王志新鐘睿蕓李月娥

(蘭州大學信息科學與工程學院，甘肅 蘭州 730000)

顏色的產(chǎn)生源于物體對光的選擇性吸收，隨著近代科學特別是色度學的發(fā)展，顏色成為一種可被客觀定義的事物，而且廣泛用于生物、化學、材料學的科學研究中[1-4]。在傳統(tǒng)的如印染業(yè)、釀造業(yè)、污水處理業(yè)等涉及化學變化的行業(yè)，復雜的生產(chǎn)流程中需要對每個環(huán)節(jié)的顏色和其他生產(chǎn)元素進行實時監(jiān)測和控制。但是目前國內(nèi)大部分生產(chǎn)廠家還是依靠工程師和老技術工人們的經(jīng)驗來進行生產(chǎn)，很難將顏色的實時定量監(jiān)測應用到生產(chǎn)過程中去[5]。近年來利用光電積分法(Photoelectric integration)，分光光度法(spectrophotometry)原理所制造電子檢測儀的出現(xiàn)為顏色檢測的自動化，標準化，高效化提供了基礎[6]。

相對于其他大型化智能設備的使用，目前存在的顏色檢測設備還有待提高。第一，嚴格要求的外部條件。現(xiàn)在使用的識別方案是根據(jù)Swain和Ballard[7]提出的顏色直方圖來表示和匹配圖像。這項工作為顏色識別做出了重大貢獻，然而當照明條件不相等時物體識別精度顯著降低。第二，檢測樣品的色彩分布要求是線性均勻的。實驗中通過大量樣本建立起來的標準色與實際使用中的樣本差距可能很大，實際數(shù)據(jù)庫中可能根本沒有這種顏色，這也直接導致基于此原理的儀器只能針對特定顏色色調(diào)的物品。華中科技大學胡雪婷等報道了基于圖像識別的吸藍量滴定終點自動判定新方法[8]，武漢科技大學的研究團隊提出了顏色檢測和人機交互的高效破碎玻璃分選裝置[9]，通過圖像處理達到顏色識別的目的需要，但建模要求較高且對RGB采集設備要求過高，不能大范圍普及。

顏色檢測技術在多領域不斷發(fā)展，如Funt和Finlayson根據(jù)Land的理論對其方法進行了擴展，通過索引從鄰近點計算的顏色比率來實現(xiàn)顏色檢測[8，10-11]。遼寧技術大學團隊研發(fā)的膨潤土吸藍量自動分析檢測技術，在帶有篩網(wǎng)和濾紙的超聲波分散器中投放給定光從而檢測綠色暈環(huán)[12]。中山大學譚洪舟團隊和南京理工大學胡茂海團隊用顏色傳感器對滴定過程中的顏色進行檢測[13-14]，提供了根據(jù)滴定曲線自動判斷滴定終點的實現(xiàn)方法。但在液體顏色檢測方面，檢測對象幾何形狀和表面材質(zhì)等因素的影響依然存在，同時試圖利用單一數(shù)字標尺描述顏色可能產(chǎn)生錯誤[15-16]。本文提出并實現(xiàn)了一種基于光反射與透射及物聯(lián)網(wǎng)技術的動態(tài)顏色監(jiān)測系統(tǒng)，提供了一種在實驗室和工廠中智能化過程監(jiān)測的新思路，有望實現(xiàn)工作效率與操作精度的提高，填補國內(nèi)相關設備的空白。

1 顏色監(jiān)測系統(tǒng)設計

RGB檢測模塊選用TCS230傳感器[17]，如圖1所示。將RGB檢測模塊與光強檢測模塊合并成一個整體傳感器，該傳感器把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個單一的CMOS電路上，同時在單一芯片上集成了RGB三種濾光器，芯片集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter，ADC)，最高采樣頻率500 KSPS，最高支持10通道的模擬信號采集，采用8引腳的SOIC表面貼裝式封裝。兩個整體傳感器對稱放置，中間設置有遮光光路及放置待測物體的平臺，可以實時監(jiān)測待測物體的顏色，并轉(zhuǎn)化為RGB值，同時檢測待測物體的透光性及環(huán)境光強，滿足光學檢測的信號采集對于采樣精度和采樣頻率的要求。RGB檢測模塊與光強檢測模塊理論相似，將透射或反射的光分別透過對應的光透鏡，頻率轉(zhuǎn)換器根據(jù)透過透鏡光顏色和光強的不同輸出不同頻率的方波，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換和歸一化計算即可得到待測數(shù)值。

圖1 TCS230傳感器示意圖

將傳感器如圖2排布，分為反射光檢測傳感器、透射光檢測傳感器和散射光檢測傳感器陣列三部分，由遮光材料構(gòu)成遮光光路。將帶有LED燈且發(fā)出入射光的傳感器，稱為反射光檢測傳感器；接收透射光的傳感器稱為透射光檢測傳感器；多個相同傳感器組成陣列接收散射光，稱為散射光檢測傳感器陣列。

圖2 顏色檢測硬件示意圖

顏色檢測硬件整體可以通過調(diào)節(jié)形狀的方式以適應不同大小的物體監(jiān)測，遮光光路由內(nèi)部全反射的白色平滑、外部黑色磨砂的絕緣耐熱硬紙板制成。內(nèi)部全反射的白色平滑面用于折射入射光或反射光，盡量不引起光能量損失。外部黑色磨砂面用于隔絕外部雜光的影響。通過設置遮光光路，提高光學檢測的準確性。放置待測物體的平臺由導熱耐腐蝕金屬制成，遮光光路和放置待測物體的平臺可以更換，以適應不同物體的監(jiān)測。內(nèi)部監(jiān)控攝像頭為全彩廣角攝像頭，帶有紅外夜視功能，與遠程控制設備、本地客戶端、服務器通訊連接，可以實現(xiàn)實時通信，通過直播或者錄像方式可以在遠程控制設備或觸摸顯示屏上實時觀察待測物體的狀態(tài)。

為適應不同的監(jiān)測需求，系統(tǒng)設定了多種監(jiān)測模式。

①待測物體若為不透明高反射系數(shù)物體，例如石膏、金屬、大理石、木材等，透射光檢測傳感器獲得的測量數(shù)據(jù)將遠小于反射光檢測傳感器獲得測量數(shù)據(jù)，則只讀取反射光檢測傳感器獲得的數(shù)據(jù)計算RGB值。在輸出光強已知的情況下，可以通過兩檢測傳感器的光強數(shù)據(jù)計算反射系數(shù)和折射率。

②待測物體若為透明且低反射系數(shù)物體，例如有色玻璃、結(jié)晶體、透明液體等，透射光檢測傳感器獲得的測量數(shù)據(jù)將遠大于反射光檢測傳感器獲得測量數(shù)據(jù)，則可只讀取透射光檢測傳感器獲得的測量數(shù)據(jù)計算RGB值。在輸出光強已知的情況下，吸收特定波長的光服從朗伯-比爾(Lambert-Beer)吸收定律來確定吸光物質(zhì)的濃度及其厚度間的關系，即可通過兩檢測傳感器的光強數(shù)據(jù)計算透射系數(shù)和折射率。

③待測物體反射系數(shù)與透射系數(shù)接近時，透射光檢測傳感器獲得的測量數(shù)據(jù)和反射光檢測傳感器獲得的測量數(shù)據(jù)將同時輸入光學檢測下位機進行計算，獲得兩側(cè)RGB值并獲得兩側(cè)光強值。

該顏色檢測硬件與顏色檢測下位機相連，通過UART轉(zhuǎn)換為USB接口將所獲得的數(shù)據(jù)上傳至上位機處理器及服務器，配合散射光檢測傳感器陣列的數(shù)據(jù)，進一步在上位機處理器可推出色坐標、顏色飽和度、色溫，物體透光性、折射率、反射率等，可以進行比對粗略預測物質(zhì)種類。

為滿足實際實驗室和工廠的需要，本文設計的監(jiān)測系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)可參考監(jiān)測控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)(圖3)，整個系統(tǒng)由上位機處理器、光學檢測下位機、環(huán)境監(jiān)控下位機、控制專用下位機、遠程控制設備、服務器、備用電源、本地控制系統(tǒng)及相關軟件組成。

圖3 基于光反射與透射及物聯(lián)網(wǎng)技術的動態(tài)顏色監(jiān)測控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

總體設計采用“服務器+單上位機+多下位機+雙控制系統(tǒng)”模式，職責不同的下位機分別采集實時數(shù)據(jù)并進行放大、解調(diào)、濾波等簡單處理分析計算，并同時發(fā)送給上位機處理器，上位機處理器采用多通道數(shù)據(jù)采集方式進行連接，使得系統(tǒng)可對多路信號進行高速采集，采集率可由遠程控制設備或本地控制系統(tǒng)手動進行控制，支持高速SPI通信，可以加入更多的下位機以拓展系統(tǒng)功能。

為保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測的實時性，上位機使用Linux操作系統(tǒng)，接收到的數(shù)據(jù)先通過TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器進行備份，然后進行條件判斷和基本檢測并轉(zhuǎn)化為圖表的操作，將變化點和疑似錯誤結(jié)果在該數(shù)據(jù)點進行標注，完成后再通過網(wǎng)絡接口發(fā)送給服務器和控制系統(tǒng)。系統(tǒng)實際運行界面觸摸屏如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)實際運行界面觸摸屏展示

另外，實時控制的本地控制系統(tǒng)通過UART轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)將提前設計好的閾值參數(shù)信息發(fā)送給上位機處理器，用戶端可以依據(jù)監(jiān)測結(jié)果靈活調(diào)整搭配生產(chǎn)線上的具體設備，同時可以進行遠程控制，完成操作過程中的標注和篩選。觸摸顯示屏用于對整個系統(tǒng)的各項參數(shù)進行實時顯示，還可以通過與揚聲器的配合提醒疑似錯誤的結(jié)果或警告監(jiān)測數(shù)據(jù)超出閾值。監(jiān)測到的數(shù)據(jù)可以實時顯示在觸摸顯示屏上，為方便用戶使用，上位機還對范式的顯示進行支持，可同步記錄數(shù)據(jù)標簽，方便數(shù)據(jù)的離線分析。

2 RGB值和光強識別流程

根據(jù)德國物理學家赫姆霍茲(Helinholtz)的三原色理論，各種顏色是由不同比例的三原色(紅、綠、藍)混合而成的。本文采用Arduino作為光學檢測下位機，Arduino內(nèi)部頻率為16 MHz，選取8分頻后的2 MHz作為時鐘，對應周期為0.5μs。

RGB值及光強的識別流程如圖5所示，在進行白平衡調(diào)整后，對TCS230傳感器的輸出脈沖依次進行計數(shù)，定時到時間基準結(jié)束，分別計算每個通道所用的時間。這些時間對應于實際測試時每種濾波器所采用的時間基準，在這段時間內(nèi)所測得的脈沖數(shù)就是所對應的R、G和B的值。

圖5 顏色檢測與光強程序流程圖

透射光檢測傳感器、反射光檢測傳感器、散射光檢測傳感器陣列同時運行該程序，經(jīng)過時間校對和計算后，可得到RGB值、兩側(cè)光強、散射光情況，并可進一步計算常見光學參數(shù)指標，如色坐標、顏色飽和度、色溫，物體透光性、折射率、反射率等，從而適應不同的監(jiān)測需求。

在RGB模式下，某一色彩是由紅、綠、藍三原色組成，三原色會在0到255之間變化，各有256個值，可以組成16 777 216種顏色。我們沒有必要這么精準地定義顏色，本文中以測得的R、G、B值為中心，設置一個距離中心值10的范圍值，判斷RGB值是否落在范圍內(nèi)，如果落在范圍內(nèi)，則說明顏色并沒有發(fā)生變化。將獲得的RGB值在以R、G、B為坐標軸的三維直角坐標系中取點，繪制的(R，G，B)空間即為RGB顏色空間圖，如圖6所示。

圖6 RGB顏色空間圖

假定測得的(R，G，B)為(110，110，110)，若(R，G，B)在圖7紅色正方體內(nèi)變化時，實際顏色基本沒有變化，則判定其顏色沒有變化。用這種方法來判斷顏色變化，雖然準確度沒有(R，G，B)一點對應一個顏色精準，但是考慮存在的脈沖計數(shù)誤差，傳感器引腳產(chǎn)生的方波可能不是非常準確的方波，在計數(shù)上會有1-3數(shù)值的偏差，給定一個范圍可以降低顏色變化識別的錯誤率。否則，系統(tǒng)將頻繁給出顏色變化的提示，而實際上顏色可能并沒有發(fā)生變化。在具體的應用環(huán)境中，使用者也可以適當調(diào)整算法以適應具體精度要求。

圖7 閾值范圍RGB顏色空間判別圖

3 檢測實驗

系統(tǒng)的準確性測試通過一個專門的實驗檢測來說明，圖8為顏色監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場測試圖。選擇國際顏色標準比色卡，在其中任意選取部分樣本，從中間沿著紙張縫隙任意分離，同時逆向在部分樣本反面均勻隨機粘貼多層白紙使其厚度不一。以上操作主要是用來模仿不同物體透光情況。使用適量酒精清洗表面雜質(zhì)后，依次做好標記。

圖8 顏色監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場測試圖

將處理過的標準比色卡放置在待測物體區(qū)，對顏色檢測硬件部分進行密封遮光處理。每個樣本重復“取出-放置-采樣”的操作三次，取三次重復實驗的數(shù)據(jù)均值。獲得具體RGB數(shù)值如表1所示，其中R1、G1、B1為顏色標準比色卡上的數(shù)值，即待測樣本的理論顏色的RGB數(shù)值。R2、G2、B2為本系統(tǒng)通過重復實驗獲得的樣本實際檢測值。

表1 系統(tǒng)測試實驗RGB數(shù)據(jù)表

將數(shù)據(jù)繪制在以2為閾值半徑的RGB顏色空間判別圖內(nèi)，如圖9所示。在隨機選取的12個樣例中，只有1例在該閾值設定的情況下未能檢測成功。

圖9 RGB顏色空間判別圖

為了能更好的反映系統(tǒng)性能，對RGB三個通道分別進行數(shù)據(jù)分析。因為顏色數(shù)值是定義量而不是真實的物理反饋，不能像測試物質(zhì)含量等使用類似

這樣的相對誤差計算方法來確定。

例如理論顏色(2，0，0)與實際測得(1，0，0)，理論顏色(255，255，255)與實際測得(254，255，255)，這兩組比對都是在R通道上的1數(shù)值變化。在單通道情況下使用該公式可得:誤差＝｜((2-1))/2｜為50%，誤差＝｜((255-254))/255｜，約為0.39%。

在定量變化下，計算得到的結(jié)果差距極大。而在三通道同時使用類似公式計算，所獲得的數(shù)據(jù)遠小于1%，不能將其作為系統(tǒng)的性能判斷標準。因此，本文通過單通道檢測再多通道計算的方式計算系統(tǒng)的誤差情況。

因為RGB系統(tǒng)是對通道內(nèi)的刺激值進行標點，標點范圍為0～255，則在單一通道內(nèi)，其誤差計算可設定為:

從RGB顏色空間判別圖以及表2可以看出，系統(tǒng)可以準確地對顏色RGB進行識別，尤其對R通道、B通道效果較好，系統(tǒng)平均誤差在4%以下，該誤差在實際使用過程中完全可以接受。標準色的實測值與標準值尤為接近，從而能夠準確判斷顏色變化。針對具體的應用場合要求，也可以編寫簡單的代碼實現(xiàn)所需求的個性化功能，以檢測實驗和生產(chǎn)，測試系統(tǒng)完善且具有的實用效果。

表2 系統(tǒng)誤差對照表

4 結(jié)論

針對當前工業(yè)生產(chǎn)線及實驗室在化學反應過程中對時間、過程、精度的控制需求，尤其是在化學反應變化中出現(xiàn)的顏色變化的監(jiān)測與控制，設計了一種基于光反射與透射及物聯(lián)網(wǎng)技術的動態(tài)顏色監(jiān)測控制系統(tǒng)，由上位機處理器、光學檢測下位機、環(huán)境監(jiān)控下位機、控制專用下位機、遠程控制設備、服務器、備用電源、本地控制系統(tǒng)及相關軟件組成。以無線通信技術、傳感器技術為基礎，涉及物聯(lián)網(wǎng)智能設備、光譜分析、顏色識別、化學反應監(jiān)測領域，討論了監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計方案、具體硬件及軟件設計。系統(tǒng)中各輔助器件可用于智能化應用操作及延伸拓展開發(fā)，基本解決了操作員在檢測過程，尤其是化學反應過程中因個人造成的誤差問題。論文提供了一種在實驗室和工廠中智能化操作的新思路，有望實現(xiàn)工作效率與操作精度的提高，給國內(nèi)相關設備的研發(fā)提供思路。