طراحي و ساخت سيستم تشخيص رنگ گويا براي نابينايان

چكيده:
بر طبق آمار موسسه بين المللي نابينايان، ضعف يا عدم بينايي يكي از متداول ترين ناتوانايي ها در سطح جهان است. افراد نابينا نيز مانند همة انسانها به اطلاعات نيازمندند و يكي از مهمترين اطلاعات مورد نياز آنها درك آنان از رنگها و نيازشان به دانستن تمايز بين اشيا و لوازم بر مبناي رنگشان است. در اين پروژه سعي شده ابزاري ارائه كردد كه بوسيلة آن بتوان رنگها را شناسايي و با يك سيستم صوتي و از طريق شنوايي به اطلاع فرد نابينا رساند. اين سيستم به صورت كوچك و قابل حمل و با قيمت تمام شدة مناسب مي تواند به كمك افراد نابينا برآيد. ساختار كلي اين ابزار شامل سخت افزار آشكارسازي رنگ با كمك فيلترهاي رنگي، سيستم كدينگ جهت ارسال كد آدرس رنگ آشكار شده و نهايتاً يك سيستم صوتي شامل يك IC توليد صورت و يك بلندگو مي باشد. نتايج تستهاي انجام شده نشاندهندة دقت مناسب سيستم گوياي رنگ جهت كاربرد مورد نظر است.

 

تكنيك به كار رفته در دريافت كننده رنگ ها:
راههاي زيادي براي دريافت نور از يك سطح وجود دراد. تعدادي از اين تكنيك ها را در زير مي آوريم:
۱- monolithic photo diode with light source and litter
نور از يك سطح گداهته ساطع شده و سپس منعكس مي شود. فوتوديودها نور گذرنده از فيلترهيا رنگي را دريافت كرده و به ولتاژ در خروجي تبديل مي كند. با افزايش شدت نور به صورت خطي افزايش مي يابد. به ازاي شدت هاي نور متفاوت ولتاژ خروجي متفاوت خواهد بود و بر همين اساس رنگهاي آشكار شده تشخيص داده مي شوند.
۲- Spectral Radioneter

انرژي نور را در رديف طول موجهاي طيف نور مرئي اندازه مي گيرد.
۳- Digital camera
يكي ديگر از راههاي آشكارسازي رنگ، تنظيم يك دوربين روي سطح و تجزيه و تحليل اطلاعات دريافت شده است. اين يك راه بسيار دقيق با امكان تشخيص رنج وسيعي از رنگها مي باشد، و همچنين بسيار گران
۴- LDR with colour litters:

سه فيلتر رنگي را در مقابل يه مقاومت نوري قرار مي دهند. فيلترها فوتوريجسترها را مي پوشانند. بنابراين وقتي نور از سطح به رجيستر خط مي رسد ابتدا از فيلترها عبور مي كند كه قرمز، سبز و آبي خواهد بود.
تكنيك هاي به كار رفته در پروژه:
از ميان تكنيكهاي مختلفي كه در بالا بحث شد، تكنيكي كه در آن از مقاومت هاي نوري به همراه فيلترهاي رنگي استفاده مي شود، در اين پروژه به كار رفت. اگرچه روشهاي براي آشكارسازي رنگ مناسبل اند ولي بسيار گران قيمت و پيچيده اند. اين محصول بايستي بسيار كوچك و قابل حمل باشد.
خروجي اين سيستم همچنين بايد نامرئي باشد. بدليل استفاده نابينايان از آن، اين تكنيك انتخابي در اين پروژه بدليل سهولت كاربرد و قيمت پايين به كار رفت.
ابزار و وسايل متنوعي براي سنجش رنگ وجود دارد. به طور كلي مي توان آنها را در سه گروه زير دسته بندي كرد:

۱٫ Colormeters
2. Spectroradiometers
3. Spectrophotometers
در تكنيم Tristimulus colormeter يك منبع نور فيلتر شده به همراه سه يا چهار آشكارساز فيلتر شده كه پاسخ طيفي را اصلاح مي كند و آنرا به استانداردهاي CIE نزديك مي كند. اين روش اندازه صحيحي از تعداد رنگ را در اختيار ما قرار مي دهد ولي هيچ اطلاعات پايه اي و اساسي داده هاي طيف را به ما نخواهد داد.
اين روش جهت اندازه گيري و سنجش رنگ سطوح و اجسام درخشان به كار مي رود. از مزاياي اين تكنيك سرعت، سهولت كار و امكان تكرارپذيري آن در سنجش مي باشد. بهمين دليل اين روش براي منترل كيفيت بويژه تغيير رنگ تدريجي بسيار مناسب است.

Spectroradiometer: ابزاري است كه براي اندازه گيري مقدار تشعشعات در پهناي باند كم طيف بر اساس طول موج طراحي شده است. اطلاعات حاصل از اين وسيله به منظور اندازه گيري و سنجش رنگ اجسام درخشان، تعيين رنگهاي وابسته به دما و رنگهاي جسم اجسام گداخته به كار مي رود.
Tele spectroradiometer: اين وسيله شبيه spectroradiometer است كه حاوي يك تلسكوپ نيز مي باشد كه به منظور سنجش رنگ اجسامي كه در فواصل دور و خارج از ميدان ديد را هستند. اين ترتيب آنها را براي آزمايشات عيني مناسب ساخته است. از معايب اين ابزارها كاليبراسيون طاقت فرسا و خسته كنندة آن و عدم مطابقت با استانداردهاي روشنايي و ديد هندسي مي باشد كه اين روش را در مقايسه با روشهاي مشابه نامطمئن ساخته است.

اين وسيله به منظور مقايسه طول موج ها در طول مدت زماني كه جسم توان نوراني از دست مي دهد، به كار مي رود. ميزان بهره توان نوراني كه جسم از دست مي دهد به منظور سنجش رنگ سطوح از اهميت زيادي برخوردار نخواهد بود. از مزايا و محاسن مهم روش spectrophotometer يا spectroradiometer بر colorimeter كاربردي بودن آن و توانايي آنها براي آشكارسازي امواج نوراني ساطع شده و محاسبه ميزان رنگ براي مشاهدان و درخشش هاي متنوع مي باشد.

همه ابزارهاي رنگ اساساً از يك منبع تابش، يك جسم (براي سطح رنگها)، يك تيم اپتيكي براي تفكيك طول موجها و آشكارسازهاي نور تشكيل شده است. براي طراحي هر يك از اين بخشهاي سازنده به اطلاعاتي در مورد رنج طيف مورد نياز، حساسيت، رزولوشن و تكرارپذيري روش نيازمنديم.
به منظور دستيابي به بالاترين دقت در اين روش رنج طيف بايستي بين

nm380-360 همراه با باند nm1 باشد. البته اغلب كاربردهاي سنجش رنگ سطوح طيفي با رنج nm760-380 با پهناي باند nm5 و فاصله اندازه گيري nm5 مافيست.
منبع تابش معمولاً يك لامپ تابنده يا يك لامپ هلالي شكل كزنون مي باشد كه بصورت پالسي يا پيوسته است. طيف خروجي لامپهاي تابنده (منبع تابش) نرم و قابل پيش بيني اند در حاليكه طيف لامپهاي كزنون نامنظم اند بهمين دليل توليد طول موج كاليبره بسيار مهم مي باشد. يك لامپ با نور پيوسته عموماً بسيار پايدارتر از لامپ با نور پالسي شكل است. همين دوره تناوب كوتاه، لامپهاي پالسي شكل، آنها را جهت اندازه گيري و سنجش سريع و on-line مناسب ساخته است. اين لامپها بدليل توليد حرارت بسيار كم در بخش رنگهاي حساس به دما بسيار كاربرد خواهند داشت. در اغلب موارد لامپهاي ويژه اي به كار مي روند كه بسيار پايدارتر و داراي طول موج هاي خاص در رنج مورد علاقه مي باشند.

تفكيكي طول موج با وسايل مختلفي امكانپذير مي باشد، مانند فيلترها، تيغه ها، منشورها و گريدها.
روش تفكيكي براي تفكيك طول موجها به عواملي چون رنج طيف مورد نياز، رزولوشن، ميزان نور انحرافي و قيمت بستگي دارد. در بسياري از كاربردهاي سنجش رنگ مانند دسته بندي، پردازش يا كنترل كه در پهناي باند كم به كار مي روند، استفاده از تيغه ها يا فيلترها كفايت مي كند. مثلاً در يك وسيله سنجش رنگ وجود ۱۶ فيلتر در فاصله nm20 براي تحت پوشش قرار دادن رنج nm700-400 كافي است.

جهت اندازه گيري در رنج بزرگتري از طول موج ها (فرابنفش تا فروسرخ) يا جهت رزولوشن بالاتر، از منشور يا گريدها استفاده مي شود. ترتيب استفاده از گريدها در سيستم اين است كه پرتوهاي پراكنده تقريباً خطي مي شوند. آشكارسازهايي در ابزارهاي تشخيص رنگ به كار مي روند عموماً چند برابر كننده هاي نوري، فوتوديودهاي سيليكوني يا ديودهاي ماتريسي مي باشند. چند برابر كننده هاي نوري عموماً در spectrophotometer و spectriadiometer ها به كار مي روند به دليل حساسيت بسيار بالا و نويز پايين سيم.

اما اين چندبرابر كننده ها داراي رنج ديناميكي محدود براي پاسخ خطي هستند و داراي ابعاد بزرگ مي باشند. در ضمن بسيار شكننده و حساس در برابر اثرات ميدان مغناطيسي مي باشند. اما فوتوديودهاي سيليكوني اين معايب را ندارند ولي از حساسيت كمتري نسبت به چند برابر كننده هاي نوري برخوردارند. از مزاياي فوتوديودهاي سيليكوني، قيمت كم، ابعاد كوچك و پايداري طيف آنها مي باشد كه آنها را جهت سنجش رنگ مناسب ساخته است.

در بسياري از spectrophotometer و spectriadiometer آشكارسازهاي ماتريسي به كار رفته است. از مزاياي سيتمهاي ماتريسي اين است كه در كسري از ثانيه يا كمتر (ميلي ثانيه) مي توان طيف نوري مرئي را بدست‌آورد. اين سيستم براي تصويربرداري (on-line) و بررسي حركات بسيار مفيد مي باشد. آشكارسازي هاي ماتريسي كه در سنجش و اندازه گيري رنگ كاربرد دارند در رزولوشن طيف توليدي محدوديت ايجاد مي كنند.
بخشهاي مختلف دستگاه:
– قسمت تغذيه
– Light Source
– فيلترهاي رنگي (R,G,B)
– محفظه ايزولاسيون نوري (mouse)
– فوتوسل ها و مدار باياسينگ آن (حسگر نور)
– مدار مقايسه گر
– مدار توليد صوت
قسمت تغذيه:
در اين قسمت براي تغذيه از يك IC (رگولاتور) ۷۸۱۲ استفاده شد.
تعريفي از عملكرد قسمتهاي بلوك دياگرام:

Light Source:
LEDها كم رنگند. رنگ از طريق باند كپي كه در ساختار نيمه هاديها به كار مي رود، مشخص مي شود. ledهاي قرمز، سبز، زرد و آبي رايج اند. نور سفيد شامل همه رنگهست و بصورت مستقيم نمي توان آنرا از يك LED بدست آورد. LED نور سفيد واقعاً سفيد نيست. LED سفيد در حقيقت LED آبي رنگ نيتريد گاليم با پوششي از فسفر است كه وقتي با LED نور آبي برانگيخته مي شود، علاوه بر طيف وسيعي از نور آبي كه گسيل مي كند نور نسبتاً سفيدي توليد مي شود. نور حقيقي سايه اي از رنگ آبي را داراست (مشابه رنگ لامپهاي بخار جيوه اي در خيابان ها) در منحني نشان داده شده، پيك منحني در قيمت چپ منحني كوتاهترين طول موج نور آبي از LED است. تجمع گسيل در سمت راست بلندترين طول موج گسيل شده از فسفر مي باشد.

زاويه دثيود روشنايي LED ها معمولاً به نسبت عكس تغيير مي كنند. زاويه ديد بزرگتر در روشنايي كمتر حاصل مي شود. زيرا ميزان كل نور خروجي LED در سطح وسيعتري پخش مي شود. براي چراغهاي جلوي اتومبيل زاويه ۰۲۰ اختصاص يافته است كه اين زاويه ديد كمترين زاويه ديد در دسترس است كه پرتو نور شديدي را در جلوي اتومبيل فراهم مي كند. شدت نور در واحدي به نام Candle Power رده بندي مي شود. يك پرتو ويژه نور LED در رنج (mcd5600-4000) مي باشد. اندازه كمترين پهناي باند پرتو را مشخص مي كند. يك ديود بزرگ با لنز نيبتاً بزرگ توانايي كانوني كردن يك پرتو باريك را دارد.

به طور مثال در موارديكه چراغ جلوي اتومبيل در اندازه بزرگ به كار مي رود، يك پكيج ديود Dmm كافيست. پكيج ديود mm10 كه پرتو باريك تري را فراهم كند در دسترس مي باشد.
LED هاي سفيد با پرتو متراكم، نأثير معكوسي دارند. هرچه دسته پرتو باريك تر و متراكم تر باشد صفحه نمايش درحاليكه خارج از زاويه ديد به آن نگاه شود، تاريك تر به نظر مي رسد. LEDهاي رايج با زاوية مثل Bachman و Aristo در طول روز، زماني كه خارج از زاويه ديد به آنها نگاه شود، روشنتر از LED هاي سفيد با پرتو متراكم به نظر مي رسد. اين مسئله به اين علت است اين نوع LEDها نور را در تمام جهات منتشر مي كنند. مع الوصف LED هايي با زاويه ديد باز نمي توانند هر نوع دسته اشعه اي را در تاريكي منتشر كنند. LEDهاي سفيد كه دراي لنز با اشكال متفاوتند، زاويه ديد بازتري دارند اما نور را به صورت يك دسته اشعه متراكم نمي كنند.