سنسورها و رو شهاي تشخيص رنگ در صنعت

چكيده:
براي تشخيص رنگ در صنعت رو شهاي مختلفي وجود دارد كه به طور كلي مي توان آنها را به دو قسمت عمده تقسيم نمود:
الف- سيستم هاي مبتني بر سنسورهاي تشخيص رنگ
ب- استفاده از پردازش تصوير براي تشخيص رنگ

سيستم هاي مبتني بر سنسورهاي تشخيص رنگ نيز خود داراي انواع مختلفي مي باشند كه با توجه به ساختار آنها ما آن را به سه دسته تقسيم مي كنيم:
۱ – سنسورهاي RGB
۲- فيلترهاي Optic

۳- تراشه هاي مخصوص
اما بايد به يك نكته اشاره كرد كه تقريباً پاية تمام سيستم هاي تشخيص رنگ بر اساس قسمت ۱ مي‌باشد كه همان متد RGB مي باشد به همين دليل در اين مقاله بطور مفصل در مورد اين روش بحث شده و در ادامه توضيحاتي در مورد دو نوع ديگر هم مي آيد و در انتها روشهاي كلي تشخيص رنگ توسط پردازش تصوير نيز به طور خلاصه توضيح داده شده اند.

كلمات كليدي: روش RGB، پيوند pn،فتوترانزيستور، پردازش تصوير( Image Processing

فهرست علائم :
= R قرمز،= G سبز،= B آبي.
۱- مقدمه

تشخيص رنگ در صنعت از اهميت فو ق العاده اي برخوردار است. تشخيص رنگ در صنايع مواد غذايي، بخصوص دربسته بندي چاي، صنعت چاپ، كارخانه هاي پارچه بافي و رنگرزي و لوازم آرايشي از موارد مهم و كاربردي براي توليد و كنترل كيفيت مي باشد. به همين دليل روشها و سنسورهاي مختلفي براي اين كار ايجاد گرديده است. ما ابتدا قبل از آشنايي با اين روشها و طرز كار سنسورها احتياج به آشنايي با ماهيت نور و رنگ وخواص آن مي باشد كه در زير به توضيح كلي آن مي پردازيم:

۱-۱ نور
نور يك نوع انرژي است و بصورت تشعشع الكترومغناطيس منتقل مي شود. فاصل هاي كه در كاربردهاي الكترونيك نوري را UV و ماوراء بنفش IR مورد توجه قرار مي گيرد، تمام بخشهاي نور مرئي شكل ۱ به اضافه بيشتر محدودة مادون قرمز پوشش مي دهد. تمام مشخصات سيگنالهاي موجود در اين بخش، مشخصاتي شبيه به سيگنالهاي موجود در نور مرئي معمولي مي باشد و به راحتي از ابزار نوري شفاف عبور مي كنند و كاملاً توسط اشياء تيره رنگ و مات جذب مي گردند و توسط عدسيهاي نوري مي توانند تحت تاثير قرار گيرند.

شکل شماره۱
۱-۲ رنگ
از تركيب سه نور قرمز، سبز و آبي نورهاي رنگي ديگر را مي توان توليد كرد. اين ۳ رنگ را رنگهاي اصلي نور مي نامند. نورهاي رنگي كه از آميختن دو نور اصلي به وجود مي آيند، نورهاي فرعي ناميده مي شوند. در )شكل۲-الف) اين تركيبها آمده است
گلي = آبي + قرمز زرد = سبز + قرمز فيروز هاي = سبز + آبي

در شكل)۲ – ب (هم مثلث رنگ ديده مي شود كه از تركيب هر راس مثلث با رنگ ضلع مقابل به آن راس رنگ مكمل را تشكيل مي دهد به طور مثال:
سفيد آبي + قرمز + سبز
زرد

(الف) (ب)
شکل (۲) : (الف) ترکيب رنگها، (ب) مثلث رنگ
۱-۳ رنگ اشياء

وقتي نور به سطح يك جسم مي تابد علاوه بر بازتابش يا عبور نور، قسمتي از آن هم جذب شيء مي شود. رنگ اجسام بستگي به نوري دارد كه به آنها مي تابد، اجسام با توجه به نوري كه به آنها مي تابد ممكن است به رنگهاي متفاوت به نظر برسند. در شكل ۳ اين موارد ذكر شده است.

۱-۴ رنگ فيلترهاي نور
صافيهاي نور صفحه هاي شفاف به رنگ هاي مختلف هستند كه با توجه به رنگشان بعضي رنگها را جذب و بعضي را عبور مي دهند. در شكل ۴ مواردي از آن را مي بينيد. در عمل ممكن است كه احتياج به استفاده از چند فيتلر باشد.

پس از اين مقدمات، با تقسيم كلي روشها به دو قسمت عمده به توضيح آنها مي پردازيم:
الف- سيست مهاي مبتني بر سنسورهاي تشخيص رنگ شامل:

۱- سنسورهاي RGB
۲- فيلترهاي Optic
٣- تراش ههاي مخصوص
ب- استفاده از پردازش تصوير براي تشخيص رنگ
۲- سيستمهاي مبتني بر سنسورهاي تشخيص رنگ
۲-۱ سنسورهاي RGB

با برخورد فوتونهاي نور به يك پيوند pn انرژي آن در پيوند جذب م يشود و باعث جابجايي حاملها در آن م يشود. اين
امر باعث تغيير مقاومت پيوند م ي شود. هر كدام از نيم ه هاديهاي به كار رفته در پيوندهاي pn نسبت به طول موجهاي خاصي حساس م ي باشند كه در مورد طو ل موجهاي مرئي نور پيوندهاي سيليكوني بهترين حساسيت را دارند . به همين دليل از اين ماده در سنسورهاي نوري استفاده م يشود. با توجه به اينكه هر يك از رنگهاي نور داراي طول موج خاصي م يباشند، در نتيجه در اثر برخورد با پيوند pn هر يك انرژي خاصي را به پيو ند م يدهند و باعث ايجاد مقاومت خاصي م يشوند كه همين اصل پاية سنسورهاي RGB مي باشد. ساختار كلي يك سيستم تشخيص رنگ به روش RGB به صورت زير م يباشد. (شكل ۵)

طرز كار سيستم به اين ترتيب مي باشد:
۳ نور اصلي در واحد ۳ توليد م ي شوند و به جسم تابيده م ي شوند، اين نورها به سرعت توسط واحد ۲ مولتي پلكس
م يشوند، پس در هر لحظه تنها يك رنگ داريم . در اثر برخورد نور بازگشتي از جسم به سنسور حساس به نور كه بستگي به رنگ جسم دارد (رجوع كنيد به ۱-۳ رنگ اشياء) با توجه به طول موج رنگ مربوطه ، ميزان مقاومت سنسور به ميزان خاص تغيير م ي كند. براي جلوگيري از نويز نور محيط (كه حاوي تمامي طول مو ج ها م ي باشد) LED ها توسط يك نوسان ساز با فركانس خاص، مثلاًKHz ۴۰ درايو م يشوند و در قسمت ۶ نيز دقيقاً فيلتري قرار داده م يشود كه اين

فركانس را عبور م يدهد در نتيجه بعد از تقويت در قسمت ۵ تنها موج KHz ۴۰ كه همان موج بازگشتي در اثر يكي از LED ها است عبور م ي كند و بعد از دادن آن به يك مبدل (A/D ) (قسمت ۷) عددي ظاهر م ي شود كه پس از پردازش در ميكروكنترلر (قسمت ۸)مي توان رنگ را تشخيص داد.

به طور كلي ۴ نوع پركاربرد از سنسورهاي نوري وجود دارند كه م يتوانند در قسمت ۴ به كار برده شوند كه عبارتند از: LDR (مقاومت وابسته به نور)، ديود نوري، ترانزيستورهاي نوري و سلول خورشيدي (فتوسل) (شكل ٦)

 

۱- LDR : LDR به عنوان سلول نوري سولفيد كاديم (CdS) شناخته م ي شود. اين مقاومت نوعي ابزار الكتريكي نوري و غيرفعال است كه مقاومت آن در صورت وجود نور مرئي تغيير م ي كند. بسيار حساس م ي باشد و زمان پاس خ دهي در حدود
چند ميلي ثانيه دارد.
۲- ديودنوري: تمام اتصالات نيمه هادي سيليكوني كه در باياس معكوس مي باشند، ذاتاً حسا س به نورند و جهت
كاهش اين اثر ناخواسته با رنگ هاي تيره پوشانده م ي شوند. يك راه اساسي براي استفاده از ديود نوري در باياس معكوس با استفاده از يك مقاومت سري م ي باشد(شكل ۷- الف) در اثر تابش نور، امپدانس نسبتاً كم است و چند صد نانو آمپراز R1 م يگذرد و ولتاژي متناسب با آن در دو سر مقاومت وجود دارد . در محيط بدون نور ، امپدانس بسيار بالا بوده و جرياني از R2 نمي گذرد.

۳- فتوترانزيستور: اصولا به مشابه ديودنوري عمل مي كند و در واقع يك ترانزيس تور سيليكوني اصلاح يافته است كه يكي از اتصالات آن توسط نور قابل ر ؤيت است . چند راه اساسي استفاده از ترانزيستور نوري npn (شكل ۷-ب) آمده است. حساسيت يك ترانزيستور نوري معمولاً در حدود ۱۰۰ برابر بزرگتر از يك ديود نوري است ولي پاسخ فركان سي آن نسبتاً كندتر از يك ديود نوري است.
۴- سلولهاي خورشيدي: اين گونه سلولهاي خورشيدي عناصر ولتاژ نوري هستند كه مستقيماً نور را به انرژي الكتريكي
تبديل م يكنند و م يتوان آنها را براي داشتن مشخص ههاي مورد نظر (جريان و ولتاژ) با هم سري و موازي كرد(شكل ۷- ج)

در شکل ۸ (صفحه آخر)، يک نمونه از مدارات تشخيص رنگ بر اساس روشRGB را مي بينيم که در آن از ميکرو
PIC12CE674 استفاده شده است. سنسور به RG11 وصل مي شود و caley lamp براي كاليبراسيون به كار مي رود.
۲-۲ فيلترهاي Optic:
در اين روش با استفاده از خاصيت صافيهاي نور كه در قسمت ۱-۴ توضيح داده شد رنگ اجسام را تشخيص مي دهند. يك سيستم فيلتردار را مي توان به صورت زير نمايش داد: (شكل۹)

يك نمونة مدار از اين نوع را در شكل ۱۰ (صفحه آخر) م يبينيم كه بر اساس فيلترهاي نوري كار م يكند. همانطور كه م يبينيد خروجي اين سيستم در واقع بصورت ديجيتال به ما ارائه م ي شود، در صورتي كه در روش RGB خروجي آنالوگ بود و به يك مبدل A/D احتياج بود. البته عيب اين روش استفاده از تعداد بيشتري سنسور مي باشد. به طور مثال اگر جسم قرمز باشد فيلتر قرمز تنها نور قرمز را رد م يكند و فيلترهاي ديگر نوري را رد نم يكنند بنابراين: R=1 , G=0 , B=0 در نتيجه با Not كردن G,B و AND كل آنها خروجي كه ديود مشخص كننده Red است روشن مي شود و يا اگر جسم زرد باشد، نور زرد تركيبي از قرمز و سبز است، پس داريم:

كه خروجي زرد را روشن مي كند B=0, R=1, G=1 Not(b)AND(R AND G) =1
2-3 تراشه هاي مخصوص :

بسياري از كارخان ه هاي معروف ساخت سنسورها و ابزار دقيق براي اين منظور تراش ه هايي را طراحي كرد هاند كه به طوركامل كار دريافت و تجزيه تحليل و فيلتر كردن نور را انجام م ي دهند و به راحتي قابل نصب و بهر ه برداري م يباشند. در شكل ۱۱ نمونه هايي از اين سنسورها آورده شده است.به طور مثال سنسور MCS3AT از شركت LASER COMPONENT حاوي ۳ پيوند pn مي باشد كه روي آن فيلترهاي رنگ و لنز نيز موجود است و به راحتي با يك تقويت كننده مي توان آن را به كاربرد و سه رنگ اصلي را تشخيص داد(شكل ۱۲). بعلاوي پاره اي از اين سيستم علاوه بر تشخيص رنگ توانايي ارائه اطلاعاتي ديگر مانند فاصله جسم، سرعت و درخشندگي و … را نيز دارند كه مي تواند بسيار مفيد باشد.

 

۳- استفاده از پردازش تصوير براي تشخيص رنگ اجسام
پردازش تصوير عبارت از تجزيه و تحليل تصاوير ديجيتال م ي باشد كه م ي تواند توسط كامپيوتر يا تراش ه هاي مخصوص كه (Digital Signal Presscor ) DSP نام دارند انجام شود. ساختار كلي يك سيستم پردازش تصوير به صورت زير مي باشد:

البته يك تفاوت عمده بين اين روش و روشه ا ي ديگر وجود دارد و آن قابليت برنام هريزي آن م يباشد كه در سنسورها
اين خاصيت وجود ندارد و تنها براي كاربردهاي خاص م ي توانند به كار بروند . براي پردازش تصوير توسط كامپيوتر اززبانهاي برنام هنويسي م يتوان استفاده كرد كه دستورهاي خاصي براي اين منظور نيز وجود دارد و يا در استفاده از DSP بايد از زبان اسمبلي خاص آنها استفاده كرد كه به مراتب پيچيد ه تر از زبانهاي ساخت يافتة كامپيوتري مي باشد ، منتها DSP بسيار سريعتر از كامپيوتر م يباشد و نيازي به كارت رابط مخصوص (Frame Grabber) ندارد. براي تشخيص رنگ از روش ه اي RGB, HIS, YUV, HSY استفاده مي شود. عوامل زير در تشخيص رنگ توسط پردازش تصوير تاثير دارند كه عبارتند از:

۱- دوربين مورد استفاده
۲- نوع كارت Frame Grabber كه براي ديجيتال كردن تصوير مورد استفاده قرار مي گيرد.
۳- شرايط نوري محيط

دو مورد اول ثابت هستند و مورد سوم در بعضي روش ها اثر گذا ر است و بعضي روش ها خود را به طور اتوماتيك با
شرايط نوري تنظيم م يكنند و يا م يتوان آن را به طور دستي تنظيم كرد.
۳-۱ استفاده مستقيم از RGB :

خروجي بسياري از دوربينهاي CCD موجود در بازار بصورت RGB مي باشد يعني خروجي كارت Frame Grabber هر نقطه را با ۲۴ بيت نشان م ي دهد كه هر ۸ بيت مشخ ص گر ميزان هر يك از ۳ رنگ اصلي م ي باشد . رو شهاي ديگر با فرمولهايي از همين روش مشتق م يشوند. مشكل اين روش آنست كه اگر ما براي هر رنگ R, G, B خاص در نظر بگيريم و جدولي را براي رن گهاي مختلف در نظر بگيريم، نقاطي را خواهيم داشت كه R, G, B منطبق با جدول نخواهند داشت و درنتيجه دقت مورد نظر ما حاصل نمي شود.

۳-۲ سيستم HIS :
سيستم HIS از سيستم RGB منظ متر است و در نمودار آن نقاط هم رنگ تقريباً كنار هم هستند. در اين سيست م پارامترهانشانگر اين معاني می باشند:
Hue : نشانگر خود رنگ م ي باشد، به عنوان مثال يعني براي هر رنگ يك بازه روي H وجود دارد كه نشانگر آن رنگاست. البته اين حرف مقداري خطا دارد و رنگ يك نقطه كمي به مقادير S, I آن بستگي دارد.

Saturation : نشانگر درجة خلوص رنگ م يباشد، يعنی هر چه S كمتر باشد، رنگ بيشتر به خاكستري نزديك م يشود.
Intensity : نشانگر شدت و ميزان روشنايي رنگ م يباشد.

مشكل اين روش ، احتياج به محاسبات زياد ی م ي باشد كه باعث كندي سيستم كنترلي م ي شود و يا احتياج به پردازند ه اي قوي خواهد داشت.
۳-۳ روش هاي HSY, YUV :

در روش HSY به جاي پارامتر I از پارامتر Y استفاده مي شود. برد پارامتر Y از I گسترده تر است و به همين دليل قابليت تفكيك بيشتري نسبت به I دارد ولي حساسيت آن نسبت به نور بيشتر است. روش YUV نيز به اين دليل استفاده مي شود كه به عنوان خروجي استاندارد بسياري از دوربين ها وجود دارد و روند تبديل HIS به RGB را لازم ندارد.
۳-۴ رفع خطاي تشخيص رنگ:

براي تشخيص رنگ يك نقطه چون ممكن است كه noise در تصوير باشد ، از اين روش استفاده م ي شود كه مرب ع هاي كوچكي در همسايگي آن نيز چك م يشوند و رنگي كه بيشترين تعداد را دارد، به عنوان رنگ اين نقطه برگشت داده م يشود.
۴- نتيج هگيري

در نهايت ما سيست م هاي بسياري را براي تشخيص رنگ اجسام بررسي كرديم كه هر يك مزايا و معايب خود را دارند .
اما تحقيق و بررسي در راستاي ساخت سيستمي كه بتواند تمام رنگها را تشخيص دهد و خروجي تفكيك شده عالي را ارائه
دهد، هنوز محقق نشده است و احتياج به تحقيقات و بررس يهاي بيشتر دارد.
۵- مراجع

[۱] 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 ، الكترونيك نوري، انتشارات کانون نشر علوم
[۴‍] سايتهای مربوط در اينترنت