RGB色彩傳感器工作原理及應(yīng)用方案分析（上）

作者：時(shí)間：2017-06-08 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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  技術(shù)方案與實(shí)用技巧

盡管人眼區(qū)分色彩的能力非常強(qiáng)，但不同的人在描述同一色彩時(shí)會(huì)有所不同，這意味著在要求精確的色彩檢測(cè)和管理的應(yīng)用中，口頭描述是不夠的。更好的解決方案是使用充分校準(zhǔn)的色彩傳感設(shè)備，以數(shù)字方式描述色彩。這些設(shè)備包括昂貴的實(shí)驗(yàn)室級(jí)分光光譜儀到經(jīng)濟(jì)的RGB色彩傳感器(如安華高科技生產(chǎn)的色彩傳感器)。安華高科技擁有各種色彩傳感器，為當(dāng)前許多實(shí)際色彩傳感和測(cè)量應(yīng)用提供了實(shí)用的解決方案。本文的目標(biāo)是考察色彩感知、測(cè)量和規(guī)格、以及怎樣應(yīng)用色彩傳感器生成的數(shù)據(jù)。最后，本文討論了安華高科技的RGB色彩傳感器產(chǎn)品及其怎樣為各種色彩傳感應(yīng)用服務(wù)。

色彩的感知

在進(jìn)入電子設(shè)備怎樣傳感色彩的理論之前，有必要了解人類(lèi)是怎樣感知色彩的。色彩是光源、物體和觀察者之間交互的結(jié)果。在反射的光中，落在一個(gè)物體上的光會(huì)被反射或吸收，具體取決于表面特點(diǎn)，如反射系數(shù)和透射情況。例如，紅紙會(huì)吸收光譜中大多數(shù)帶綠色的部分和帶藍(lán)色的部分，同時(shí)反射光譜中帶紅色的部分，因此對(duì)觀察者會(huì)表現(xiàn)為紅色。在自己發(fā)光的物體中，其原理相同：光會(huì)到達(dá)人眼，然后由眼睛的接受器進(jìn)行處理，由神經(jīng)系統(tǒng)和大腦進(jìn)行解釋。

人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)可以檢測(cè)到從大約400nm(紫色)到大約700nm(紅色)的電磁光譜，可以適應(yīng)變化廣泛的照明度和大量的色彩飽和度(純粹的顏色在白色中所占的比例)。雖然桿狀細(xì)胞是能夠在廣泛的照明度上工作、并對(duì)變化提供快速響應(yīng)的光傳感器元件，但這些桿狀細(xì)胞卻無(wú)法檢測(cè)色彩。稱(chēng)為錐狀細(xì)胞的光傳感器元件提供高分辨率的色彩圖像。共有三個(gè)錐狀細(xì)胞，在不同波長(zhǎng)上實(shí)現(xiàn)峰值靈敏度，其分別是紅色(580nm)、綠色(540nm)和藍(lán)色(450nm)?？梢暪庾V內(nèi)任何波長(zhǎng)的光都將會(huì)在不同程度上刺激這三類(lèi)錐狀細(xì)胞中的一個(gè)或多個(gè)單元，我們感覺(jué)到的色彩則是我們的視覺(jué)神經(jīng)和大腦處理的信息。

很明顯，擁有正常色彩視覺(jué)的人在看到波長(zhǎng)組合相同的光時(shí)，基本上會(huì)感覺(jué)到相同的色彩。科學(xué)試驗(yàn)表明，人類(lèi)可以區(qū)分非常細(xì)微的色彩差異，估計(jì)最高可以達(dá)到1000萬(wàn)種，問(wèn)題是我們沒(méi)有足夠的詞來(lái)描述所有這些有著細(xì)微差異的色彩。

色彩測(cè)量的原理

圖1.1顯示了與使用儀器或傳感器進(jìn)行色彩測(cè)量相比，人眼檢測(cè)色彩的基本原理。傳感設(shè)備可以是高端設(shè)備，如分光光譜儀或英國(guó)國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)校準(zhǔn)的攝像機(jī)，也可以是低端設(shè)備，如RGB色彩傳感器等。

測(cè)量?jī)x器通常分為兩大類(lèi)：色度分析方法和測(cè)光方法。在使用色度分析方法時(shí)，設(shè)備使用具有三個(gè)濾波器的傳感器測(cè)量來(lái)自物體的光(圖1.1b)。正常情況下，傳感器廓線經(jīng)過(guò)優(yōu)化，因此與人眼響應(yīng)非常相似。輸出采用CIE三重刺激值表示：X, Y, Z。

測(cè)光方法(圖1c)使用各種各樣的傳感器，在大量的窄波長(zhǎng)范圍內(nèi)測(cè)量色彩。然后，儀器的微電腦通過(guò)對(duì)得到的數(shù)據(jù)求積分，計(jì)算三重刺激值。

安華高科技的色彩傳感器(圖1d)是三濾波器設(shè)備，提供了色度分析測(cè)量功能。傳感器輸出由電壓輸出VR, VG,和VB或模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后的R, G和B數(shù)字值組成。

圖1a

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201706/350926.htm

圖1b

圖1c

圖1d

色彩傳感器的工作原理

色彩傳感器分為三種不同類(lèi)型：光到光電流轉(zhuǎn)換，光到模擬電壓轉(zhuǎn)換，光到數(shù)字轉(zhuǎn)換。前者通常只代表實(shí)際色彩傳感器的輸入部分，因?yàn)樵脊怆娏鞯姆确浅５?，總是要求放大，以將光電流轉(zhuǎn)換成可用的水平。所以，最實(shí)用的模擬輸出色彩傳感器至少會(huì)有一個(gè)跨阻抗放大器，并提供電壓輸出。

光到模擬電壓色彩傳感器由色彩濾波器后面的光電二極管陣列與整合的電流到電壓轉(zhuǎn)換電路(通常是跨阻抗放大器)組成，如圖1.2所示。落在每個(gè)光電二極管上的光轉(zhuǎn)換成光電流，其幅度取決于亮度及入射光的波長(zhǎng)(由于色彩濾波器)。

圖1.2: 采用光到模擬電壓轉(zhuǎn)換的色彩傳感器

如果沒(méi)有色彩濾波器，典型的硅光電二極管會(huì)對(duì)從超紫色區(qū)域直到可視區(qū)域的波長(zhǎng)作出響應(yīng)，在光譜接近紅外線的部分，峰值響應(yīng)區(qū)域位于800nm和950nm之間。紅色、綠色和藍(lán)色透射色彩濾波器將重塑和優(yōu)化光電二極管的光譜響應(yīng)。正確設(shè)計(jì)的濾波器將對(duì)模仿人眼的濾波后的光電二極管陣列提供光譜響應(yīng)。三個(gè)光電二極管中的每個(gè)光電二極管的光電流會(huì)使用電流到電壓轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成VRout、VGout和VBout。

有兩種色彩傳感模式：反射傳感和透射傳感。

反射傳感

在反射傳感中，色彩傳感器檢測(cè)從某個(gè)表面或?qū)ο蠓瓷涞墓猓庠春蜕蕚鞲衅鞫挤旁谀繕?biāo)表面附近。來(lái)自光源(如白熾燈或熒光燈、白色LED或校準(zhǔn)后的RGB LED模塊)的光彈跳離開(kāi)表面，被色彩傳感器測(cè)得。反射離開(kāi)表面的色彩與表面的顏色有關(guān)。例如，白光入射到紅色表面上，會(huì)反射為紅色。反射的紅光撞擊色彩傳感器，產(chǎn)生R, G和B輸出電壓。通過(guò)解釋三個(gè)電壓，可以確定色彩。由于三個(gè)輸出電壓與反射光的密度線性提高，因此色彩傳感器還可以測(cè)量表面或物體的反射系數(shù)。

圖1.3: 反射的光的顏色取決于表面反射的顏色和吸收的顏色。

透射傳感

在透射工作模式下，傳感器朝向光源。色彩傳感器搭配濾波器的光電二極管陣列將入射光轉(zhuǎn)換成R, G和B光電流，然后放大并轉(zhuǎn)換成模擬電壓。由于所有三個(gè)輸出都會(huì)隨著光密度提高而線性提高，因此傳感器可以同時(shí)測(cè)量光的顏色和總密度。

可以使用透射傳感，確定透明介質(zhì)的顏色，如玻璃和透明塑料、液體和氣體。在這種應(yīng)用中，光穿過(guò)透明介質(zhì)，然后撞擊在色彩傳感器上。透明介質(zhì)的顏色取決于對(duì)色彩傳感器電壓的理解。