智能颜色识别系统文献综述

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分 类 号   TN701       

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文献综述

智能颜色识别系统的认识

院（系）名称	信息工程学院
专业名称	电子信息工程
学生姓名	杜方周
指导教师	何红丽

2016年3月5日

智能颜色识别系统的认识

摘    要

随着科技的发展，现代工业生产向高速化、自动化方向不断进步，色彩识别技术已经广泛应用于各种工业检测和自动控制领域，生产过程中长期以来由人眼起主导作用的颜色识别工作将越来越多地被相应的颜色传感器所替代。如：各种物体表面颜色识别、产品包装色标检测、产品外表特征颜色的检测、液体溶液颜色变化过程的检测与控制等等。本文首先阐述了颜色检测的三种方法，分析了它们的优缺点。其次，介绍一下颜色识别系统的工作原理，其中包括关于TCS230芯片的介绍以及TCS230识别颜色的原理。最后是关于颜色识别系统的硬件结构。

关键词：TCS3200，颜色传感器，颜色识别系统

1 概述

颜色信息是人类生活中不可缺少的一部分，随着现代工业生产向高速化、自动化方向的发展，颜色传感器将逐渐代替人眼来识别各种颜色，通过颜色识别系统的设计，融合电路、电子技术、传感器技术等课程知识，使我更好的掌握所学知识，本系统可用于任何需要颜色识别的场合。有一定的使用价值。

颜色传感器也叫色彩识别传感器。标准的颜色测量方法是采用光谱光度测色仪，通过测量样品的三刺激值，从而得到样品的颜色。目前，基于各种原理的颜色识别传感器有两种基本类型：其一是RGB(红绿蓝) 颜色传感器，检测的是三刺激值；其二是色差传感器，检测被测物体与标准颜色的色差[1]。这类装置许多是漫反射型、光束型和光纤型的，封装在各种金属和聚碳酸酯外壳中。

2 颜色检测的主要方法

颜色检测主要有三种方法：目视法，光电积分法，分光光度法。

方法一：目视法。是一种最传统的颜色测量方法。具体做法是由标准色度观察者在特定的照明条件下对产品进行目测鉴别，并与CIE(国际照明委员会)标准色度图比较，得出颜色参数[2]。特点：目视法不能准确识别微细的色彩差异，常出现色彩判断失误；目视方法测色带有一定的主观色彩；测量结果精度不高、测量效率低。

方法二：光电积分法。模拟人眼的三刺激值特性，用光电积分效应，直接测得颜色的三刺激值。特点：光电积分式仪器能准确测出两个色源之间的色差，但不能精确测出色源的三刺激值和色品坐标。

方法三：分光光度法。通过TCS230测量光源的光谱功率分布或物体反射光的光谱功率，根据这些光谱测量数据通过计算的方法求得物体在各种标准光源和标准照明体下的三刺激值，进而由此计算出各种颜色参数[3]。特点：分光光度测色仪不仅能精确测量色差，还能测量色源的三刺激值和色品坐标，应用非常广泛。

3 TCS230芯片简介

TCS230是TAOS公司推出的可编程彩色光到频率的转换器，它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在单一芯片上集成了红绿蓝(RGB)三种滤光器，是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器，TCS230的输出信号是数字量，可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入，因此可直接与微处理器或其他逻辑电路相连接[4]。由于输出的是数字量，并且能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度，因而不再需要A/D转换电路，使电路变得更简单，当入射光投射到TCS230上时，通过光电二极管控制引脚S2、S3的不同组合，可以选择不同的滤波器；经过电流到频率转换器后输出不同频率的方波（占空比是50％），不同的颜色和光强对应不同频率的方波；还可以通过输出定标控制引脚S0、S1，选择不同的输出比例因子，对输出频率范围进行调整，以适应不同的需求[5]。TCS230芯片各个引脚的功能如图1所示。

图1 TCS230引脚图

表1 输出频率分频选择

S0	S1	输出频率分频比例
L	L	掉电
L	H	2%
H	L	20%
H	H	100%

TCS230的S0、S1用于选择输出比例因子或电源关断模式；S2、S3用于选择滤波器的类型；OE反是频率输出使能引脚，可以控制输出的状态，当有多个芯片引脚共用微处理器的输出引脚时，也可以作为片选信号，OUT是频率输出引脚，GND是芯片的接地引脚，VCC为芯片提供工作电压[6]。TCS230颜色传感器使用时相关控制引脚的一些组合选项如表1和表2所示。

表2 滤光颜色选择

S2	S3	光电二极管类型
L	L	红色
L	H	蓝色
H	L	消除（无滤光）
H	H	绿色

三原色的感应原理。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[7]。如果知道构成各种颜色的三原色的值，就能够知道所测试物体的颜色。对于TCS230来说，当选定一个颜色滤波器时，它只允许某种特定的原色通过，阻止其他原色的通过。例如：当选择红色滤波器时，入射光中只有红色可以通过，蓝色和绿色都被阻止，这样就可以得到红色光的光强；同理，选择其他的滤波器，就可以得到蓝色光和绿色光的光强。通过这三个值，就可以分析投射到TCS230传感器上的光的颜色[8]。从理论上讲，白色是由等量的红色、绿色和蓝色混合而成的；但实际上，白色中的三原色并不完全相等，并且对于TCS230的光传感器来说，它对这三种基本色的敏感性是不相同的，导致TCS230的RGB输出并不相等，因此在测试前必须进行白平衡调整[9]。

4 颜色识别技术分析

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。一般颜色识别系统包括三部分如图2所示。

图2 整体方案框图

物体颜色信息十分广泛,颜色的确定需要色调、明度和饱和度三大要素或三原色(红绿蓝)的刺激值。影响颜色检测准确度的参数主要有：照射光、物体反射、光源方位、观测方位和传感器性能等,任何一个参数发生变化都会导致观察到的颜色发生变化。颜色在检测的过程中，会受到多种因素的影响，比如：光源、物体、角度、传感器性能等，这些参数中有一个发生变化，都会使颜色发生变化。而这些影响因素中，被测物体表面特性是其中的一个重要的因素，因为物体表面的特性（材质、粗糙度）不同，它们的光谱反射因数也会不同。光源照射到被测物体表面有一定的距离，距离的远近决定着被反射到传感器的感光芯片上光线的多少，所以传感器与被测物体之间的距离直接影响着颜色信号的输出，而距离的远近决定着被测物体的颜色。

结论

前期的资料翻阅和对颜色识别系统原理的掌握让我对整体系统有了新的认识，本文通过翻阅大量现有的期刊文章和相关论文，从TCS230的结构特点和应用领域出发，简要叙述了颜色识别系统基本原理和实现方案。通过分析颜色系统可能存在的干扰因素并作出合理应对方案。让我为后期的毕业设计具体实现的可能性有了一定的把握，包过颜色识别系统在今后的实际应用前景有了更深刻的了解。在此过程中，查阅了大量的文献资料，丰富了自己的理论知识，对于自己的论文设计有着很好的推进作用。

参考文献

[1]  卢川英,,孙敬辉,孟中.基于TCS230传感器的颜色检测系统[J].吉林大学学报(信息科学版), 2008(06),20-23.

[2]  季峰,陈炳若,王嵩.基于单片机的颜色识别系统[J].测控技术, 2004(04),23-35.

[3]  姜丽军,李天涯,彭波.基于OPB780颜色传感器的颜色测量系统的设计[J].装备制造技术, 2010(06),53-67.

[4]  潘海鸿,陈琳,黄炳琼,蒙健义.基于TCS230传感器的高精度颜色识别系统设计[J].微计算机信息, 2009(16),23-46.

[5]  柯洪娣.基于颜色识别的智能电动车电控系统设计[J].吉林工商学院学报,  2009(05),33-41.

[6]  潘海鸿,陈琳,段素强,梁成业,杨微.新型颜色传感器TCS230应用于CRRT机漏血检测的可行性研究[J].中国医学物理学杂志, 2008(05),31-45.

[7]  刘增辉.颜色传感器技术研究进展[J].传感器技术, 2003,22-33.

[8]  庞小兵,黄东胜,邹富顺.在线式光纤传感颜色识别系统的设计[D].自动化仪表, 2010(9),15-24.

[9]  郑喜凤,黄娉,刘贵华.三基色亮度计的设计和应用[J].微计算机信息, 2009,23-35.

[10]  刘双喜,丁筱玲.基于TCS230的便携式数字化调色仪的系统设计[J].电子元器件应用, 2007,17-23.

[11]  可荣硕,马晓军,张思博.基于RGB色彩空间的颜色识别系统设计[J].微计算机信息, 2010,23-45.

[12]  Texas Advanced Optoelectronic Solutions Inc [J].TCS230programmable color light to frequency converter.2010,11-21.

[13]  MAZET.Integral True ColorSensor-TO39 Data[D].2005,15-21.