颜色识别

内蒙古大学本科毕业论文（设计）第1页第1章绪论1.1论文的背景颜色识别兴起的时间较晚，但在实时检测系统及自动控制方面具有重要意义，单片机及微机的引入提高了颜色识别的速度及智能化程度。国内与国外尚存在较大差距，识别的精度，灵敏度，颜色范围，快速性成为颜色识别的主要问题。深入研究传统颜色识别系统十分必要，同时对国外先进的颜色识别仪器进行了解，可以在某种程度上给我们以启示。1.2颜色识别的应用及意义颜色识别在现代生产中的应用越来越广泛，无论是遥感技术，工业过程控制，材料分拣识别，图像处理，产品质检，机器人视觉系统，还是某些模糊的探测系统都需要对颜色进行探测，而颜色传感器的飞速发展，生产过程中长期由人眼起主导作用的颜色识别工作将越来越多地被颜色传感器所替代。为这上述应用的自动化实现提供了可能。1.3颜色识别的国内外研究现状及发展前景颜色识别是新兴的测控技术，普通的工业应用如材料分拣，商标识别等已广泛应用。但高精密的颜色识别技术仍掌握在少数发达国家如美国,日本手中。我国在机器人视觉系统方面已取得了举世瞩目的成就，但在摄取数码影像，高分辨率的颜色识别方面仍缺乏自主研发的能力。随着颜色传感器的广泛应用，颜色识别技术已成为仪器自动化，智能化的重要组成部分，发展前景十分广阔。1.4论文的构成及研究内容本文首先在对传统的颜色识别技术的了解下，研究了以下内容：1.颜色识别的基本原理及常识。2.色敏传感器的介绍及识别颜色的原理，并对现在市面上使用的颜色传感器进行分类。3.识别单色光的识别系统的精密放大器的模拟电路仿真及单通道A/D转换。4.识别全色光的识别系统的I-V变换设计及三通道数据采集显示的设计与仿真。5.自设计的利用电压比较器识别颜色的基本原理及相应仿真。6.TCS230介绍及设计基于TCS230与51单片机的颜色识别系统与仿真。内蒙古大学本科毕业论文（设计）第2页第2章颜色识别的原理及常识2.1颜色识别的基本常识1．可见光一般来说，可见光波长在380—780nm之间，在光谱范围内，不同波长的辐射引起人的不同颜色感觉。大多硅光电二极管的光谱影响范围在300—1000nm之间,可以满足要求。2．颜色的特性1）色调（hue）以波长为基础，是区分不同颜色的特征属性。2）饱和度（saturation）反映颜色的纯度，任意一种颜色都可以看作某种光谱色与白色混合的结果，光谱色所占比例越大，颜色的饱和度越高。3）亮度（lightness）是描述颜色亮暗的一种属性，是一种光强度的测量方法，与光的能量有关。3．三基色原理：适当选取三种基色（红，绿，蓝），将它们按不同比例进行合成，就可以引起不同的颜色感觉，合成彩色光的亮度由三个基色的亮度之和决定，色度由三基色分量的比例决定，三基色彼此独立，任一种基色不能由其他两种颜色配出。国际照明委员会（CIE）推荐使用波长为700nm（红），546.1nm(绿)，435.8nm（蓝）。通常所看到的物体颜色，实际上是物体表面吸收了照射到它上面的白光（日光）中的一部分有色成分，而反射出的另一部分有色光在人眼中的反应。白色是由各种频率的可见光混合在一起构成的，也就是说白光中包含着各种颜色的色光（如红R、黄Y、绿G、青V、蓝B、紫P）。根据德国物理学家赫姆霍兹（Helinholtz）的三原色理论可知，各种颜色是由不同比例的三原色（红、绿、蓝）混合而成的。4．Pixel是由Picture(图像)和Element(元素)这两个单词的字母所组成的，是用来计算数码影像的一种单位，也称为“像素”。5．半导体的基本知识：根据物体导电能力(电阻率)的不同，划分为导体、绝缘体和半导体。半导体的电阻率为10-3～109cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体的特点：（1）导电能力不同于导体、绝缘体；（2）受外界光和热刺激时电导率发生很大变化——光敏元件、热敏元件；（3）掺进微量杂质，导电能力显著增加——半导体。内蒙古大学本科毕业论文（设计）第3页半导体二极管的伏安特性曲线可近似为I=IseVD/VT由此公式可设计对数电路。图2.1半导体二极管的伏安特性曲线式中IS为反向饱和电流，VD为二极管两端的电压降，VT=kT/q称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q为电子电荷量，T为热力学温度。对于室温（相当T=300K），则有VT=26mV。半导体光电二极管为将光信号转换成电信号，并且根据半导体二极管的伏安特性可组成对数运算电路，进而组成颜色调理电路（精密放大器）。2.2色敏器件及色敏传感器原理：[1]色敏器件：（1）硒光电池：最古老的光电探测器件，其特点是光谱响应几乎与人眼一样，常用于高端设备。（2）硅光电二极管和三极管：在光照条件下硅光电二极管的短路电流与光能成正比；光电三极管也称光电晶体管，在把光信号变为电信号的同时，还将信号电流放大。二者灵敏度很高，但光谱相应曲线与人眼相差较远，很难与滤色片配合达到满意的效果。（3）半导体色敏器件：即双结光敏二极管。[2]色敏光电传感器原理：色敏光电传感器是半导体光敏传感器的一种，是基于内光电效应将光信号转换为电信号的光辐射探测器件。可直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长，是一种新型的光敏器件。（1）双结色敏传感器是检测单色光的常用传感器，是一种不使用滤色器的双结型光伏二极管。由同一块硅基片上两个结深不同的P-N结光电二极管根据深浅结对不同波长的光灵敏度的不同，其中，浅结对紫外光灵敏度较高；深结对红外光灵敏度较高。这就使其具有识别颜色的功能。当入射光强度保持一定时，器件中两只光电二极管短路电流比值Isd1/Isd2与入射单色光（一般由单色光照射待测物体反射后得到）波长存在一一对应关系，根据标定的曲线及对应关系，即可唯一)1(eTSVVDII内蒙古大学本科毕业论文（设计）第4页确定该单色光的波长。虽然对于固定波长的入射光由于外界环境的影响，在不同时刻同一结输出的电流有起伏，但同一时刻2个结的对数电流比为一定值。下图为光伏二极管结构图。图2.2光伏二极管结构图（2）全色色敏传感器：在可见光传感器的玻璃衬底的入光面上同时涂盖一层红，绿蓝三基色滤色片而成；当物体或发光体反射来的光入射到红，绿，蓝三基色滤色片的检测部分上时，测量三原色的光谱强度，根据三色强度比可识别颜色。图2.3三刺激值光电转换结构图[3]色敏光电传感器特性：（1）光谱特性：表示它能检测的波长范围，不同型号略有差别，常见的CS-1型，其波长范围是400-1000nm。（2）短路电流比-波长特性：是表征半导体色敏器件对波长的识别能力，以确定波长的基本特性。内蒙古大学本科毕业论文（设计）第5页（3）温度特性：由于光电二极管是做在同一块材料上的，具有相同的温度系数，这种内部补偿作用使色敏光电器件对温度不十分敏感，所以通常不考虑温度的影响，只要保证器件工作在正常的温度范围内即可。2.3颜色识别基本步骤利用颜色传感器（主要为色敏传感器）将光信号转换为电流转换，再进行微小电流信号预处理，再进行A/D转换，最后将数字信号交予单片机或微机处理。2.4颜色传感器分类目前，用于颜色识别的传感器有两种基本类型。其一是色标传感器，其二是RGB颜色传感器，也是本文接下来研究的重点。1）色标传感器：色标传感器常用于检测待测色标或物体上的斑点，通过与非色标区（或背景）相比较来实现色标检测，而不是对颜色进行直接测量。光源垂直于目标物体安装，而接收器与物体成锐角方向安装，让它只检测来自目标物体的散射光，从而避免传感器直接接接收反射光。此类传感器又分为两种，一类是以白炽灯为光源，以白炽灯为基础的传感器用有色光源检测颜色，这种白炽灯发射包括红外在内的各种颜色的光，因此用这种光源的传感器可在很宽范围上检测颜色的微小变化。另外，自炽灯传感器的检测电路通常都十分简单，因此可获得极快的响应速度。然而，白炽灯不允许振动和延长使用时同，因此不适用于有严重冲击和振动的场合。一类是以单色光源，使用单色光源(即绿色或红色LED)的色标传感器就其原理来说并不是检测颜色，它是通过检测色标对光束的反射或吸收量与周围材料相比的不同而实现检测的所以，颜色的识别要严格与照射在目标上的光谱成分相对应。在单色光源中．绿光LED(565mm)和LED((660mm)各有所长绿光LED比白炽灯寿命长，并且在很宽的颜色范围内比红光源灵敏度高。红光LED对有限的颜色组合有响应．但它的检测距离比绿光LED远。通常红光源传感器的检测距离是绿光源传感器的6～8倍。2）RGB颜色传感器：RGB颜色传感器对相似颜色和色调的检测可靠性较高。它是通过测量构成物体颜色的三基色的反射比率实现颜色检测的，由于这种颜色检测法精密度极高，所以RGB传感器能准确区别极其相似的颜色，甚至相同颜色的不同色调。一般RGB传感器都有红、绿、蓝三种光源，三种光通过同一透镜发射后被目标物体反射。光被反射或吸收的量值取决于物体颜色。RGB传感器有两种测量模式一种是分析红、绿、蓝光的比例因为检测距离无论怎样变化，只能引起光强的变化，而三种颜色光的比例内蒙古大学本科毕业论文（设计）第6页不会变．因此，即使在目标有机械振动的场合也可检测。第二种模式是利用红绿蓝三基色的反射光强度实现检测目的。利用这种模式可实现微小颜色判别的检测，但传感器会受目标机械位置的影响。2.5颜色传感器光源的分类[1]，非相干光源：白炽灯，发光二极管。[2]，相干光源：各种激光器。若两光源所发出的两束光波叠加能产生干涉，则这两光源称为相干光源；否则称为非相干光源。内蒙古大学本科毕业论文（设计）第7页第3章传统颜色识别系统研究目前,基于各种原理的RGB颜色传感器有两种类型,一种是标准RGB颜色传感器，检测的是三刺激值，一般是三个光电二极管贴上三基滤波片；还有一种是色差传感器，检测被测物体与标准颜色的色差，两个物体的色差判断常用双PN结色敏传感器，国产CS-1属于此类型。先以颜色检测器CS-1（其光电转换图见图2.3）识别全色光及双PN结（其光电转换图见图2）识别单色光流程为例。CS颜色传感器简介：CS系列色彩检测器是应用于自动化生产线上的色彩测量的传感器，具有测量速度快、分辨率高、不受外界光线干扰且无须任何保养的特点。可非接触监控彩色及透明的物体。主要应用于印刷品、包装标签、填充物、包装记号、商标、零件的辩识和分类。2，检测原理：颜色检测器利用特殊的三色光原理。颜色检测器将光线（红、绿、蓝）投射到被检测的物体上，利用反射光与三色光的色差计算检出的值，再与设定的三波段触发值进行比较。3.1微小电流信号预处理3.1.1单色信号预处理放大电路及其仿真比起对两路电流信号模拟滤波放大后再进行同步取样，这类处理电路大大提高了颜色识别的可靠性及精确性，专门针对双结型色敏传感器转换的电流信号。由两个对数运算电路及一个减法运算电路组成（也称精密放大器）。鉴于这种色敏传感器输出电流非常小，大概在20---50nA，用一小电压及一大电阻等效代替。（大电阻为240k,小电压分别为48mv和72mv），电流信号由对数电路直接被转为电压信号，省去了单独的I-V变换。本设计二极管采用1N4001，集成运放采用741型的OPAMP（通用放大器）。内蒙古大学本科毕业论文（设计）第8页图3.1精密放大器仿真图如图4显示，当输入电流分别为InIsd=20nA与InIsd2=30nA时，输出为0.04V，不符合A/D转换要求，有较大误差，还需进一步放大。对微弱信号的放大倍数也不能太高，以免引起振荡。图3.2加次级放大的精密放大器仿真图如图5所示，拟放大100倍，得出U0=4.033V=C（InIsd2-InIsd1）=CInIsd2/Isd1，使传感器输出电压达到0-5V，此电路放大后存在0.825%的误差。内蒙古大学本科毕业论文（设计）第9页C为比例系数。电流比与波长存在对应关系，可作为颜色的判别标准。以上电路仿真只为更深的了解颜色识别的流程，并不代表传感器内部实际电路参数。此电路常用于识别基本单色光，也可区分两种不同光谱组成的复色光。3.1.2全色信号预处理电路不同与单色信号处理电路，它的电