顏色傳感器在人民幣紙幣識(shí)別系統(tǒng)中的應(yīng)用

董 靜，王立峰

（北方工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及自動(dòng)化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100144）

人民幣紙幣面值識(shí)別是點(diǎn)鈔機(jī)的基本功能之一。紙幣面值識(shí)別的方法有多種，其中，紙幣寬度與安全線磁特征相結(jié)合的識(shí)別方法[1]應(yīng)用較為普遍。另外，還有在點(diǎn)鈔機(jī)系統(tǒng)中引入長(zhǎng)度檢測(cè)的方法[2]，它將檢測(cè)出的長(zhǎng)度信號(hào)作為判別紙幣面值的一個(gè)依據(jù)。之后又出現(xiàn)了以圖像處理技術(shù)為核心的面值識(shí)別方法[3]，該方法通過(guò)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，以紙幣的長(zhǎng)寬特征識(shí)別紙幣的面值。

本文設(shè)計(jì)的點(diǎn)鈔機(jī)紙幣識(shí)別系統(tǒng)根據(jù)紙幣寬度與安全線磁特征識(shí)別紙幣面值的同時(shí)，根據(jù)紙幣的顏色特征辨別紙幣面值，兩種方法相輔相成，具有較高的識(shí)別精度。系統(tǒng)中用于對(duì)紙幣進(jìn)行顏色檢測(cè)的傳感器是TAOS公司生產(chǎn)的一種可編程彩色光到頻率的集成電路[4]。本文介紹的顏色識(shí)別系統(tǒng)以MCU為核心，采用兩塊相同的顏色傳感器采集紙幣特定區(qū)域的顏色，MCU通過(guò)提取紙幣的顏色特征判斷出紙幣的面值。該方法簡(jiǎn)單可行，具有良好的穩(wěn)定性和較高的精度。

1 總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的點(diǎn)鈔機(jī)紙幣識(shí)別系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，外圍電路包括電源電路、信號(hào)采集電路、按鍵與顯示電路、上位機(jī)通信電路等。點(diǎn)鈔機(jī)的控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。單片機(jī)掃描入鈔傳感器，當(dāng)入鈔口有紙幣放置時(shí)啟動(dòng)電機(jī)。紙幣經(jīng)電機(jī)傳動(dòng)到達(dá)檢測(cè)區(qū)后，單片機(jī)開(kāi)始進(jìn)行信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理，經(jīng)邏輯運(yùn)算判斷出紙幣的面值和真?zhèn)巍０存I選擇用戶功能模式，液晶屏顯示當(dāng)前的金額和張數(shù)。當(dāng)紙幣識(shí)別異常時(shí)蜂鳴器報(bào)警，液晶屏顯示故障代碼。

點(diǎn)鈔機(jī)的人民幣面值識(shí)別是人民幣鑒偽的基礎(chǔ)，本系統(tǒng)中將兩種面值識(shí)別的方法進(jìn)行結(jié)合。一方面，在檢測(cè)紙幣寬度的基礎(chǔ)上，通過(guò)提取安全線磁性信號(hào)的特征，識(shí)別出紙幣的面值；另一方面，通過(guò)采集紙幣的票面顏色，提取出紙幣顏色特征，進(jìn)而識(shí)別出紙幣的面值。當(dāng)兩種方法檢測(cè)出的紙幣面值不同時(shí)，發(fā)出異常警報(bào)；當(dāng)通過(guò)寬度和安全線磁特征無(wú)法辨別紙幣面值時(shí)，紙幣顏色特征成為判別紙幣面值的依據(jù)，反之亦然。

圖1 點(diǎn)鈔機(jī)控制系統(tǒng)框圖

紙幣顏色識(shí)別系統(tǒng)包括光源、信號(hào)采集和核心處理3個(gè)部分。系統(tǒng)由硬件和軟件相結(jié)合，共同完成信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)面值識(shí)別的功能。由于紙幣正面人像位置和反面風(fēng)景位置的顏色特征比較明顯，分別用兩個(gè)顏色傳感器檢測(cè)紙幣兩端（正面水印位置和人像位置或反面水印位置和風(fēng)景位置）的顏色，以保證無(wú)論在紙幣的何種放置情況下，都有一個(gè)傳感器能采集到顏色特征明顯的顏色信息。顏色識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 顏色識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

白光LED平行光源照射在被測(cè)紙幣上，反射的光線由顏色傳感器接收，傳感器將接收到的光譜轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，并送入單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)將采集到的RGB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到HSV色彩空間，根據(jù)人民幣紙幣的顏色特征判斷出紙幣的面值。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 TCS230顏色傳感器

TCS230顏色傳感器把可配置的硅光二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)單一的CMOS電路上，芯片上集成了紅、綠、藍(lán)（RGB）3種濾光器，其上有一個(gè)數(shù)字兼容接口。TCS230的輸出信號(hào)是數(shù)字量，可以直接驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的TTL或COMS邏輯輸入，特別是能夠直接與微處理器相連，實(shí)現(xiàn)每個(gè)彩色信道10位以上的轉(zhuǎn)換精度[4]。由三基色理論可知，不同顏色是由不同比例的紅、綠、藍(lán)三基色混合而成的。當(dāng)入射光投射到TCS230上時(shí)，選通紅、綠、藍(lán)3種濾光器中的一種；光線通過(guò)透光部分的光電二極管陣列形成電流，經(jīng)過(guò)電流-頻率轉(zhuǎn)換器輸出不同頻率的方波，方波的頻率與顏色和光強(qiáng)對(duì)應(yīng)。分別選通紅、綠、藍(lán) 3種濾光器，得到被測(cè)顏色中紅、綠、藍(lán) 3基色的組成比例，進(jìn)而判斷出被測(cè)顏色。

2.2 顏色識(shí)別系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

STM32是以高性能 32位處理器（Cortex-M3）為核心的微控制器，具有豐富的外設(shè)和穩(wěn)定的性能。本系統(tǒng)采用STM32F103RBT6單片機(jī)為主芯片，使系統(tǒng)具有良好的功能擴(kuò)展性[5]。

顏色識(shí)別系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。兩片TCS230顏色傳感器由單片機(jī)的5個(gè)IO口PA0～PA4共同控制。PA2口與兩片 TCS230的頻率輸出使能引腳（OE）相連，控制輸出的狀態(tài)。PA0口和PA1口控制選擇不同的輸出比例因子，對(duì)輸出頻率范圍進(jìn)行調(diào)整。兩片TCS230的頻率輸出引腳分別與單片機(jī)TIM4的1通道和2通道相連，用于對(duì)輸出的頻率信號(hào)計(jì)數(shù)。

圖3 顏色識(shí)別系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計(jì)與顏色算法

3.1 白平衡

在系統(tǒng)進(jìn)行顏色檢測(cè)前，必須要對(duì)TCS230進(jìn)行白平衡調(diào)整。本系統(tǒng)調(diào)整白平衡的方法為：首先配置單片機(jī)的TIM1和TIM4分別為定時(shí)器和計(jì)數(shù)器；單片機(jī)依次選通TCS230的紅、綠、藍(lán)3個(gè)濾光器；選通紅色濾光器，TIM4的通道1打開(kāi)，對(duì)TCS230的輸出頻率計(jì)數(shù)，同時(shí)TIM1打開(kāi)，進(jìn)行計(jì)時(shí)。當(dāng)TIM4的計(jì)數(shù)值達(dá)到某一固定數(shù)值（如200）時(shí)，切換濾光通道，依次選通綠色濾光器、藍(lán)色濾光器。經(jīng)過(guò)3次測(cè)量，得到3個(gè)定時(shí)器值，這3個(gè)定時(shí)器值就是實(shí)際測(cè)量時(shí)的時(shí)間基準(zhǔn)[6]。用同樣的方法完成對(duì)另一片TCS230的白平衡調(diào)整。

3.2 數(shù)據(jù)采集

對(duì)紙幣進(jìn)行顏色測(cè)量時(shí)，TIM1為定時(shí)器輸出比較模式，TIM4為計(jì)數(shù)器。單片機(jī)通過(guò)控制S2、S3端口的不同組合，依次選通TCS230的紅、綠、藍(lán)濾光器。當(dāng)選通某種濾光器后，啟動(dòng)TIM1定時(shí)，定時(shí)時(shí)間為該濾光器所對(duì)應(yīng)的白平衡時(shí)間基準(zhǔn)值，同時(shí)TIM4開(kāi)始計(jì)數(shù)，獲得紙幣顏色的單基色頻率值。經(jīng)過(guò)3次不同時(shí)間的測(cè)量，最終得到紙幣顏色的三基色頻率值。另一片TCS230的顏色檢測(cè)過(guò)程與上述過(guò)程相同。數(shù)據(jù)采集具體的程序流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程圖

3.3 顏色算法

通過(guò)數(shù)據(jù)采集，獲得了被測(cè)紙幣顏色的RGB值，但是從RGB值無(wú)法直接判斷出紙幣的顏色，需要轉(zhuǎn)換到HSV（Hue，Saturation，Value）色彩空間[7]。 HSV 色彩 空間一方面消除了亮度在圖像中與顏色信息的聯(lián)系；另一方面色調(diào)和飽和度與人的視覺(jué)特性比較接近，便于分析和理解。HSV色彩空間可以用一個(gè)圓錐空間模型來(lái)描述，如圖5所示。色調(diào)（H）用角度來(lái)標(biāo)定，徑向方向上飽和度（S）的深淺用離開(kāi)中心線的距離表示，亮度（V）用垂直軸表示。 色調(diào)用-180°～180°或 0°～360°度量； 飽和度用百分比0%～100%度量；亮度也用百分比 0%（黑）～100%（白）度量。由于色調(diào)是以圓周上的角度度量的，因此由色調(diào)和飽和度分量可以構(gòu)造一個(gè)顏色輪。在顏色輪上，紅、綠、藍(lán)分別間隔120°，它們的混合色為黃、青、品紅。

圖5 HSV色彩空間模型

從RGB到HSV色彩空間的轉(zhuǎn)換如下[7]：

其中，f為白平衡時(shí)的脈沖計(jì)數(shù)值；R、G、B∈[0，255]，S∈[0，1]，V∈[0，1]。

3.4 顏色特征提取

要根據(jù)紙幣顏色判斷出紙幣面值，首先必須提取紙幣的顏色特征，讓紙幣的面值與顏色對(duì)應(yīng)起來(lái)。第五版人民幣有 6種面值，分別為：100元、50元、20元、10元、5元和1元。這里只對(duì)100元、50元、20元和10元4種大面值紙幣進(jìn)行識(shí)別?？紤]到樣本容量的合理性，每種面值各選取使用程度不同的60張紙幣，在每張待測(cè)紙幣的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)選10個(gè)不同的隨機(jī)位置點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。這樣每種面值紙幣在每個(gè)檢測(cè)區(qū)域均得到600組RGB數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)HSV色彩空間轉(zhuǎn)換，再將得到的 600組HSV數(shù)據(jù)取平均，得到的各面值紙幣的HSV數(shù)據(jù)如表1所示。為了方便表示，表中的飽和度和亮度都擴(kuò)大了100倍，并省略了色調(diào)H的單位。

表1 各面值紙幣的HSV數(shù)據(jù)

雖然表1中的數(shù)據(jù)依賴實(shí)驗(yàn)樣本，但仍包含紙幣顏色的一般特征：

（1）水印位置和反面水印位置的亮度比人像位置和風(fēng)景位置的亮度高；

（2）各面值紙幣的人像位置和風(fēng)景位置的色調(diào)有明顯的差異。

這些數(shù)據(jù)特征的物理意義如下：

（1）水印位置和反面水印位置顏色較淺，而人像位置和風(fēng)景位置的顏色較深；

（2）各面值紙幣的色調(diào)分別為紅、綠、紅黃、藍(lán)，其中100元的紅色與20元的紅黃色調(diào)較為相近。

將人像位置和風(fēng)景位置的色調(diào)值取平均，得到紙幣各面值的色調(diào)特征值，如表2所示。

表2 各面值的色調(diào)特征值

3.5 面值識(shí)別

實(shí)際檢測(cè)時(shí)，兩個(gè)TCS230輸出的若干組RGB數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò) HSV 轉(zhuǎn)換，再分別取平均值，得到（h1，s1，v1）、（h2，s2，v2）兩組HSV顏色數(shù)據(jù)。兩組數(shù)據(jù)中亮度V較小的一組為人像位置或反面風(fēng)景位置的顏色數(shù)據(jù)，將該組數(shù)據(jù)中的色調(diào)H與各面值的色調(diào)特征值進(jìn)行比較，找到絕對(duì)誤差最小的色調(diào)特征值，其對(duì)應(yīng)的面值即為該被測(cè)紙幣的面值。 例如，兩組 HSV 數(shù)據(jù)（120，15，60）、（49，9，88），將第一組數(shù)據(jù)（V值較小的）中的色調(diào) H值與表 2中的色調(diào)特征值逐一進(jìn)行比較，h1與50元的色調(diào)特征值的絕對(duì)誤差最小，可以判定這張被測(cè)紙幣面值為50元。

本文論述了TCS230顏色傳感器在點(diǎn)鈔機(jī)紙幣識(shí)別系統(tǒng)中的應(yīng)用。在搭建的硬件采集平臺(tái)上，利用軟件實(shí)現(xiàn)了顏色的采集、色彩空間的轉(zhuǎn)換、紙幣顏色特征的提取以及面值的識(shí)別。在點(diǎn)鈔機(jī)的紙幣識(shí)別系統(tǒng)中，采用寬度和安全線磁特征以及顏色特征相結(jié)合的方法判別紙幣面值，增加了紙幣面值識(shí)別的準(zhǔn)確度。本文設(shè)計(jì)的紙幣面值識(shí)別系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、精度較高的特點(diǎn)，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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