и доломитов: серый, светло-серый,
светло-желтый, желтый, желто-бурый
с белесоватыми оттенками. Нередко
морена имеет бурый цвет за счет ожелезнения.
Еще дальше на юг распространены
красные девонские песчано-глинистые
отложения. В этой области мощность
морены возрастает, она становится
более глинистой и приобретает яркие
малиново-красные тона. Красные тона
АТИП
Проблемы и решения
Суглинки слабозаторфованные
пластичномерзлые сильнольдистые
(декабрь 2012 г.)
морена имеет и на юго-востоке Ленинградской области, где распространены
бокситы красной окраски. В центре европейской части России в области развития черных верхнеюрских глин морена, глинистая по составу, приобретает
темную окраску. Как видно, по цвету
моренных отложений вполне можно
оценить подстилающие породы.
В природном залегании песчаные и
глинистые грунты также разнообразных окрасок и оттенков, определяемых
цветом породообразующих минералов. Мономинеральные грунты имеют
однородный цвет, свойственный цвету
основных породообразующих минералов. Например, чистые кварцевые пески имеют белую окраску.
На цвет оказывают большое влияние примеси, а также пленки, натеки
и налеты, покрывающие грунт или его
отдельные компоненты. Очень часто
поверхность песчаных частиц покрыта тонкой пленкой, придающей пескам
желтовато-бурую и красноватую окраску. По составу различают два типа
пленок в песках — силикатный и железистый, главными химическими составляющими которых являются окись
кремния, глинозем и окись железа.
Примеси органического вещества
вызывают появление палевой, серой,
бурой и черной окраски. Особенно
большое влияние на цвет грунтов оказывают железистые соединения. Закисные соединения железа придают
им синевато-серый или зеленовато-серый цвет. Окисные окрашивают их в
желтый, оранжевый, красный и бурый
тона. Надо отметить, что благодаря
включениям и пленкам различных соединений окисного железа на поверхности дисперсных частиц и агрегатов,
прочность грунтов повышается. Бурые
тона могут быть обусловлены также
присутствием в грунтах марганца.
Примеси глауконита и хлорита придают грунтам синевато-зеленый цвет.
От примесей карбонатов грунты становятся светло-серыми, грязно-белыми,
белесоватыми.
Окраска грунтов может быть однотонной, а может характеризоваться пятнами, разводами, натеками.
Во влажном состоянии грунты всегда
имеют более темную окраску. При высыхании они становятся светлыми и
могут значительно изменить свой цвет.
При этом окраска может стать неоднородной.
Характерна полосчатая окраска
у ленточных глин. Как известно, при
формировании ленточных глин в течение одного года откладывалась одна
лента, состоящая из летнего (песчано-пылеватого) и зимнего (глинистого)
слоев. Причем мощность годичных слоев ленточных отложений колеблется
в широких пределах — от долей миллиметра до десятков сантиметров, а комбинации состава и мощности сезонных
(зимних и летних) слоев многочисленны. Однако глинистые слои всегда
имеют более темную окраску, нежели летние. Такая полосчатая окраска
с различными оттенками позволяет
Валаамский гранит
уверенно распознавать ленточные глины различной текстуры.
Цвет грунтов в условиях природного залегания и в отвалах горных выработок существенно отличается. Так,
озерно-болотные отложения в естественных условиях часто имеют серый,
синеватый или зеленоватый цвет. В отвалах горных выработок грунты быстро
буреют, приобретают охристые тона,
поскольку железистые соединения быстро окисляются на воздухе.
Цвет скальных пород определяется
окраской породообразующих минералов и примесей, и служит большим
подспорьем в идентификации скальных пород. Цвет вместе с рисунком
определяет декоративность облицовочных камней, под которой подразумевается эстетическая привлекательность породы.
Вследствие процессов выветривания цвет скальных пород меняется.
Например, слагающие остров Валаам
габбро-диабазы имеют черную окраску. Поверхности породы слегка разрушены процессами выветривания
и в результате приобрели красноватый
оттенок. При беглом взгляде создается
впечатление, что территория острова
сложена породами красного цвета, то
есть гранитами, тем более что издавна
известен Валаамский гранит1 — красивая порода красного цвета, используемая в прошлом для облицовки зданий и
сооружений Санкт-Петербурга. Из приведенного примера следует: чтобы цвет
разрушенной с поверхности породы
1
Необходимо уточнить, что Валаамский гранит добывался на острове Сюскюянсаари (остров Святого Германа), расположенном
у северного побережья Ладожского озера в стороне от острова Валаам. Но поскольку гранит добывали монахи Валаамского монастыря, он был назван Валаамским. (Прим. авторов.)
№ 2(49) 2013
77
Проблемы и решения
не был ошибочно принят за цвет основной массы породы, необходимо
породу с поверхности тщательно зачищать.
Как видно, цвет грунтов служит
важным петрографическим признаком,
используемым при разделении и корреляции геологического разреза. Иногда он выражает текстуру грунтов,
характеризует их состояние и среду, в
которой они находятся. Все эти данные
о грунтах являются необходимыми для
их полноценной инженерно-геологической характеристики.
В процессе инженерно-геологических изысканий геолог должен определять и цвет поверхностных и подземных вод. Чистая вода — бесцветная.
Примеси могут придавать воде различную окраску: желтоватую, желтую,
бурую, зеленоватую и др. Подземные
воды с высоким содержанием железа
на воздухе приобретают бурую (ржавую) окраску. Кроме того, на поверхности воды могут появляться пятна, напоминающие нефтяные разводы.
Цвет при инженерно-геологических изысканиях определяется визуально. Вследствие индивидуальных
особенностей человека и качества
освещения в разное время года
(солнечно, пасмурно, полярная ночь,
искусственный свет и пр.) один и тот
же цвет может восприниматься разными геологами неодинаково. Так,
на площадках изысканий северозапада пескам одного цвета разные
геологи присваивают наименования:
желтые, коричневато-желтые, желтовато-коричневые,
коричневые.
Поэтому желательно, чтобы оценка
цвета производилась объективными
методами.
эталоны, исполнитель может описать все возможные цвета грунтов,
независимо от текстуры, фактуры и
цветовых контрастов, в соответствии
с предложенным способом описания
и классификацией. В результате появляется буквенно-цифровое описание цвета грунта на момент выполнения буровых работ, что максимально
соответствует истинному значению
цвета.
Все знают, что грунт по своему составу и цветовой гамме не однороден
и в исследуемых образцах могут присутствовать примеси и вкрапления.
Предложенный способ описания предусматривает возможность отображения этих особенностей. Например:
• S 2030-Y(40-80)R — 55–70 % (красный и розовый полевой шпат);
• S (2502-5502)R — 20–30 % (серый
с легким красным оттенком кварц);
• S (7502-8502)R — 10–15 % (темносерые, черные с легким красным оттенком темноцветы).
Более подробно с данным описанием можно ознакомиться в приложении
«В» Части 1 ISO 14688. Эта методика
является актуальной и по сегодняшний
день.
Но прошло более пятнадцати лет,
появились новые компьютерные технологии и технические средства фиксации и хранения информации. Возникает вопрос — как эти технологии
можно использовать в повседневной
работе геолога?
Думаем, нет необходимости убеждать читателя, что на сегодняшний
день наиболее эффективным спо-
NCS круг
собом зафиксировать цвет грунта
является способ фотографирования
с применением цифровой фотокамеры или мобильного устройства.
Цветное изображение соответствует
времени фотографирования и может
быть получено практически моментально после извлечения грунта из
скважины, что исключает такие процессы воздействия на образцы, как
высыхание, выветривание и окисление при соприкосновении с кислородом. Конечно, такое изображение
имеет свои отклонения от истинного цвета, поэтому логично будет
разобраться, какие из существующих
операционных возможностей фотокамер, мобильных устройств и их характеристики могут быть использованы в целях цифрового определения
цвета грунта.
ОПЫТ
СИСТЕМАТИЗАЦИИ ЦВЕТА
В ГЕОЛОГИИ
Одним из примеров систематизации может являться способ определения цвета, разработанный Скандинавским институтом цвета — SKI
(Стокгольм, Швеция) в 1995 г. и опубликованный в Части 1 ISO 14688.
Определение цвета производится
путем подбора цветового образцааналога по карте цветовых образцов
NCS-2, которая содержит 1750 вариантов цвета. Используя подобные
78
АТИП
Проблемы и решения
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ФОТОКАМЕР В ЦИФРОВЫХ
МОБИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ2
Как в обычных пленочных, так и
в цифровых фотокамерах основные
требования предъявляются к объективам. От характеристик объектива
в значительной степени зависит качество фотографического изображения.
Технические характеристики фотообъективов делятся на четыре группы,
каждая из которых объединяет показатели конструктивных особенностей
объектива, его фотометрические данные и показатели качества получаемого изображения, это:
• фокусное расстояние;
• светосила объектива;
• угол поля изображения и угол поля
зрения;
• разрешающая способность.
Фокусным расстоянием называется расстояние от задней оптической
плоскости объектива до плоскости, где
фокусируются лучи света, входящие
в объектив параллельным пучком. Фокусное расстояние принято указывать
на оправе объектива в миллиметрах
или в паспорте устройства (инструкции
по эксплуатации).
Светосилой объектива называется
его способность давать ту или иную
яркость изображения. Чем выше данная величина, тем лучшими получаются снимки и тем, соответственно, дороже становится устройство. При одних
и тех же условиях освещенности, объектив с большей светосилой позволяет
снимать на более коротких выдержках.
Угол поля изображения объектива.
Если через фотографический объектив
спроецировать изображение предмета
на экран, то изображение на экране
получится неравномерно освещенным
и неодинаково резким. В центральной
части круга изображение будет более
резким и равномерно освещенным,
к краям же резкость и освещенность
изображения уменьшаются.
Световой круг, охватывающий видимую часть изображения, называется
полем зрения объектива, а угол, определяющий поле зрения, — углом зрения объектива.
Строение объектива фотокамеры мобильного устройства
Центральная часть поля зрения,
в пределах которой изображение получается достаточно резким и равномерно освещенным, называется полем
изображения, а соответствующий ему
угол — углом изображения.
Разрешающая способность характеризует способность фотографического объектива передавать мелкие
детали изображения и выражается
максимальным количеством штрихов
и промежутков на 1 мм в центре и на
краю изображения. Для определения
разрешающей способности используется мира (специальная испытательная таблица), оптические изображения
которой получают с помощью испытуемого объектива. Различают разрешающую способность визуальную и фотографическую.
В цифровых фотоаппаратах и мобильных устройствах фиксация изображения осуществляется с помощью
светочувствительной матрицы. Размер
матрицы оказывает определяющее
значение на качество получаемых
снимков. На рисунке приведены основные физические размеры матриц
фотоаппаратов и их общепринятые
маркировки.
Профессиональные и
полупрофессиональные
камеры имеют полноразмерную матрицу 4/3, соответствующую размеру
кадра 35-миллиметровой
пленки. Для любительских
фотоаппаратов, которые
в простонародье называют мыльницами, размер матрицы варьирует
от 1/2,7˝ до 1/1,8˝ и 2/3˝.
Чем больше физический
размер матрицы, тем больше и размер расположенных на ней пикселей, а
следовательно, тем больше света они
могут собирать и тем четче и точнее
передавать изображение и различные
цветовые нюансы.
Разрешение матрицы — измеряется в мегапикселях. Чем больше будет разрешение матрицы, тем больше
мелких деталей сможет отобразить
фотокамера на кадре. К примеру, если
у матрицы разрешение 4 Мп, то это
означает, что сама матрица состоит
из 4 миллионов пикселей (ячеек). Однако на сегодняшний день разрешение
матрицы не является определяющим
показателем, так как большинство
фотокамер обладают разрешением
10–12 Мп. Для печати фотографий
размером 10 на 15 см, вполне хватит
и 1 мегапикселя.
Глубина цвета (12–48 бит/пиксель). Глубина цвета определяется
количеством бит на каждом пикселе.
Фотокамера кодирует цвет числом бит,
в зависимости от отведенного каждому
пикселю количества бит. Закодированная информация в цифровой камере
проявляется на снимке. Например, если
глубина цвета равна 24 бит/пиксель,
2
Читатель может упрекнуть авторов за применение словосочетания «фотокамера в цифровых мобильных устройствах». Более
корректно было бы сформулировать так «цифровые фотоаппараты и фотокамеры в цифровых мобильных устройствах». О причине
данного подхода мы расскажем позднее в следующих частях данной статьи. (Прим. авторов.)
№ 2(49) 2013
79
Проблемы и решения
то объект содержит до 16,8 млн. цветовых оттенков. Очевидно, что цветопередача снимаемого объекта будет точнее
в случае, если для представления изображения камерой будет использовано
больше цветов. Многие фотокамеры
имеют глубину цвета 24 бит/пиксель,
что считается хорошим показателем.
Если предъявить к цветовой гамме
снимка академическую точность, то для
реального отображения глубины цвета
этот показатель должен быть не менее
30 бит/пиксель.
ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ ФОТОКАМЕР
В ЦИФРОВЫХ МОБИЛЬНЫХ
УСТРОЙСТВАХ
Автофокус — автоматически сосредотачивает объектив камеры на
предмете. Наиболее часто используется «активный автофокус», который
посылает на предмет инфракрасные
лучи, ультразвуковые или другие волны и использует отраженные от предмета лучи или волны для определения
фокусного расстояния.
«Баланс белого» — это процесс
цветовой коррекции, в результате
которой объекты, которые глаз видит как белые, будут показаны белыми на вашем снимке. Белый цвет
может отображаться белым при
дневном освещении, а в других условиях освещения может иметь другой
оттенок. Например, фотосъемка при
комнатном освещении приводит к
отображению объектов в желтоватых тонах.
Большинство цифровых фотокамер
имеют функцию автоматической настройки баланса белого. При выборе
этого режима система обработки изображения анализирует цветовую гамму
фотографируемого объекта, определяет доминирующий цвет лучей в съемочном освещении и настраивает цветовую чувствительность фотокамеры,
чтобы финальное изображение имело
оптимальное соотношение уровней
всех цветовых составляющих. Однако
автоматика не в состоянии учесть все
источники освещения, поэтому в некоторых камерах предусмотрены и другие способы корректировки цвета.
Ручная установка функции «баланс
белого» дает преимущество по сравнению с автоматическим режимом,
так как при автоматическом режиме
камере не всегда удается найти белый
цвет на снимаемом объекте. Ручная
настройка более точная и предоставляет огромные преимущества в качестве фотоизображения.
Очень хорошо для ручной настройки баланса белого подходит
обычный лист бумаги. Фотографируя белый лист в режиме ручной настройки баланса белого, вы даете
понять камере, какой цвет при имеющемся освещении является белым.
Фотокамера запоминает этот цвет и
в соответствии с шаблоном корректирует цвета на фотографии. Важно
помнить, что такой метод установки
баланса белого будет давать корректные цвета только при том освещении, при котором делался калибровочный замер.
Точность передачи цвета нужна при
съемке образца грунта, где главным
условием является правильность цветопередачи. Понимание и правильное
использование баланса белого помогает избежать искажений цвета и повышает качество снимка.
Технологии GPS/ГЛОНАСС —
функция, позволяющая определять
местонахождение предмета с помощью сигналов от навигационных
спутников. Точность определения
координат в цифровых фотокамерах
в среднем составляет от пяти до десяти метров в зависимости от числа
спутников.
Координатные данные места положения в момент съемки, поступающие от GPS/ГЛОНАСС-приемника при
использовании данной функции, записываются на флеш-карту вместе с
фотоснимком. Раскрывая возможности
фотокамер в мобильных устройствах,
мы столкнулись с множеством других
интересных и полезных устройств. Хотя
этот раздел выходит за пределы темы
стати, не рассказать о датчиках мы не
смогли.
ДАТЧИКИ В ЦИФРОВЫХ
МОБИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ
Датчики
цифровых
мобильных
устройств (ОС Android) делятся на три
категории: движения, положения и
окружающей среды. Датчики эти могут
быть самыми разными и по состоянию
на начало 2013 года их примерный состав включает:
• акселерометр,
• гироскоп,
• датчик освещения,
• датчик магнитных полей,
• барометр,
• датчик поднесения телефона к голове,
• датчик температуры аппарата,
• датчик температуры окружающей
среды,
• измеритель относительной влажности и т.д.
Естественно, их набор зависит от
«комплектации» мобильного устройства. И надо заметить, что скорость
появления новых датчиков и совершенствование существующих с каждым днем увеличивается. Так датчик
абсолютного давления построен на
технологиях микроэлектромеханических систем (MEMS) и предназначен
для установки в мобильных устройствах. Датчик реагирует на изменения
по высоте с точностью до 50 сантиметров. Методика реализована путем
сравнения внешнего атмосферного
давления по отношению к вакуумной
камере внутри датчика. Устройство
также имеет встроенный датчик температуры, позволяющий откорректировать погрешности давления, вызванные изменением температуры воздуха.
Изобретатель Джейкоб Фраден запатентовал смартфон-термометр. Он
планирует производить телефоны, оснащенные инфракрасными датчиками.
С помощью такого устройства можно узнать температуру человека или
предмета менее чем за секунду, при
этом разработчик утверждает, что точность измерений температуры будут
соответствовать требованиям международных стандартов.
Литература
1. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная петрология. Изд.
2-е перераб. и доп. Л., «Недра»,
1984.
2. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Специальная инженерная геология. Л., «Недра», 1978.
3. Арнхейм Р. Искусство и визуальное
восприятие. М., «Архитектура-С»,
2007.
Продолжение в следующем номере.
80
АТИП