TCS230的MCU平臺(tái)顏色識(shí)別方法研究

周中正，王洪棟

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，徐州221116）

引 言

顏色傳感器TCS230分辨率高，具有可編程的顏色通透選擇，無需數(shù)／模轉(zhuǎn)換［1］，在科學(xué)研究領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，如智能化水域污染監(jiān)測(cè)［2］、介質(zhì)界面檢測(cè)［3］、顏色加密識(shí)別［4］、溫度測(cè)量［5］等。但由于 TCS230采集顏色信息時(shí)受環(huán)境光強(qiáng)影響較大［1］，只有在外界光強(qiáng)相對(duì)穩(wěn)定或在實(shí)驗(yàn)室條件下才能使TCS230的優(yōu)點(diǎn)得以發(fā)揮。雖然目前TCS230的顏色識(shí)別有白平衡算法來支撐，但白平衡處理并不能濾除光強(qiáng)干擾，在不易采取屏蔽措施的情況下往往難以達(dá)到識(shí)別精度的要求。另外，目前顏色識(shí)別的研究多基于PC平臺(tái)，基于處理能力相對(duì)較弱的單片機(jī)平臺(tái)的實(shí)用方案幾乎沒有。

本研究基于MCU平臺(tái)，利用RGB－YCbCr變換，可從RGB值中提取對(duì)顏色識(shí)別有用的色度信息［6－7］，為消除環(huán)境光強(qiáng)的不良影響創(chuàng)造了條件。本顏色識(shí)別方案是在大量實(shí)踐和嘗試的基礎(chǔ)上得到的，而且能夠在全國(guó)機(jī)器人大賽智能搬運(yùn)項(xiàng)目的比賽條件下滿足精度要求，為MCU平臺(tái)下的顏色識(shí)別提供了參考，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 TCS230顏色識(shí)別原理

1.1 顏色識(shí)別原理

物體顏色的感知是在白光的照耀下，物體表面反射出的有色光在人眼中所引起的反應(yīng)，未被反射的成分則被物體吸收了。根據(jù)三原色理論，不同的顏色是由三原色（紅、綠、藍(lán)）按照不同的比例混合而成的，如果能得到某種顏色所對(duì)應(yīng)的三原色的值，就能夠唯一確定該顏色。利用感光材料的感光特性，依次測(cè)得物體表面反射光中紅、綠、藍(lán)各色光的含量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)顏色的識(shí)別。

值得注意的是，只有在標(biāo)準(zhǔn)白光（RGB含量相等）照射的條件下才能客觀地反映出物體對(duì)光的反射特性，即得到物體表面的顏色信息，但現(xiàn)實(shí)測(cè)量條件下的光常為非標(biāo)準(zhǔn)白光。另外，感光材料對(duì)三種原色的敏感性不同，而且受感光原件制造精度、測(cè)量誤差和環(huán)境亮度的影響，在對(duì)同一物體表面顏色的測(cè)取過程中，往往會(huì)得到一組有一定分布特點(diǎn)的RGB點(diǎn)，難以測(cè)得該顏色的精確信息，但可據(jù)此來判別出有限的幾種顏色。

1.2 TCS230工作原理

TCS230是專用的顏色傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

TCS230內(nèi)部集成了可配置的硅光電二極管陣列和一個(gè)電流／頻率轉(zhuǎn)換器，可輸出頻率隨光強(qiáng)線性變化且占空比為50%的方波。

圖1 TCS230引腳封裝及功能框圖

用戶可通過可編程引腳S0、S1來選擇100%、20%或2%的輸出比例因子，通過引腳S2、S3來選擇所需的濾光器顏色，如表1所列。

表1 S0、S1、S2、S3引腳功能分配表

在工作時(shí)，可通過改變TCS230感光部位濾光器的顏色，依次讓三種原色的色光通過，根據(jù)其輸出頻率隨光強(qiáng)線性變化的特性，得到色光中的紅綠藍(lán)三原色信息。例如，當(dāng)選擇紅色濾光器時(shí)，紅色光能透射到感光部位，而藍(lán)綠光則不能透過，此時(shí)即可得到紅色光在此種顏色中的含量信息。但由于TCS230的感光部位對(duì)三種原色的敏感性不同，需要利用白平衡算法進(jìn)行調(diào)整，具體方法為：在實(shí)驗(yàn)室中利用標(biāo)準(zhǔn)白光（可用白色光源經(jīng)試管透射得到）照射TCS230的二極管陣列，得到TCS230的RGB頻率調(diào)整參數(shù)（可設(shè)紅色光為A），然后在比賽條件下測(cè)得TCS230的RGB頻率參數(shù)（設(shè)紅色光為a），運(yùn)用白平衡調(diào)整（R＝255·a／A），即可得到 RGB的理論值［8］。

2 基于MC9S12XS128的顏色識(shí)別方案

2.1 方案理論依據(jù)

顏色由亮度和色度來刻畫，色度是不包括亮度在內(nèi)的顏色的性質(zhì)，反映的是顏色的色調(diào)和飽和度。在比賽中要辨別物塊顏色，就需要提取色度信息，而亮度信息則屬于干擾。利用TCS230運(yùn)用白平衡算法獲取的RGB值既與色度有關(guān)，又受亮度影響。雖然在實(shí)驗(yàn)室條件下仍可完成顏色的測(cè)量，但白平衡調(diào)整并未解決亮度干擾的問題，當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)改變時(shí)RGB值也會(huì)出現(xiàn)較大變化，在比賽條件下往往達(dá)不到判別的精度。

本顏色識(shí)別方案利用色度學(xué)RGB原理，運(yùn)用RGBYCbCr變換，將RGB模式轉(zhuǎn)換為YCbCr模式。YCbCr模式是刻畫顏色性質(zhì)的一種模式，其中Y代表亮度，Cb和Cr則代表色調(diào)、飽和度。常見的JPEG圖片格式采用的就是YCbCr色彩系統(tǒng)。RGB－YCbCr變換公式為：

2.2 方案設(shè)計(jì)

本方案以色度信息Cb、Cr為主要判據(jù)，解決了利用RGB參數(shù)判別顏色受亮度干擾的問題，對(duì)不易區(qū)分的顏色以RGB值為輔助判據(jù)來進(jìn)一步判別。

顏色識(shí)別流程如圖2所示。首先拉低使能引腳開啟TCS230，控制引腳S2、S3依次選通紅綠藍(lán)三種濾光器，利用MC9S12XS128的定時(shí)器和脈沖累加器來獲取TCS230在三種色光下的輸出頻率，即可得到原始的RGB頻率信息，利用白平衡調(diào)整，得到RGB的理論值。由RGB－YCb－Cr變換公式（1）求出Cb、Cr值，這樣就濾除了亮度干擾，獲取了物塊的色度信息，然后根據(jù)各顏色對(duì)應(yīng)的CbCr分布圖（如圖3所示），即可實(shí)現(xiàn)物塊顏色的判別。其中，CbCr分布圖的構(gòu)建方法（顏色分布的平面分割方法）為：經(jīng)多次預(yù)測(cè)量（即比賽前測(cè)量）得到一系列關(guān)于Cb、Cr的散點(diǎn)，以Cb為x軸、以Cr為y軸作平面圖，根據(jù)散點(diǎn)的分布來分割各顏色物塊對(duì)應(yīng)的區(qū)域，要盡可能給各色塊以足夠的裕量。如果在CbCr分布圖中出現(xiàn)了不同顏色有重疊區(qū)的情況，就需要進(jìn)行RGB輔助判斷，即根據(jù)獲取的RGB值中容易區(qū)分重疊顏色的一個(gè)或多個(gè)值（如根據(jù)R值或根據(jù)R、G值）來進(jìn)一步輔助判斷。

3 智能搬運(yùn)小車平臺(tái)

圖2 顏色識(shí)別流程圖

圖3 各顏色物塊CbCr分布及分割示意圖

3.1 智能搬運(yùn)項(xiàng)目規(guī)則簡(jiǎn)述

智能搬運(yùn)項(xiàng)目的比賽場(chǎng)地如圖4所示。比賽時(shí)，參賽選手在置有黃、白、紅、黑、藍(lán) 5種顏色物塊的袋子中隨機(jī)依次抽取三個(gè)物塊，并按抽取順序，將三個(gè)物塊擺放至拾起區(qū)（圖4中黃、紅、藍(lán)顏色區(qū)與中部交叉點(diǎn)之間的白色區(qū)域）。分揀搬運(yùn)小車從出發(fā)區(qū)（圖4下方綠色矩形區(qū)域）出發(fā)，沿黑線循跡至拾起區(qū)拾取物塊，并根據(jù)物塊顏色將其送至對(duì)應(yīng)顏色區(qū)，最后回到出發(fā)區(qū)。比賽成績(jī)由小車送物塊至對(duì)應(yīng)顏色區(qū)的精確度（圖4黃、白、紅、黑、藍(lán)各顏色區(qū)靶心10環(huán)為10分，隨環(huán)數(shù)減小分?jǐn)?shù)依次降低）和回到出發(fā)區(qū)的時(shí)間綜合決定。

圖4 智能搬運(yùn)比賽場(chǎng)地

3.2 智能搬運(yùn)小車設(shè)計(jì)方案

智能搬運(yùn)小車的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。硬件部分主要由MPU、傳感器模塊和動(dòng)作模塊構(gòu)成。MPU采用Freescale公司16位MC9S12XS128芯片，它包含8個(gè)8位PWM通道且相鄰兩通道可合并為一個(gè)16位通道，可高精度控制舵機(jī)動(dòng)作；還包含8通道的16位標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器TIM及1個(gè)16位的脈沖累加器［9］，可方便地測(cè)出TCS230在紅綠藍(lán)色光下的輸出頻率。傳感器模塊包括用于循跡的光電對(duì)管TK－20、用于探測(cè)物塊的測(cè)距傳感器GP2Y0A02YK0F和用于采集物塊顏色RGB信息的顏色傳感器TCS230。動(dòng)作模塊主要由小車輪子的驅(qū)動(dòng)舵機(jī)S4309R和用于抓取物塊的驅(qū)動(dòng)舵機(jī)SR－403P構(gòu)成。軟件的關(guān)鍵部分包括：用于循跡糾正控制的定時(shí)器中斷、用于判別物塊顏色的顏色識(shí)別和用于產(chǎn)生舵機(jī)控制信號(hào)的雙通道合并PWM產(chǎn)生。

圖5 智能搬運(yùn)小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 顏色識(shí)別結(jié)果分析

利用上文設(shè)計(jì)的智能搬運(yùn)小車檢驗(yàn)該顏色識(shí)別算法，得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所列。

表2 智能搬運(yùn)小車分揀各色塊實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)表

該統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，本顏色識(shí)別方案在比賽環(huán)境條件下的顏色識(shí)別成功率達(dá)91.4%以上，可以滿足比賽精度的要求，表明本顏色識(shí)別方案能夠在單片機(jī)平臺(tái)中有效地實(shí)現(xiàn)顏色的識(shí)別。

結(jié) 語(yǔ)

① 將RGB－YCbCr變換應(yīng)用于TCS230的顏色識(shí)別是解決TCS230受外界光強(qiáng)干擾問題的有效途徑，是對(duì)現(xiàn)行TCS230白平衡算法的良好補(bǔ)充。

② 對(duì)不同物體顏色按CbCr參數(shù)的分布情況進(jìn)行平面分割，并用RGB值輔助判斷的方法是區(qū)分物體顏色的一種實(shí)用方法，適用于單片機(jī)顏色判別系統(tǒng)。

［1］張松燦，肖本賢.高分辨率顏色傳感器TCS230的原理和應(yīng)用［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2005（3）.

［2］侯昭武，包敬海，李尚平，等.基于TCS230智能化輪船污染監(jiān)測(cè)儀的研究［J］.自動(dòng)化與儀表，2010（3）.

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［6］Saarinen K.Comparison of decimation and interpolation methods in case of multiple repeated RGB－YCbCr colour image format conversions［C］.USA：Circuits and Systems，1994.

［7］江鳳兵.基于RGB－H－CbCr新顏色空間的膚色檢測(cè)算法研究［J］.科技廣場(chǎng)，2011（9）.

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［9］王宜懷，曹金華.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)：基于飛思卡爾S12X微控制器［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011：207－248.

［10］TAOS Inc.Texas Advanced Optoelectronic Solutions TCS230 Datasheet.2007.