基于FPGA的顏色識(shí)別觸摸屏系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃智輝++李榕

摘 要： 為了提高顏色識(shí)別系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性以及設(shè)計(jì)靈活性，基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用于靜態(tài)圖片的顏色識(shí)別系統(tǒng)，并設(shè)定了觸摸屏功能。通過觸摸讀取屏幕坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的RGB顏色值，減少了環(huán)境變化對(duì)系統(tǒng)的影響，利用閾值判定法實(shí)現(xiàn)顏色識(shí)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定而且實(shí)用性強(qiáng)，系統(tǒng)可以識(shí)別任意800×480像素bmp圖像的顏色，并具有較好的魯棒性。

關(guān)鍵詞： 顏色識(shí)別； 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列； 觸摸屏； 閾值判定法

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）10?0061?04

顏色識(shí)別是一種新興的檢測(cè)技術(shù)，它是在自動(dòng)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)后才被提出的，也是自動(dòng)控制理論的簡(jiǎn)單應(yīng)用，并得到了大力的發(fā)展。雖然提出時(shí)間較晚，但在實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)以及自動(dòng)控制方面有著重要的意義。隨著科技的進(jìn)步，處理器的速度有了飛躍性的發(fā)展，這也同時(shí)提高了這個(gè)系統(tǒng)的效率。物體顏色的識(shí)別，傳統(tǒng)方法是測(cè)出物體的三刺激值（RGB）坐標(biāo)，通過查詢CIE（國(guó)際照明委員會(huì)）1931標(biāo)準(zhǔn)色度圖來確定顏色[1]。顏色是一個(gè)模糊的概念，采用量化和傳統(tǒng)的傳感器是不夠的[2]。

在信息化與科技日益發(fā)達(dá)的當(dāng)今社會(huì)，顏色識(shí)別正向智能化的方向發(fā)展，顏色識(shí)別作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的一項(xiàng)重要功能，是當(dāng)今數(shù)字圖像處理的研究熱點(diǎn)之一，具有重大的研究意義。在目前的實(shí)現(xiàn)方式中，有在PC上用軟件[3]實(shí)現(xiàn)，但便攜性差。而單片機(jī)的設(shè)計(jì)雖然滿足功耗以及便攜性等因素[4]，但其可升級(jí)性，設(shè)計(jì)的靈活性以及處理速度卻不及現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）。而在FPGA上有基于軟核的實(shí)現(xiàn)方式[5]，但相對(duì)于硬件方式，軟核在速度上收到很大限制，但是相對(duì)于硬件實(shí)現(xiàn)方式，軟核在速度上收到很大的限制。

在算法方面，很多研究都是利用顏色傳感器TCS230[6?8]進(jìn)行顏色識(shí)別，在RGB色彩空間下[9]或者是在HSV[10]色彩空間下對(duì)顏色分量進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過單片機(jī)等處理器進(jìn)行白平衡等算法處理。有以下不足：計(jì)算量太大，實(shí)時(shí)性效果不好，以及環(huán)境變化對(duì)檢測(cè)效果影響大，同時(shí)在算法方面的計(jì)算都是在單片機(jī)，F(xiàn)PGA的軟核實(shí)現(xiàn)。針對(duì)這種情況。本文提出使用FPGA硬件加上觸摸屏兩大硬件相結(jié)合的方式，在RGB色彩空間下，采用設(shè)定閾值識(shí)別顏色的方法。這種算法既簡(jiǎn)單又能減少環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響，而且精度高，能識(shí)別多種顏色，滿足生活要求，十分實(shí)用。

1 顏色識(shí)別系統(tǒng)

顏色識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)的顏色識(shí)別主要是基于先檢測(cè)后識(shí)別的方法，通過對(duì)觸摸屏中觸摸的像素點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)分析，根據(jù)觸摸的坐標(biāo)點(diǎn)與顯示的像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)檢測(cè)出對(duì)應(yīng)點(diǎn)，提取像素信息進(jìn)行顏色識(shí)別。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)款圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括2個(gè)功能：

（1） 圖像的讀取與顯示；

（2） 對(duì)于圖像及觸摸屏進(jìn)行算法處理，觸摸屏坐標(biāo)數(shù)/模轉(zhuǎn)化，觸摸屏坐標(biāo)對(duì)應(yīng)顏色坐標(biāo)，圖像采集，緩存，算法處理，顯示模塊。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.2 圖像讀取與顯示

為了適應(yīng)觸摸屏顯示的圖像大小，系統(tǒng)采用像素大小為800×480的bmp格式圖像，通過接口傳輸數(shù)據(jù)，把圖像讀入DE2開發(fā)板的FLASH中。

圖像的顯示采用的是LCD顯示，顯示器采用的是altera公司出產(chǎn)的TRDB_LTM4.8寸液晶顯示觸摸屏，通過GPIO接口與FPGA相連，LCD控制器模塊主要是用來產(chǎn)生VGA顯示需要的時(shí)序以及根據(jù)行和場(chǎng)計(jì)數(shù)而產(chǎn)生的顏色坐標(biāo)。

1.3 觸摸屏

作為系統(tǒng)的核心部分，LTM控制器模塊主要是用來產(chǎn)生人觸摸到觸摸屏產(chǎn)生的坐標(biāo)，由模擬信號(hào)經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生觸摸屏坐標(biāo)，再經(jīng)過公式換算成與顯示坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)的顏色坐標(biāo)。這樣，在觸摸屏上觸碰的點(diǎn)就是要識(shí)別顏色的對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)。

1.4 圖像的緩存

本文系統(tǒng)的圖像是24位RGB格式，R，G，B各8 b，為了高效地利用SDRAM，采用4端口的SDRAM，SDRAM的使用如圖2所示。

圖2 SDRAM圖像緩存

在本文系統(tǒng)中，SDRAM緩存3幅圖像。由于不同平臺(tái)的SDRAM的容量不一樣，為了在有限資源下完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在這里做簡(jiǎn)化處理。圖像寫入時(shí)BANK1低8位為Green，高8位為Red，BANK2低8位為Blue，高8位補(bǔ)0。

2 顏色識(shí)別原理及實(shí)現(xiàn)

顏色識(shí)別原理框圖如圖3所示。

圖3 顏色識(shí)別原理框圖

2.1 觸摸屏坐標(biāo)

LTM配備了ADI公司的AD7843觸摸屏數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片。 AD7843是一個(gè)12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行數(shù)字化的x和施加到觸摸屏上的觸摸點(diǎn)y坐標(biāo)。存儲(chǔ)在AD7843觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)可通過串行端口接口而獲得。為了獲得來自ADC的坐標(biāo)，用戶需要做的第一件事就是監(jiān)視來自ADC輸出的中斷信號(hào)ADC_PENIRQ_n。通過連接一個(gè)上拉電阻，在ADC_PENIRQ_n輸出保持高電平正常。當(dāng)連接到ADC的觸摸屏是通過筆或手指觸摸時(shí)，ADC_PENIRQ_n輸出變?yōu)榈碗娖?，啟?dòng)一個(gè)中斷給FPGA，然后可以指示一個(gè)控制字通過串行端口接口被寫入到ADC。經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，轉(zhuǎn)換成觸摸屏坐標(biāo)，如圖4所示，觸碰的范圍由熒幕左下角開始，畫面分割為往上為x軸，可由12個(gè)2進(jìn)制數(shù)（3個(gè)16進(jìn)制數(shù)）表現(xiàn)其位置。往右為t軸，可由12個(gè)2進(jìn)制數(shù)（3個(gè)16進(jìn)制數(shù)）表現(xiàn)其位置。結(jié)合x軸與y軸的數(shù)字構(gòu)成觸碰熒屏系統(tǒng)。

圖4 觸摸屏坐標(biāo)

2.2 顏色邏輯坐標(biāo)

由于LCD讀取圖像數(shù)據(jù)顯示是從左上到右下的順序讀入，觸摸屏坐標(biāo)不符合邏輯要求，所以，為了方便把觸摸的坐標(biāo)對(duì)應(yīng)上顯示的坐標(biāo)800×480的要求，對(duì)X，Y分別運(yùn)用轉(zhuǎn)換公式：

oX_COORD≤（（my_coordinate/5）-20）；

oY_COORD≤（（（mx_coordinate>>3）-20））；

oX_COORD，oY_COORD就是轉(zhuǎn)換之后的顏色邏輯坐標(biāo)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后的坐標(biāo)，如圖5所示，x坐標(biāo)從左往右逐漸變大，范圍0～800，y坐標(biāo)從上往下逐漸變大，范圍0～480。

圖5 顏色邏輯坐標(biāo)

2.3 RGB色彩空間

許多人都知道在繪畫時(shí)可以使用紅色、黃色和藍(lán)色這3種原色混合成不同的顏色，這些顏色就定義了一個(gè)色彩空間。將品紅色的量定義為 x坐標(biāo)軸、青色的量定義為y坐標(biāo)軸、藍(lán)色的量定義為z坐標(biāo)軸，這樣就得到一個(gè)三維空間，每種可能的顏色在這個(gè)三維空間中都有惟一的一個(gè)位置。但是，這并不是惟一的一個(gè)色彩空間。例如，當(dāng)在計(jì)算機(jī)監(jiān)視器上顯示顏色的時(shí)候，通常使用 RGB（紅色、綠色、藍(lán)色）色彩空間定義，這是另外一種生成同樣顏色的方法，紅色、綠色、藍(lán)色被當(dāng)作x，y和z坐標(biāo)軸。另外一個(gè)生成同樣顏色的方法是使用色相（x軸）、飽和度（y軸）和明度（z軸）表示，這種方法稱為 HSB 色彩空間。另外還有許多其他的色彩空間，許多可以按照這種方法用三維（x，y，z）、更多或者更少維表示，但是有些根本不能用這種方法表示。

通常所看到的物體的顏色，實(shí)際上是物體表面吸收了照射到它的白光（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應(yīng)，任何一種顏色都可以用3種基本顏色按照不同的比例混合得到。

在這里介紹RGB模型，如圖6所示，在這個(gè)顏色模型中，3個(gè)軸分別為RGB。原點(diǎn)對(duì)應(yīng)為黑色（0，0，0），高為原點(diǎn)最遠(yuǎn)的定點(diǎn)對(duì)應(yīng)白色（255，255，255）。由黑到白的灰度分布在從原點(diǎn)到最遠(yuǎn)的定點(diǎn)件的連線上，正方體的其他留個(gè)角點(diǎn)分別為紅，黃，綠，青，藍(lán)和品紅。需要注意一點(diǎn)，RGB顏色模型所覆蓋的顏色域取決于顯示設(shè)備因光電的顏色特性。每一種顏色都有惟一的RGB值與它對(duì)應(yīng)。

圖6 RGB顏色模型

2.4 顏色檢測(cè)

一開始，把預(yù)先準(zhǔn)備好的800×480大小的BMP圖像存入FPGA的FLASH中，系統(tǒng)將會(huì)把圖像傳輸?shù)接|摸屏上，作為下一步的定位算法使用。其中，在顯示區(qū)，coord_x和coord_y分別是顯示像素點(diǎn)的坐標(biāo)。在觸摸屏，x_coord和y_coord是經(jīng)過換算過后的觸摸邏輯坐標(biāo)：

coord_x = x_coord

coord_y = y_coord

當(dāng)觸碰到想要識(shí)別的顏色的位置時(shí)，使coord_x = x_coord，coord_y = y_coord，那么就將目標(biāo)定位到了該點(diǎn)，經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期，坐標(biāo)未更新，分別把該點(diǎn)的R，G，B三色的數(shù)據(jù)輸出到判斷模塊，具體的verilog實(shí)現(xiàn)方式如下：

if （（coord_x == X_COORD ）&& （coord_y == Y_COORD） ） begin

oLCD_R1 = read_red；

oLCD_G1 = read_green；

oLCD_B1 = read_blue；

2.5 顏色識(shí)別

讀取了R，G，B三色的數(shù)據(jù)之后，設(shè)定閾值，進(jìn)行判斷。上述提到，每種顏色都是有三原色按照不同的比例混合而成。比如黃色，紅：綠：藍(lán)的比例是255∶255∶0；紫色，紅：綠：藍(lán)的比例是160∶32∶240；比紫色淡點(diǎn)的紫羅蘭色，紅：綠：藍(lán)的比例是138∶43∶226。本系統(tǒng)選取了50種生活常見的顏色作為識(shí)別對(duì)象，將讀取的R，G，B分別與各顏色的R，G，B值做差，再取絕對(duì)值，再相加。

公式如下：

[X=|R-R1|+|G-G1|+|B-B1|]

X最小表示最接近該顏色，經(jīng)檢驗(yàn)，準(zhǔn)確率達(dá)90%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的硬件平臺(tái)是友晶公司的DE2開發(fā)板，使用的讓見是Quartus Ⅱ 11.0，F(xiàn)PGA芯片是EP2C35F672C6。

觸摸屏采用的是友晶公司推出的一款觸摸TRDB_LTM，具有可編程控制盒數(shù)字信號(hào)輸出等功能。其觸摸功能，通過內(nèi)嵌的10位ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字信號(hào)。同時(shí)，LTM還提供像素時(shí)鐘（PIXCLK）、行有效信號(hào)（FVAL）以及配置LTM所需要的I2C協(xié)議引腳SCLK和SDAT。所使用的平臺(tái)有4個(gè)按鍵；其中KEY[0]是復(fù)位按鍵。

取實(shí)驗(yàn)過程中算法每步所拍下的圖像，采用了兩幅圖做對(duì)比，圖7，圖8是顏色比較分明的圖像，分別用筆觸碰觸摸屏，數(shù)碼管觸碰坐標(biāo)，LCD1602顯示顏色。由于拍照角度稍有差異，圖像形狀會(huì)略有不同。

圖7 筆觸碰綠色，數(shù)碼管顯示坐標(biāo)，LCD顯示綠色

圖8 筆觸碰黃色，數(shù)碼管顯示坐標(biāo)，LCD顯示黃色

圖9圖10是比較顏色比較復(fù)雜的圖像，分別用筆觸碰觸摸屏，數(shù)碼管觸碰坐標(biāo)，LCD1602顯示顏色。

圖9 筆觸碰紫色，數(shù)碼管顯示坐標(biāo)，LCD顯示紫色

4 結(jié) 語

本文通過采用FPGA器件設(shè)計(jì)基于FPGA觸摸屏的顏色識(shí)別，一定程度上解決了通過傳感器識(shí)別顏色受光線，環(huán)境變換對(duì)識(shí)別結(jié)果的影響。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，該系統(tǒng)識(shí)別顏色正確率高，而且方便實(shí)用，隨時(shí)可以更換圖片，可作為嬰幼兒識(shí)別顏色早教系統(tǒng)，也方便為色盲癥患者提供顏色信息。FPGA純硬件實(shí)現(xiàn)的方式，設(shè)計(jì)靈活，有利于移植到其他FPGA系統(tǒng)，也有利于發(fā)展為專業(yè)集成模塊。

圖10 筆觸碰藍(lán)色，數(shù)碼管顯示坐標(biāo)，LCD顯示藍(lán)色

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