دانلود تحقیق سنسورها و رو شهای تشخیص رنگ در صنعت

برای تشخیص رنگ در صنعت رو شهای مختلفی وجود دارد که به طور کلی می توان آنها را به دو قسمت عمده تقسیم نمود:

الف- سیستم های مبتنی بر سنسورهای تشخیص رنگ

ب- استفاده از پردازش تصویر برای تشخیص رنگ

سیستم های مبتنی بر سنسورهای تشخیص رنگ نیز خود دارای انواع مختلفی می باشند که با توجه به ساختار آنها ما آن را به سه دسته تقسیم می کنیم:

۱ - سنسورهای RGB

۲- فیلترهای Optic

3- تراشه های مخصوص

 اما باید به یک نکته اشاره کرد که تقریباً پایه تمام سیستم های تشخیص رنگ بر اساس قسمت ۱ می‌باشد که همان متد RGB  می باشد به همین دلیل در این مقاله بطور مفصل در مورد این روش بحث شده و در ادامه توضیحاتی در مورد دو نوع دیگر هم می آید و در انتها روشهای کلی تشخیص رنگ توسط پردازش تصویر نیز به طور خلاصه توضیح داده شده اند.

کلمات کلیدی: روش RGB، پیوند pn،فتوترانزیستور، پردازش تصویر( Image Processing

فهرست علائم :

  = R قرمز،= G سبز،= B  آبی.

۱- مقدمه

تشخیص رنگ در صنعت از اهمیت فو ق العاده ای برخوردار است.

تشخیص رنگ در صنایع مواد غذایی، بخصوص دربسته بندی چای، صنعت چاپ، کارخانه های پارچه بافی و رنگرزی و لوازم آرایشی از موارد مهم و کاربردی برای تولید و کنترل کیفیت می باشد.

به همین دلیل روشها و سنسورهای مختلفی برای این کار ایجاد گردیده است.

ما ابتدا قبل از آشنایی با این روشها و طرز کار سنسورها احتیاج به آشنایی با ماهیت نور و رنگ وخواص آن می باشد که در زیر به توضیح کلی آن می پردازیم:

1-1 نور

نور یک نوع انرژی است و بصورت تشعشع الکترومغناطیس منتقل می شود.

فاصل های که در کاربردهای الکترونیک نوری را UV و ماوراء بنفش IR مورد توجه قرار می گیرد، تمام بخشهای نور مرئی شکل ۱ به اضافه بیشتر محدوده مادون قرمز پوشش می دهد.

تمام مشخصات سیگنالهای موجود در این بخش، مشخصاتی شبیه به سیگنالهای موجود در نور مرئی معمولی می باشد و به راحتی از ابزار نوری شفاف عبور می کنند و کاملاً توسط اشیاء تیره رنگ و مات جذب می گردند و توسط عدسیهای نوری می توانند تحت تاثیر قرار گیرند.

تمام مشخصات سیگنالهای موجود در این بخش، مشخصاتی شبیه به سیگنالهای موجود در نور مرئی معمولی می باشد و به راحتی از ابزار نوری شفاف عبور می کنند و کاملاً توسط اشیاء تیره رنگ و مات جذب می گردند و توسط عدسیهای نوری می توانند تحت تاثیر قرار گیرند.

شکل شماره۱ 1-2 رنگ از ترکیب سه نور قرمز، سبز و آبی نورهای رنگی دیگر را می توان تولید کرد.

این ۳ رنگ را رنگهای اصلی نور می نامند.

نورهای رنگی که از آمیختن دو نور اصلی به وجود می آیند، نورهای فرعی نامیده می شوند.

در )شکل2-الف) این ترکیبها آمده است گلی = آبی + قرمز زرد = سبز + قرمز فیروز های = سبز + آبی در شکل)۲ - ب (هم مثلث رنگ دیده می شود که از ترکیب هر راس مثلث با رنگ ضلع مقابل به آن راس رنگ مکمل را تشکیل می دهد به طور مثال: سفید آبی + قرمز + سبز زرد (الف) (ب) شکل (2) : (الف) ترکیب رنگها، (ب) مثلث رنگ 1-3 رنگ اشیاء وقتی نور به سطح یک جسم می تابد علاوه بر بازتابش یا عبور نور، قسمتی از آن هم جذب شیء می شود.

رنگ اجسام بستگی به نوری دارد که به آنها می تابد، اجسام با توجه به نوری که به آنها می تابد ممکن است به رنگهای متفاوت به نظر برسند.

در شکل ۳ این موارد ذکر شده است.

1-4 رنگ فیلترهای نور صافیهای نور صفحه های شفاف به رنگ های مختلف هستند که با توجه به رنگشان بعضی رنگها را جذب و بعضی را عبور می دهند.

در شکل ۴ مواردی از آن را می بینید.

در عمل ممکن است که احتیاج به استفاده از چند فیتلر باشد.

پس از این مقدمات، با تقسیم کلی روشها به دو قسمت عمده به توضیح آنها می پردازیم: الف- سیست مهای مبتنی بر سنسورهای تشخیص رنگ شامل: ۱- سنسورهای RGB ۲- فیلترهای Optic ٣- تراش ههای مخصوص ب- استفاده از پردازش تصویر برای تشخیص رنگ 2- سیستمهای مبتنی بر سنسورهای تشخیص رنگ 2-1 سنسورهای RGB با برخورد فوتونهای نور به یک پیوند pn انرژی آن در پیوند جذب م یشود و باعث جابجایی حاملها در آن م یشود.

این امر باعث تغییر مقاومت پیوند م ی شود.

هر کدام از نیم ه هادیهای به کار رفته در پیوندهای pn نسبت به طول موجهای خاصی حساس م ی باشند که در مورد طو ل موجهای مرئی نور پیوندهای سیلیکونی بهترین حساسیت را دارند .

به همین دلیل از این ماده در سنسورهای نوری استفاده م یشود.

با توجه به اینکه هر یک از رنگهای نور دارای طول موج خاصی م یباشند، در نتیجه در اثر برخورد با پیوند pn هر یک انرژی خاصی را به پیو ند م یدهند و باعث ایجاد مقاومت خاصی م یشوند که همین اصل پایه سنسورهای RGB می باشد.

ساختار کلی یک سیستم تشخیص رنگ به روش RGB به صورت زیر م یباشد.

(شکل 5) طرز کار سیستم به این ترتیب می باشد: ۳ نور اصلی در واحد ۳ تولید م ی شوند و به جسم تابیده م ی شوند، این نورها به سرعت توسط واحد ۲ مولتی پلکس م یشوند، پس در هر لحظه تنها یک رنگ داریم .

در اثر برخورد نور بازگشتی از جسم به سنسور حساس به نور که بستگی به رنگ جسم دارد (رجوع کنید به 1-3 رنگ اشیاء) با توجه به طول موج رنگ مربوطه ، میزان مقاومت سنسور به میزان خاص تغییر م ی کند.

برای جلوگیری از نویز نور محیط (که حاوی تمامی طول مو ج ها م ی باشد) LED ها توسط یک نوسان ساز با فرکانس خاص، مثلاًKHz ۴۰ درایو م یشوند و در قسمت ۶ نیز دقیقاً فیلتری قرار داده م یشود که این فرکانس را عبور م یدهد در نتیجه بعد از تقویت در قسمت ۵ تنها موج KHz ۴۰ که همان موج بازگشتی در اثر یکی از LED ها است عبور م ی کند و بعد از دادن آن به یک مبدل (A/D ) (قسمت 7) عددی ظاهر م ی شود که پس از پردازش در میکروکنترلر (قسمت 8)می توان رنگ را تشخیص داد.

به طور کلی ۴ نوع پرکاربرد از سنسورهای نوری وجود دارند که م یتوانند در قسمت ۴ به کار برده شوند که عبارتند از: LDR (مقاومت وابسته به نور)، دیود نوری، ترانزیستورهای نوری و سلول خورشیدی (فتوسل) (شکل ٦) 1- LDR : LDR به عنوان سلول نوری سولفید کادیم (CdS) شناخته م ی شود.

این مقاومت نوعی ابزار الکتریکی نوری و غیرفعال است که مقاومت آن در صورت وجود نور مرئی تغییر م ی کند.

بسیار حساس م ی باشد و زمان پاس خ دهی در حدود چند میلی ثانیه دارد.

۲- دیودنوری: تمام اتصالات نیمه هادی سیلیکونی که در بایاس معکوس می باشند، ذاتاً حسا س به نورند و جهت کاهش این اثر ناخواسته با رنگ های تیره پوشانده م ی شوند.

یک راه اساسی برای استفاده از دیود نوری در بایاس معکوس با استفاده از یک مقاومت سری م ی باشد(شکل 7- الف) در اثر تابش نور، امپدانس نسبتاً کم است و چند صد نانو آمپراز R1 م یگذرد و ولتاژی متناسب با آن در دو سر مقاومت وجود دارد .

در محیط بدون نور ، امپدانس بسیار بالا بوده و جریانی از R2 نمی گذرد.

۳- فتوترانزیستور: اصولا به مشابه دیودنوری عمل می کند و در واقع یک ترانزیس تور سیلیکونی اصلاح یافته است که یکی از اتصالات آن توسط نور قابل ر ؤیت است .

چند راه اساسی استفاده از ترانزیستور نوری npn (شکل 7-ب) آمده است.

حساسیت یک ترانزیستور نوری معمولاً در حدود ۱۰۰ برابر بزرگتر از یک دیود نوری است ولی پاسخ فرکان سی آن نسبتاً کندتر از یک دیود نوری است.

۴- سلولهای خورشیدی: این گونه سلولهای خورشیدی عناصر ولتاژ نوری هستند که مستقیماً نور را به انرژی الکتریکی تبدیل م یکنند و م یتوان آنها را برای داشتن مشخص ههای مورد نظر (جریان و ولتاژ) با هم سری و موازی کرد(شکل ۷- ج) در شکل 8 (صفحه آخر)، یک نمونه از مدارات تشخیص رنگ بر اساس روشRGB را می بینیم که در آن از میکرو PIC12CE674 استفاده شده است.

سنسور به RG11 وصل می شود و caley lamp برای کالیبراسیون به کار می رود.

2-2 فیلترهای Optic: در این روش با استفاده از خاصیت صافیهای نور که در قسمت 1-4 توضیح داده شد رنگ اجسام را تشخیص می دهند.

یک سیستم فیلتردار را می توان به صورت زیر نمایش داد: (شکل9) یک نمونه مدار از این نوع را در شکل 10 (صفحه آخر) م یبینیم که بر اساس فیلترهای نوری کار م یکند.

همانطور که م یبینید خروجی این سیستم در واقع بصورت دیجیتال به ما ارائه م ی شود، در صورتی که در روش RGB خروجی آنالوگ بود و به یک مبدل A/D احتیاج بود.

البته عیب این روش استفاده از تعداد بیشتری سنسور می باشد.

به طور مثال اگر جسم قرمز باشد فیلتر قرمز تنها نور قرمز را رد م یکند و فیلترهای دیگر نوری را رد نم یکنند بنابراین: R=1 , G=0 , B=0 در نتیجه با Not کردن G,B و AND کل آنها خروجی که دیود مشخص کننده Red است روشن می شود و یا اگر جسم زرد باشد، نور زرد ترکیبی از قرمز و سبز است، پس داریم: که خروجی زرد را روشن می کند B=0, R=1, G=1 Not(b)AND(R AND G) =1 2-3 تراشه های مخصوص : بسیاری از کارخان ه های معروف ساخت سنسورها و ابزار دقیق برای این منظور تراش ه هایی را طراحی کرد هاند که به طورکامل کار دریافت و تجزیه تحلیل و فیلتر کردن نور را انجام م ی دهند و به راحتی قابل نصب و بهر ه برداری م یباشند.

در شکل 11 نمونه هایی از این سنسورها آورده شده است.به طور مثال سنسور MCS3AT از شرکت LASER COMPONENT حاوی 3 پیوند pn می باشد که روی آن فیلترهای رنگ و لنز نیز موجود است و به راحتی با یک تقویت کننده می توان آن را به کاربرد و سه رنگ اصلی را تشخیص داد(شکل 12).

بعلاوی پاره ای از این سیستم علاوه بر تشخیص رنگ توانایی ارائه اطلاعاتی دیگر مانند فاصله جسم، سرعت و درخشندگی و ...

را نیز دارند که می تواند بسیار مفید باشد.

3- استفاده از پردازش تصویر برای تشخیص رنگ اجسام پردازش تصویر عبارت از تجزیه و تحلیل تصاویر دیجیتال م ی باشد که م ی تواند توسط کامپیوتر یا تراش ه های مخصوص که (Digital Signal Presscor ) DSP نام دارند انجام شود.

ساختار کلی یک سیستم پردازش تصویر به صورت زیر می باشد: البته یک تفاوت عمده بین این روش و روشه ا ی دیگر وجود دارد و آن قابلیت برنام هریزی آن م یباشد که در سنسورها این خاصیت وجود ندارد و تنها برای کاربردهای خاص م ی توانند به کار بروند .

برای پردازش تصویر توسط کامپیوتر اززبانهای برنام هنویسی م یتوان استفاده کرد که دستورهای خاصی برای این منظور نیز وجود دارد و یا در استفاده از DSP باید از زبان اسمبلی خاص آنها استفاده کرد که به مراتب پیچید ه تر از زبانهای ساخت یافته کامپیوتری می باشد ، منتها DSP بسیار سریعتر از کامپیوتر م یباشد و نیازی به کارت رابط مخصوص (Frame Grabber) ندارد.

برای تشخیص رنگ از روش ه ای RGB, HIS, YUV, HSY استفاده می شود.

عوامل زیر در تشخیص رنگ توسط پردازش تصویر تاثیر دارند که عبارتند از: ۱- دوربین مورد استفاده 2- نوع کارت Frame Grabber که برای دیجیتال کردن تصویر مورد استفاده قرار می گیرد.

3- شرایط نوری محیط دو مورد اول ثابت هستند و مورد سوم در بعضی روش ها اثر گذا ر است و بعضی روش ها خود را به طور اتوماتیک با شرایط نوری تنظیم م یکنند و یا م یتوان آن را به طور دستی تنظیم کرد.

3-1 استفاده مستقیم از RGB : خروجی بسیاری از دوربینهای CCD موجود در بازار بصورت RGB می باشد یعنی خروجی کارت Frame Grabber هر نقطه را با 24 بیت نشان م ی دهد که هر ۸ بیت مشخ ص گر میزان هر یک از ۳ رنگ اصلی م ی باشد .

رو شهای دیگر با فرمولهایی از همین روش مشتق م یشوند.

مشکل این روش آنست که اگر ما برای هر رنگ R, G, B خاص در نظر بگیریم و جدولی را برای رن گهای مختلف در نظر بگیریم، نقاطی را خواهیم داشت که R, G, B منطبق با جدول نخواهند داشت و درنتیجه دقت مورد نظر ما حاصل نمی شود.

3-2 سیستم HIS : سیستم HIS از سیستم RGB منظ متر است و در نمودار آن نقاط هم رنگ تقریباً کنار هم هستند.

در این سیست م پارامترهانشانگر این معانی می باشند: : نشانگر خود رنگ م ی باشد، به عنوان مثال یعنی برای هر رنگ یک بازه روی H وجود دارد که نشانگر آن رنگاست.

البته این حرف مقداری خطا دارد و رنگ یک نقطه کمی به مقادیر S, I آن بستگی دارد.

Saturation : نشانگر درجه خلوص رنگ م یباشد، یعنی هر چه S کمتر باشد، رنگ بیشتر به خاکستری نزدیک م یشود.

Intensity : نشانگر شدت و میزان روشنایی رنگ م یباشد.

مشکل این روش ، احتیاج به محاسبات زیاد ی م ی باشد که باعث کندی سیستم کنترلی م ی شود و یا احتیاج به پردازند ه ای قوی خواهد داشت.

3-3 روش های HSY, YUV : در روش HSY به جای پارامتر I از پارامتر Y استفاده می شود.

برد پارامتر Y از I گسترده تر است و به همین دلیل قابلیت تفکیک بیشتری نسبت به I دارد ولی حساسیت آن نسبت به نور بیشتر است.

روش YUV نیز به این دلیل استفاده می شود که به عنوان خروجی استاندارد بسیاری از دوربین ها وجود دارد و روند تبدیل HIS به RGB را لازم ندارد.

3-4 رفع خطای تشخیص رنگ: برای تشخیص رنگ یک نقطه چون ممکن است که noise در تصویر باشد ، از این روش استفاده م ی شود که مرب ع های کوچکی در همسایگی آن نیز چک م یشوند و رنگی که بیشترین تعداد را دارد، به عنوان رنگ این نقطه برگشت داده م یشود.

۴- نتیج هگیری در نهایت ما سیست م های بسیاری را برای تشخیص رنگ اجسام بررسی کردیم که هر یک مزایا و معایب خود را دارند .

اما تحقیق و بررسی در راستای ساخت سیستمی که بتواند تمام رنگها را تشخیص دهد و خروجی تفکیک شده عالی را ارائه دهد، هنوز محقق نشده است و احتیاج به تحقیقات و بررس یهای بیشتر دارد.

5- مراجع [1] Julian W.

Gardner, “Microsensors”, wiley, 2000 [2] R.C.

GONZALES.

R.E.WOODS, “Digital Image processing”, Addisom – wesley, 1993 [3] آر.

ام.

مارستون، ترجمه پوپک محبت زاده، ۱۳۸۰ ، الکترونیک نوری، انتشارات کانون نشر علوم [4‍] سایتهای مربوط در اینترنت