數(shù)顯便攜式測色儀設(shè)計(jì)

萬淑瑩　安志勇　王勁松

摘要： 為了使牙齒健康美容領(lǐng)域中牙齒的配色更加精確，設(shè)計(jì)出一款以色度學(xué)原理為基礎(chǔ)，應(yīng)用白平衡調(diào)節(jié)手段，采用集成數(shù)字化電路及掌上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的牙齒測色儀器。設(shè)備以正白光高亮LED為光源、mega128單片機(jī)為核心，采用TCS230可編程顏色傳感器采集顏色信號，通過C語言編程來實(shí)現(xiàn)顏色數(shù)據(jù)的采集、顯示以及存儲。通過比色卡對比實(shí)驗(yàn)，分析了幾種影響測量精確度的因素。儀器具有測量精度高、穩(wěn)定度好、功耗低、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景及市場空間。

關(guān)鍵詞： 測色； 色度空間； 顏色傳感器； 白平衡

中圖分類號： TH787 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.04.015

Abstract： In order to make the results of teeth color measurement in the field of dental cosmetic more accurate， this paper has designed a color monitoring instrument， which is based on the colorimetry principle. It used the white-balance adjustment method， technology of integrated digital circuit and design of handheld structure. The source of the instrument was LED light. The core was a mega128 microcontroller. TCS230 programmable color sensor was used to gather the color signal， and C language was used to realize the collection， the storage and the display of the color data. In the experiment of comparison of the measured color with the international standard color card， we analyzed several factors， which affected the accuracy of the measurement. The instrument had a series of advantages， such as high measuring accuracy， high stability， low-power consumption and easy to carry. In short， the instrument has promising applications and broad market.

Keywords： color measurement； chromaticity space； color sensor； white-balance

引 言

測色儀器可應(yīng)用于軍事、彩色打印、牙科、油漆、紡織印染、化妝品和印刷材料等各個領(lǐng)域，對提高產(chǎn)品的品質(zhì)起到了重要的作用。國際上許多研究機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)商從事測色儀器的研究，幾家大的公司主要有美國德塔、美國愛色麗、日本柯尼卡美能達(dá) 、美國亨特立和美國錫萊-亞太拉斯[1]。國內(nèi)的測色儀種類不多，以光電積分式色差儀為主，可分為便攜式和臺式兩種。便攜式儀器具有體積小、功耗低、適合現(xiàn)場測量、精度高等優(yōu)勢。

隨著生活品質(zhì)的不斷提高，人們對于牙齒的治療要求已經(jīng)不再僅限于滿足修復(fù)功能上的應(yīng)用，而是進(jìn)一步提高了對其美觀度的要求[2]。為使牙齒顏色測量更加便捷、準(zhǔn)確，文章設(shè)計(jì)了一款數(shù)字便攜式測色儀，具有測量精度高、外形小巧、成本低、功耗低、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

1 測色儀測量原理

1.1 系統(tǒng)的顏色識別原理

本系統(tǒng)采用基于RGB三原色的顏色傳感器測量方法，通過測量物體反射光的相對光譜功率分布，得到物體表面的反射光譜。顏色傳感器直接將光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出，再與 CIE 光譜三刺激值加權(quán)相乘，積分后求出樣品表面顏色的三刺激值、色坐標(biāo)、色差等其他參數(shù)。系統(tǒng)的信號顯示、存儲、傳輸均采用數(shù)字式的，有抗干擾能力強(qiáng)、精度高等優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了牙齒不同區(qū)域顏色的高分辨率測量。

1.2 RGB色度空間

TCS230傳感器是基于色度學(xué)原理進(jìn)行顏色識別的。自然界中所有物體對光都有一定的吸收與反射功能，由于本身的物理或化學(xué)特性，物體將會吸收某些波長的光而同時反射其他波長的光。我們通?？吹降奈矬w顏色，是由于物體本身吸收了白光中的一部分有色光，而將另外一部分有色光反射出來到達(dá)人眼中產(chǎn)生的顏色感覺，感覺信息被轉(zhuǎn)換為神經(jīng)沖動傳送到大腦，在大腦中進(jìn)行處理，形成了色覺。

根據(jù)三原色學(xué)說，每一種顏色都可以由紅、綠、藍(lán)三原色按不同分量相加混合而成，如果知道構(gòu)成各種顏色的三原色的值，就能夠知道所測物體的顏色。

1.3 TCS230識別顏色原理

TCS230傳感器是由硅光電二極管陣列、濾光器和電流頻率轉(zhuǎn)換器組成的。芯片上集成有64個光電二極管，這64個光電二極管可分為4種類型。其中16個光電二極管帶有紅色濾波器；16個光電二極管帶有綠色濾波器；16個光電二極管帶有藍(lán)色濾波器；其余16個不帶有任何濾波器，可以透過全部的光信息。這些光電二極管在芯片內(nèi)是交叉排列的，能夠最大限度地減少入射光輻射的不均勻性，從而增加顏色識別的精確度；另一方面，相同顏色的16個光電二極管是并聯(lián)連接的，均勻分布在二極管陣列中，可以消除顏色的位置誤差。

TCS230顏色傳感器可將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號發(fā)送給單片機(jī)。可以通過可編程引腳S2、S3來選擇顏色濾波器。當(dāng)傳感器選擇某一種顏色的濾波器時，入射光中只有該原色被允許通過，從而可以測得該原色的光強(qiáng)值。同理，選擇其他濾波器就可以得到其他兩原色光強(qiáng)值。通過測量三原色的值，就可以分析得到投射到傳感器上光的顏色[3]。圖1為TCS230傳感器結(jié)構(gòu)圖。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由穩(wěn)壓電源、LED陣列光源、顏色傳感器、單片機(jī)、液晶顯示屏和按鍵組成，設(shè)備的組成如圖2所示。光源發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡照射到被測物體（牙齒）上[4]，由被測物漫反射回來的光線被光電傳感器接收，傳感器將采集顏色的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換成頻率信號，直接送入單片機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，量化出R、G、B的值。將R、G、B的色值分別與色卡數(shù)據(jù)存儲芯片中的各個標(biāo)準(zhǔn)色卡的R、G、B值做差，差值平方和最小的標(biāo)準(zhǔn)色卡即代表被測物顏色。系統(tǒng)由液晶顯示屏顯示所測顏色對應(yīng)的三基色值和比色卡色號。

光源采用正白光高亮LED，其光譜分布與自然光接近[5]。在該光源照明條件下，被測物顏色最接近目視顏色，便于顏色的計(jì)算；頻率輸出比較穩(wěn)定，適合作基準(zhǔn)光源；LED的光能效率高，發(fā)熱小，利于測色儀功耗的降低，可滿足長時間使用的要求[6]。

3 電路設(shè)計(jì)

為了滿足設(shè)備高性能低功耗的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用mega128單片機(jī)測量TCS230傳感器輸出的頻率[7]，采用液晶模塊來顯示顏色比對結(jié)果，并用按鍵進(jìn)行初始化白平衡，LED發(fā)光二極管作為基準(zhǔn)光源。電路設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)總體流程

系統(tǒng)采用嵌入式C語言對程序進(jìn)行整體設(shè)計(jì)[8]。程序主要包含調(diào)白平衡子程序及顏色識別子程序。其中白平衡子程序用于對顏色進(jìn)行標(biāo)定；顏色識別子程序用于對顏色進(jìn)行檢測。程序首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，包括mega128的系統(tǒng)時鐘、端口、定時器、終端、串行口等的初始化設(shè)置，傳感器的輸出比例因子、通信參數(shù)以及使能輸出引腳的設(shè)置，隨后進(jìn)入歡迎使用界面，進(jìn)入鍵盤監(jiān)視程序，等待用戶進(jìn)行顏色測量操作。系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

4.2 白平衡的調(diào)整

理論上，白光是由紅光、綠光和藍(lán)光等量混合而成的，但實(shí)際上我們平時所用的光源都是非標(biāo)準(zhǔn)的。非標(biāo)準(zhǔn)白光（R、G、B值不相等）在物體上反映出來的光強(qiáng)分量是不同的，并且TCS230傳感器對R、G、B三色的敏感程度也是不相同的，這就導(dǎo)致TCS230輸出的R、G、B值并不相等。因此在試驗(yàn)前一定要對白平衡做出調(diào)整。

在顏色檢測系統(tǒng)中，白平衡按鍵是必不可少的，其主要作用是對顏色檢測系統(tǒng)進(jìn)行白平衡補(bǔ)償。當(dāng)白平衡按鍵被按下時，當(dāng)前的R、G、B輸入值作為白平衡校正值存儲到EEPROM存儲器中。當(dāng)系統(tǒng)上電時，系統(tǒng)會從EEPROM存儲器中讀取該校正值，并用來校正R、G、B值原始數(shù)據(jù)，直到白平衡按鍵再次被按下，新的校正值被修改為止[9]。白平衡子程序流程圖如圖5所示。

將測得的R、G、B三個波段的光強(qiáng)信號進(jìn)行白平衡等處理，分別求出真實(shí)的R、G、B三色值，將R、G、B的色值分別與色卡數(shù)據(jù)存儲芯片中的各個標(biāo)準(zhǔn)色卡的R、G、B值做差，與三個色值的差值平方和最小的標(biāo)準(zhǔn)色卡即代表被測物顏色。

4.3 顏色識別子程序

設(shè)置定時器為一固定時間（例如10 ms），然后選通三種顏色的濾波器，計(jì)算這段時間內(nèi)TCS230的輸出脈沖數(shù)，計(jì)算出一個比例因子，通過這個比例因子可以把這些脈沖數(shù)變?yōu)?55。在實(shí)際測試時，使用同樣的時間進(jìn)行計(jì)數(shù)，把測得的脈沖數(shù)再乘以求得的比例因子，然后就可以得到所對應(yīng)的R、G、B的值。具體的顏色識別子程序流程如圖6所示。

5 對比實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為使測色儀的測色效果更加直觀，選取標(biāo)準(zhǔn)色卡中5種顏色進(jìn)行試驗(yàn)。表1為被測標(biāo)準(zhǔn)色卡理論的R、G、B值及實(shí)驗(yàn)測得的R、G、B值的對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

根據(jù)表1可以看出，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測量的顏色數(shù)值與理論的標(biāo)準(zhǔn)值有偏差，但偏差不大。

6 結(jié) 論

通過多次測量并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的因素主要有：對顏色識別準(zhǔn)確度影響的一個主要因素是外界光線的干擾，所以傳感器和光源要在一個密閉、無反射的環(huán)境中進(jìn)行檢測；被測材料的透光性越好、厚度越薄、顏色質(zhì)量越純的物體，測量結(jié)果與實(shí)際顏色值越接近；待測物體反射到顏色傳感器上的光越強(qiáng)，測量結(jié)果越接近于其本身顏色，所以被測物體應(yīng)盡量放在傳感器感光范圍距離較近并且感光效果較好的位置。

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（編輯：張磊）