Thiết kế chế tạo dụng cụ đo màu phản xạ dùng trong nghành may

Thiết kế chế tạo dụng cụ đo màu phản xạ dùng trong nghành may

Khoa học - kó thuậät 45 THIẾT KẾ CHẾ TẠO DỤNG CỤ ĐO MÀU PHẢN XẠ DÙNG TRONG NGÀNH MAY Trần Thò Kim Phượng *, Huỳnh Văn Trí**, Trần Bích Hoàn***  TĨM TẮT Trong ngành may tiêu chí về màu sắc của sản phẩm ngày càng được quan tâm.Việc xác định độ lệch màu, độ đều màu, độ bền màu, …u cầu phải có những thiết bị đo chính xác và đắt tiền và thường vượt q khả năng đầu tư của các doanh nghiệp sản xuất dạng vừa và nhỏ. Để kiểm tra chất lượng sản phẩm trong sản xuất may cơng nghiệp cũng như trong khâu giao nhận theo hợp đồng các loại ngun liệu, bán thành phẩm cũng như sản phẩm cuối cùng, tiêu chí màu chỉ được đánh giá thơng thường dựa vào phương pháp cảm tính, chủ quan. Điều này dễ đưa đến rủi ro và tranh chấp.** Nội dung nghiên cứu này là thiết kế chế tạo một loại dụng cụ đo cầm tay, có cấu tạo đơn giản và làm việc tương đối tin cậy. Dụng cụ nhận dạng màu sắc của sản phẩm dệt may theo ngun lý phản xạ 45˚/0˚ của các tia đơn sắc tạo ra từ các led bán dẫn. Tín hiệu nhận được bởi một photodetector và được xử lý bởi một vi điều khiển AVR. Các giá trị kích thích màu X, Y, Z được tính theo cơng thức với số liệu của CIE 1964 và qui đổi về các hệ tọa độ màu CIE Yxy, CIELAB. Dựa vào các tiêu chuẩn kiểm định về ** * NCS. ThS. Trần Thị Kim Phượng - Khoa Cơng nghệ May - Thời trang, Trường Đại học Cơng nghiệp Tp. HCM. ** PGS. TS. Trưởng Khoa Cơng nghệ May - Thời trang, Trường Đại học Cơng nghiệp Tp. HCM. *** PGS.TS. Khoa Cơng nghệ Dệt may - Thời trang, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. độ trắng, độ lệch màu của vật liệu vải sợi, dụng cụ đo đã cho những kết quả đánh giá khách quan, nhanh chóng và tin cậy. Dụng cụ có thể chế tạo được trong nước với giá thành thấp nên rất thích hợp cho các cơ sở sản xuất, kinh doanh dệt may hiện nay.  ABSTRACT DESIGNING AND MANUFACTURING REFLECTANCE COLORIMETER USING IN GARMENTS Color criteria, in the textile industry, are paid more attention nowadays. Color difference, color shading and color fastness testings require precise and expensive instruments which almost all SMEs are not able to afford. To check the quality of product in the textile and garment industry as well as to deliver material, work in process and finished goods, color criteria are often subjectively assess. This method lead to risks and arguments. The study is to invent a simple and reliable handy measurement instrument. Color identify instrument for garments operates based on principle of reflection 45˚/0˚ of monochromatic ray created by a LED. The signal is received by a photodetector and processed by a AVR chip. The CIE tristimulus values XYZ are calculated from CIE 10 degree Standard Khoa học - kó thuậät 46 Observer functions and transfered to CIE Chromaticity Coordinates Yxy, CIELAB color scale. Based on whiteness and color shading testing standard of fabric, the instrument shows objective, quick and reliable assessment. The instrument can be fabricated with low cost; therefore, it is suitable for our current textile and garment manufacturer. 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Màu sắc của một vật thể là kết quả của ánh sáng đi từ vật đó tạo nên cảm nhận trong não người thơng qua đơi mắt, chúng phụ thuộc vào 3 yếu tố: nguồn sáng, vật thể và người nhìn. Để nhận dạng và đo lường màu sắc, trong cơng nghiệp cũng như trong nghiên cứu, học tập người ta dùng các dụng cụ hay thiết bị đánh giá định lượng được gọi là máy đo màu (colorimeter, spectophotometer). Về ngun tắc, cấu tạo của các thiết bị này phải tn theo phương thức tương tự như mắt người nhìn màu hay tiến trình cảm nhận màu phải được mơ phỏng lại trong các thiết bị đo [1, 2, 3]. Trong các ngành in, nhuộm, sơn, nghệ thuật tạo hình, cơng nghiệp sản xuất hàng tiêu dùng, màu sắc được đánh giá, nghiệm thu bởi con người nên ba yếu tố kể trên phải được tính đến trong các thiết bị đo. Với mục đích này, chúng thường được đo bằng phương pháp kích thích 3 giá trị giống như cảm nhận của mắt người hoặc đo phổ phản xạ [4, 5]. Từ các cơng trình nghiên cứu về phối màu dựa trên định luật Grassmann [6, 7, 8], phép đo quang phổ kế phản xạ được dùng phổ biến trong ngành dệt may hiện nay. Trong q trình đo, ánh sáng được chiếu tới mẫu đo. Ánh sáng phản xạ đi qua một hệ thống ống kính và tới bộ cảm biến, bộ cảm biến này dùng để đo cường độ ánh sáng của mỗi màu và chuyển tín hiệu cảm nhận được cho bộ vi xử lý. Tại đó, các tín hiệu được đối chiếu với giá trị cảm nhận tương ứng của 3 loại tế bào hình nón trong mắt người được xác định theo chuẩn quan sát của CIE [9, 10]. Kết quả nhận được là các giá trị kích thích màu X, Y và Z. Sau cùng, các giá trị này được chuyển đổi thành các tọa độ màu CIE Yxy hay các tọa độ của các khơng gian màu khác (thí dụ như CIELAB hay CIELUV, vv ). Q trình tính tốn các giá trị X, Y, Z thường qua 3 bước: • Bước đầu tiên là xây dựng đường cong kích thích màu () bằng cách nhân các giá trị hàm năng lượng phổ tương đối S() của nguồn sáng với giá trị phổphản xạ R() của mẫu đo cho mỗi bước sóng; • Bước thứ hai, các giá trị từ đường cong kích thích màu () sẽ nhân với các giá trị của các đường cong phối màu )(z),(y),(x được cơng bố bởi CIE (xem hình 1). Kết quả cho 3 đường cong mới; • Cuối cùng, bằng phép tính tích phân Khoa học - kó thuậät 47 và nhân với hằng số tiêu chuẩn hóa K (cơng thức 1.4), 3 thành phần kích thích màu X, Y, Z được tìm ra ở phạm vi các bước sóng λ mà mắt người có thể nhìn thấy. Các giá trị X, Y, Z có khả năng mơ tả màu một cách chính xác và được dùng làm tọa độ cơ bản của một màu sắc nào đó trong khơng gian màu CIE. 780380d)(R)(x)(SKX  (1.1) 780380d)(R)(y)(SKY  (1.2) 780380d)(R)(z)(SKZ  (1.3) 780380d)(y)(S100K (1.4) Trong đó S(λ) - Năng lượng phổ tương đối của nguồn sáng được xác định theo tiêu chuẩn CIE; )(z),(y),(x - Hàm phối màu dưới góc nhìn 10˚ của CIE 1964; R(λ) - Phổ phản xạ của mẫu đo. Do các hàm S(λ) và )(z),(y),(x  đã được CIE chuẩn hóa, cơng bố với độ chính xác đến 5 con số có nghĩa và liệt kê theo từng giá trị của λ (thay đổi trong phạm vi từ 380 nm đến 780 nm), nên các máy đo màu dạng này trên thực tế được thiết kế chế tạo dùng để xác định phổ phản xạ R(λ) của mẫu đo. Sau đó xử lý tính tốn thơng số màu X, Y, Z theo các cơng thức từ (1.1) đến (1.4). 2. THIẾT KẾ DỤNG CỤ ĐO MÀU Để có được hàm phản xạ R(λ) trong dãy bước sóng mà mắt người cảm nhận được, người ta phải thiết kế các dụng cụ đo có khả năng phát ra những tia đơn sắc có λ thay đổi gần như liên tục từ 380 nm đến 780 nm. Năng lượng phản xạ của các tia đơn sắc này được ghi nhận thơng qua một cảm biến quang điện và được xử lý sau đó để tính tốn các thơng số màu. Nguồn sáng có phổ liên tục gần giống như nguồn sáng của mặt trời thường dùng trong các dụng cụ đo màu hiện nay là nguồn sáng của đèn xenon. Nhờ vào hệ thống quang học có chức năng lọc hoặc làm tán sắc ánh sáng của nguồn ở dạng khúc xạ lăng kính hay nhiễu xạ cách tử, các tia đơn sắc được tạo ra. Đã có rất nhiều mẫu dụng cụ đo thiết kế, chế tạo theo ngun lý trên được sản xuất [11, 12, 13, 14, 15], tuy nhiên chúng khá phức tạp, cần gia cơng và lắp đặt chính xác nên tương đối đắt tiền, chỉ trang bị thích hợp cho các phòng thí nghiệm phục vụ nghiên cứu khoa học hay kiểm định chất lượng. Việc tạo ra các tia đơn sắc từ các nguồn riêng lẽ thì gặp phải khó khăn về số Khoa học - kó thuậät 48 lượng và khơng gian bố trí các linh kiện phát sáng. Mặt khác cũng khơng được nhiều lựa chọn để có các nguồn phát tia đơn sắc phân bố đều với từng bước sóng rải từ 380 nm đến 780 nm. Qua các phân tích trên, để tìm được một thiết kế tương đối dễ chế tạo, giá thành thấp nhưng làm việc tương đối ổn định, trong nghiên cứu này chọn các LED (light-emitting diode) có bước sóng trong phạm vi hẹp làm nguồn sáng cho dụng cụ đo. Số lượng LED có hạn nhưng bước sóng có năng lượng lớn nhất của từng loại được chọn gần với các bước sóng mà mắt người nhạy cảm nhất, do đó những sai lệch tính tốn về ngun lý sẽ giảm đáng kể. Sơ đồ làm việc của bộ cảm biến phổ phản xạ được mơ tả trên hình 2. Nguồn sáng kể như đơn sắc được tạo ra bởi 4 cặp LED của hãng Shenzhen (Trung Quốc), chúng có cơng suất bức xạ lớn nhất ở các độ dài sóng λ tương ứng là 460, 525, 590 và 625 nm, độ rộng của mỗi phổ sóng khoảng 60 nm. Đây là một trong những loại đèn LED được sử dụng phổ biến trong quảng cáo, có nhiều trên thị trường với giá rẻ, làm việc ổn định và tuổi thọ cao. Từng cặp LED được bố trí đối xứng qua trục trung tâm, trên đó có lắp bộ thu là một photodiode P, ánh sáng được thiết kế đi đến mẫu đo O tạo nên một góc 45˚ so với đường thẳng đứng. Ánh sáng phản xạ từ O sẽ đến điểm thu của photodiode P dưới một góc nhìn 10˚. Các cặp LED tuần tự phát sáng, bộ thu chuyển tín hiệu quang điện đến mạch khuếch đại và đưa vào cổng biến đổi A/D của một vi điều khiển AVR. Giá trị đo được cho mỗi tia sáng phản xạ từ mẫu đo được so sánh với tín hiệu từ vật đo chuẩn là một đĩa lõm nhỏ được nén phẳng bởi bột BaSO4. Do mỗi LED phát sáng được cung cấp nguồn từ một chân của vi điều khiển nên q trình hiệu chỉnh sự tuyến tính của tín hiệu phản xạ phù hợp với dữ liệu biến đổi A/D trở nên thuận tiện hơn. Phổ năng lượng phản xạ R(λ) đo được của dụng cụ là các vạch xung RB, RG, RY và RR. Tuy nhiên để thuận tiện cho tính tốn, trong nghiên cứu này coi phổ R(λ) là một đường liên tục nối các điểm RO - RB - RG - RY - RR - RI. Với điều kiện như vậy, hàm R(λ) có thể viết theo dạng tốn học sau: 380 nm ≤ λ ≤ 460 nm : 8038012RB)(R (2.1) 460 nm ≤ λ ≤ 525 nm : )460(65RBRGRB)(R   (2.2) 525 nm ≤ λ ≤ 590 nm : )525(65RGRYRG)(R   (2.3) 590 nm ≤ λ ≤ 625 nm : )590(35RYRRRY)(R   (2.4) 625 nm ≤ λ ≤ 780 nm : 155)625(22RR)(R (2.5) Các giá trị của R(λ) từ các cơng thức (2.1) đến (2.5) kết hợp với giá trị năng lượng phổ S(λ) của nguồn sáng D65 cũng như các hàm phối màu )(z),(y),(x của CIE 1964 cho phép vi điều khiển AVR tính tốn các tích phân (1.1) - (1.4) để được giá trị kích thích màu X, Y, Z của các mẫu đo. Khơng gian màu CIEXYZ chính xác về mặt lý thuyết. Hai vật thể có thơng số đo màu X, Y, Z giống nhau sẽ cho cảm nhận màu từ mắt người như nhau. Tuy nhiên khơng gian này khơng đồng nhất, dung sai màu khơng đều như nhau tại các tọa độ màu khác nhau. Do đó việc chuyển hệ tọa độ qua khơng gian màu CIELAB đều hơn của Hunter [6,7] biểu thị bởi các thơng số L*, a*, Khoa học - kó thuậät 49 b* là cần thiết để xử lý những bài tốn thực tiễn sau này. Trong trường hợp dùng nguồn năng lượng phổ S(λ) = D65 khi tính tốn, chúng tơi dùng cơng thức qui đổi sau: 008856.0100Yif100Y3.903008856.0100Yif16100Y116L3/1* (3.1) 100Yf100Xf200b100Yf100Xf500a** (3.2) 008856.0tif116/16t787.7008856.0tift)t(f3/1 (3.3) Khi đó độ sai lệch màu được xác định:      2*2*2**baLabE   (3.4) Tất cả các cơng thức từ (3.1) đến (3.4) đều được vi điều khiển tính tốn và qui đổi thể hiện trực tiếp trên LCD của dụng cụ đo. 3. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ĐO VÀ THẢO LUẬN Để kiểm tra độ bền màu và độ trắng của vải theo các tiêu chuẩn TCVN 5466 - 1991 và TCVN 5236 - 1990 [16, 17], dụng cụ đo màu được nghiên cứu thiết kế ở đây có thể xác định được sự khác nhau về màu sắc của 2 mẫu thử. Do đó khi xử lý tín hiệu từ bộ cảm biến, vi điều khiển phải có chức năng tính tốn, chuyển đổi, lưu trữ thơng số màu của mẫu chuẩn, so sánh thơng số màu của mẫu đo với mẫu chuẩn theo giá trị abE*, tính độ trắng của mẫu đo theo nguồn sáng D65, tính độ biến động các thơng số màu sau nhiều lần đo (độ lệch chuẩn) để qua đó dụng cụ có thể kiểm tra độ đều màu của vải nhuộm. Theo cấu tạo thiết kế, dụng cụ có thể xử lý các số liệu tối đa cho 99 lần đo, sử dụng nguồn năng lượng độc lập từ 4 pin AA lắp bên trong và có trọng lượng khơng q 200 g. Do khơng có hệ thống quang học nên dụng cụ tương đối bền khi va chạm, sử dụng thuận tiện trên các dây chuyền sản xuất (hình 3). Dụng cụ xác định được độ phản xạ ánh sáng của mẫu đo theo 4 bước sóng nhạy cảm nhất đối với con mắt người là xanh dương , xanh lục, vàng và đỏ. Đây thường là những màu chính của đa số thuốc nhuộm dùng trong các cơng thức phối màu. Với những giá trị tín hiệu phản xạ từ mẫu đo tương ứng với từng bước sóng, các nhà cơng nghệ nhuộm có thể đưa vào các phần mềm pha màu để đạt được cơng thức chính xác hơn, thay vì phải dựa vào kinh nghiệm. Trên thực tế sản xuất và sử dụng, màu sắc của một sản phẩm thường bị thay đổi dưới một tác nhân nào đó, sự thay đổi này khơng nhiều và khó phân biệt bằng mắt thường. Dụng cụ đo màu có thể đánh giá khách quan và định lượng được sự thay đổi, nhờ vậy các nhà cơng nghệ có thể điều chỉnh ngay các thơng số vận hành thiết bị theo hướng cải thiện chất lượng màu sắc của sản phẩm. Qua q trình thực nghiệm, đo nhiều lần trên 1 sản phẩm, kết quả đo của dụng cụ có tính lặp lại tương đối cao, hệ số phân tán tương đối thấp (< 0,5 %). Dụng cụ có thể thay thế tốt phương pháp kiểm tra độ bền màu bằng thước xám. Do xác định được ΔE*ab và độ trắng W nên dụng cụ rất hữu ích trong việc so màu của từng lớp vải trên bàn cắt, kiểm tra độ lệch màu giữa các chi tiết quần áo trên chuyền gia cơng, chọn lựa màu chỉ may, thêu Khoa học - kó thuậät 50 thích hợp với vải nền hay kiểm tra sơ bộ chất lượng màu, độ đều màu của các cây vải trước khi nhập kho . Dụng cụ chế tạo được trong nước với giá thành dưới 1.000.000 đồng, thấp hơn hàng trăm lần so với dụng cụ nhập ngoại nên có thể thuyết phục các doanh nghiệp vừa và nhỏ trang bị chúng ở tất cả nơi cần kiểm tra như tại xưởng sản xuất, ở cửa hàng kinh doanh, trong kho ngun phụ liệu, ngồi thực địa nơi trực tiếp giao nhận hàng hóa. Do vi điều khiển ATMEGA 32 xử lý kết quả đo, độ phân giải của bộ biến đổi A/D là 10 bit nên độ chính xác chỉ đạt được 0,1% hay các giá trị kích thích màu chỉ đúng ở 3 con số thập phân có nghĩa. Việc nâng độ chính xác tính tốn lên 4 con số có nghĩa theo khuyến cáo của CIE là cần thiết và phải sử dụng chip vi điều khiển thế hệ mới hơn. Phổ phản xạ R(λ) đo được của dụng cụ là phổ vạch tương ứng với bước sóng phát xạ của từng đèn LED, do đó sai số trong tính tốn là khơng tránh khỏi. Dụng cụ đo khơng cho chính xác giá trị tuyệt đối của các thơng số kích thích màu. Nghiên cứu giới hạn phạm vi sai số đo sẽ là bước kế tiếp của cơng trình này về lý thuyết lẫn thực nghiệm. 4. KẾT LUẬN Dụng cụ đo màu cầm tay theo ngun lý quang phổ phản xạ với nguồn sáng đơn sắc tạo bởi 4 cặp LED và cảm biến thu là một photodiode đã được thiết kế chế tạo tại Khoa May - Thời trang - Trường Đại học Cơng nghiệp Tp. Hồ Chí Minh. Dụng cụ được dùng để kiểm tra các chỉ tiêu về màu sắc của vật liệu vải sợi trong ngành dệt may. Các giá trị kích thích màu được tính tốn, xử lý bởi một vi điều khiển AVR. Sau khi qui đổi thơng số màu đo qua hệ CIELAB, kết quả nhận được có thể lưu lại trong bộ nhớ, so sánh với mẫu chuẩn, xác định được độ trắng, độ lệch màu, độ đều màu của mẫu đo. Dụng cụ đang được thử nghiệm nhằm đánh giá độ tin cậy, độ lặp lại và độ chính xác khi đo, kết quả sơ bộ ban đầu tương đối tốt. Nhóm nghiên cứu đang tiến hành tối ưu hóa thiết kế, chuẩn bị chế tạo với số lượng nhiều nhằm giới thiệu, đưa chúng tham gia vào cơng tác kiểm tra chất lượng màu của ngun phụ liệu ngành may trong dây chuyền sản xuất. Dụng cụ có kích thước nhỏ, gọn, đơn giản, chế tạo trong nước với giá thành thấp, thích hợp cho các doanh nghiệp dệt - nhuộm - may có qui mơ sản xuất vừa và nhỏ. 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bernd Utter, Dr. Werner Huber. Introduction into Colorimetry and Spectrophotometry. http://www.heidelberg.com/h/www/en/binaries/files/prinect/user_guide_colorimetry en_pdf 2. Steven K. Shevell. The Science of Color (Second Edition). Optical Society of America, Elsevier, 2003. 3. János D. Schanda. Colorimetry. OSA/AIP handbook of Applied Photometry (ed.: Dr. Casimer DeCusatis IBM, Poughkeepsie, NY USA). http://www.knt.vein.hu/Tantargyak /Szinmeres/Colour.pdf . 4. Peter Blum. Reflectance Spectro photometry and Colorimetry. PP Handbook, November, 1997. http://www-odp.tamu.edu/publications/tnotes/tn26/CHAP7.PDF . 5. Jan-Peter Homann. Digital Color Management - Principles and Strategies for the Standardized Print Production. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2009. 6. Genot Hoffmann. CIE Color Space. http://www.fho- Khoa hoùc - kú thuaọọt 51 mben.de/~hoffmann/ciexyz29082000 .pdf. 7. Adrian Ford, Alan Roberts. Colour Space Conversions. August 11, 1998. http://www.poynton.com/PDFs/coloureq.pdf 8. Arthur D. Broadbent. Basic Principles of Textile Coloration. Woodhead Publishing Limited, 2010. 9. CIE (1931). Commission Internationale de lEclairage Proceedings. Cambridge University Press, cambridge. 10. CIE 1931 color space. http://en.wikipedia.org/wiki/CIE_1931_color-space 11. Dunne, Bruce (Westmont, IL), Stockham Jr., Thomas G. (Salt Lake City, UT). Method of converting scanner signals into colorimetric signals. United States Patent 5149960, 09/22/1992. 12. Sakamoto, Takashi (Kyoto, JA). Method of color correction. United States Patent 4060829, 11/29/1977. 13. . á : , 1964, 44 - 70. 14. , . : , 1964, 70 - 88. 15. Konicaminolta. Precise Colorcommunication. http://www.konicaminolta.com/instruments / knowledge/color/pdf/color_communication.pdf 16. TCVN 5466 - 1991 (ISO 105-A02-1987). Vt liu dt - Phng phỏp xỏc nh bn mu. Thang mu xỏm ỏnh giỏ s thay i mu. 17. TCVN 5236 - 1990 (ISO 105-J02-1987). Vt liu dt - Phng phỏp ỏnh giỏ trng trờn mỏy. . Khoa học - kó thuậät 45 THIẾT KẾ CHẾ TẠO DỤNG CỤ ĐO MÀU PHẢN XẠ DÙNG TRONG NGÀNH MAY Trần Thò Kim Phượng *,. là thiết kế chế tạo một loại dụng cụ đo cầm tay, có cấu tạo đơn giản và làm việc tương đối tin cậy. Dụng cụ nhận dạng màu sắc của sản phẩm dệt may