CN114441038A - 一种基于颜色传感器的xyz三刺激值测量仪 - Google Patents
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Abstract
一种基于颜色传感器的XYZ三刺激值测量仪，其特征在于，包括外壳、内筒、光源、滤光片、透明罩、颜色传感器、处理芯片，内筒设置在外壳的内部，并与外壳同轴心设置，光源设置在外壳与内筒之间，颜色传感器设置在内筒内，处理芯片与颜色传感器、光源相连接，用于控制光源的光照强度以及XYZ三刺激值计算。采用以上方案，结构布局合理紧凑，不仅整体体积小、重量轻，便于携带，而且结构稳定，能够保证颜色采集的可重复性和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及颜色测量技术领域,具体涉及一种基于颜色传感器的XYZ三刺激值测量仪。
背景技术
颜色在生活中随处可见，它是人类感受事物的主要因素，同时也是对物体最直观最简洁的分辨。以前，我们对于颜色的认识只限于感性的认知。实际上，颜色与多门学科都是息息相关的，这促使了我们对颜色科学的探究，使人们可以更深入地了解并应用颜色。
现代化工业生产中，各个行业对传感器的应用越来越多、越来越复杂，所以对颜色传感器的精度、可靠性的要求也越来越高。颜色传感器在工业机器人、生产自动化和办公自动化中都发挥着巨大的作用。目前，基于各种原理的颜色传感器分为两种类型：一种是用于测量颜色三刺激值的RGB(红色、绿色、蓝色)颜色传感器；另一种是色差传感器。色差传感器通过检测被测物体与标准颜色的色差，并不需要确切了解被测物的具体颜色，而只需要对两个物体的色差进行识别与判断，区别出从一种颜色到另一种颜色的变化。其中，双PN结的光敏传感器可以判断物体表面之间的色差，其信号处理电路包括单片机处理电路、A/D转换电路以及模拟放大电路，常见的类型有反射板型、漫反射型和光纤型等，把电路封装在金属和高透光性的聚碳酸酯外壳中。
对于目前市场上已有的颜色测量仪器来说，虽然颜色检测精度较高，但颜色检测系统的结构通常会比较复杂，使用不方便、成本高，因此，体积小又相对高精度的颜色检测仪器将具有较高的应用价值，并对现代色彩识别技术的发展有重要的意义。
发明内容
为了克服背景技术的不足，本发明提供一种基于颜色传感器的XYZ三刺激值测量仪。
本发明所采用的技术方案：一种基于颜色传感器的XYZ三刺激值测量仪，包括
不透光的外壳，其内部形成有下端开口的容置腔；
不透光的内筒，其设置在外壳的内部，并与外壳同轴心设置；
若干光源，其设置在外壳与内筒之间；
滤光片，其设置在外壳内，并位于光源下方；
透明罩，其设置在外壳内，并位于滤光片、内筒下方；
颜色传感器，其设置在内筒内；
处理芯片，其与颜色传感器、光源相连接，用于控制光源的光照强度以及XYZ三刺激值计算。
所述外壳下部呈开口逐渐缩小的锥形结构，所述外壳下部开口与内筒相对齐。
所述光源采用至少设有4个色温6000K的白色LED灯，每个白色LED灯的光照强度均不相同。
所述颜色传感器采用型号为TCS34725的颜色传感器。
XYZ三刺激值测量方法如下：
1)通过颜色传感器获得RGB信号值；
2)将RGB信号值转变为三刺激值，其计算公式为
H＝PM；
其中，P为RGB信号矩阵，H为三刺激值矩阵，M为转换矩阵。
借助240色卡，并通过多项式回归模型公式获取转换矩阵M；多项式回归模型的公式如下：
其中，R、G、B是颜色传感器的输出信号，X、Y、Z是样本色卡的三刺激值，c是多项式所有项中的最高的幂次和，J1、J2、J3为整数，aX,J1,J2,J3，aY,J1,J2,J3，aZ,J1,J2,J3为待定系数；
得到240色卡中每个色块的XYZ值后，计算转换矩阵M，转换矩阵M的计算公式如下：
M＝(PTP)-1PTH；
其中，PT表示的P转置。
RGB信号矩阵P的向量扩展项数为20项。
本发明的有益效果是：采用以上方案，不仅体积小、重量轻，便于携带，而且能够保证颜色采集的可重复性和准确性，颜色检测精度高。
附图说明
图1为本发明实施例XYZ三刺激值测量仪的结构示意图。
图2为本发明实施例光源的电路设计图。
图3为本发明实施例不同多项式项数下的CIELAB色差和CIEDE2000色差表。
具体实施方式
如图1所示，一种基于颜色传感器的XYZ三刺激值测量仪，包括外壳1以及安装在外壳1内的内筒2、若干光源3、滤光片4、透明罩5、颜色传感器6、处理芯片。
所述外壳1采用颜色为黑色的不透光材质制作而成，其内部形成有下端开口的容置腔。所述外壳1上半部大致呈环形结构，所述外壳1下半部呈从上至下逐渐缩小的锥形结构，外壳1上方通常还设有顶盖(图中未画出)，顶盖底部可以安装线路板，光源3、颜色传感器6、处理芯片等均可以通过安装在顶盖底部的线路板上而对应设置于外壳1内，这样更加方便安装。
所述内筒2同样采用颜色为黑色的不透光材质制作而成，其设置在外壳1的内部，并与外壳2同轴心设置，且内筒2与外壳1下部开口对齐。
所述光源3设置在外壳1与内筒2之间的位置，所述光源3采用四颗色温为6000K的白色LED灯，其电路设计如图2所示，每颗白色LED灯的电阻阻值不同，因此其照明强度不同，可以通过程序控制白色LED灯实现照明强度的调节，每颗白色LED灯的电阻阻值可以根据实际需要的发光强度进行合理选择设计。当然，白色LED灯的数量不局限与4颗，也可以是5颗甚至更多。
所述滤光片4设置在外壳1内，并位于光源3下方。所述滤光片4呈环形结构，所述外壳1内壁形成有限位台阶，所述滤光片4套设在内筒2外，并嵌设在外壳1内与限位台阶限位配合。
所述透明罩5采用透明玻璃，其嵌设在外壳1内，并位于滤光片4、内筒2下方位置。
所述颜色传感器6设置在内筒2内，其具体采用型号为TCS34725的颜色传感器，用于颜色信号采集。
所述处理芯片(图中未画出)与颜色传感器6、光源3相连接，用于控制光源3的光照强度以及XYZ三刺激值计算。
所述光源3用于照明，其光线经滤光片4、透明罩5后能够照射到待检测产品的表面，待检测产品表面反射回的光线则通过内筒2射向颜色传感器6，颜色传感器6接收到反射光后，能够采集待检测产品的颜色，获取RGB信号值，颜色传感器6同时能够将获取的RGB信号值发送至处理芯片，处理芯片通过换算，便可得到准确地XYZ三刺激值，实现XYZ三刺激值测量。
上述结构的XYZ三刺激值测量仪，结构布局合理紧凑，不仅整体体积小、重量轻，便于携带，而且结构稳定，能够保证颜色采集的可重复性和准确性。
其中，XYZ三刺激值的计算可以采用多项式回归模型进行颜色特征化计算，任意一个颜色的线性RGB信号值归一化后可以由1×3的向量[R G B]表示，相应的三刺激值可以由向量[X Y Z]表示，因此n个颜色的RGB信号值能够构造n×3的矩阵P和相应的三刺激值矩阵H n×3。
因此，XYZ三刺激值测量方法如下：
1)通过颜色传感器获得RGB信号值；
2)将RGB信号值转变为三刺激值，其计算公式为
H＝PM；
其中，P为RGB信号矩阵，H为三刺激值矩阵，M为转换矩阵。
转换矩阵M可以借助GretagMacbeth 240 ColorCheck色卡，并通过多项式回归模型公式获取，多项式回归模型的基本公式如下：
其中，R、G、B是颜色传感器的输出信号，X、Y、Z是样本色卡的三刺激值，c是多项式所有项中的最高的幂次和(c＝1，2…17)，J1、J2、J3为整数，aX,J1,J2,J3，aY,J1,J2,J3，aZ,J1,J2,J3为待定系数。
比如当c＝1时，上述公式具体会转变成如下公式：
得到240色卡中每个色块的XYZ值后，计算转换矩阵M，转换矩阵M的计算公式如下：
M＝(PTP)-1PTH；
其中，PT表示的P转置。
RGB信号矩阵P的向量是可扩展的，增加更多扩展项会影响特征化的精度。向量中添加通道的高阶项、高阶项之间的乘积和通道之间的交叉项，例如RR、GG、RGB、RB、GB等。同时，随着项数的增加，转换矩阵的容量和计算量也随之增加。如果RGB信号矩阵P的项数扩展为m项，那么转换矩阵M对应变为m×3矩阵。
根据图3可知，当多项式回归模型为20项时，CIELAB平均色差为3.32，CIEDE2000色差为2.32。如果不断的增加多项式项数，色差还会有所减小，但是增加项数的同时也增加了计算量，而且会出现过拟合的现象。
由于上述XYZ三刺激值测量仪体积小，其所选用的处理芯片也需要选择小型的芯片，因此芯片处理计算和数据处理速度受限。如果计算量太大，芯片的计算速度会大幅下降，造成整体系统反应变慢。
因此，将多项式项数选择为20，既不会有大量的计算，也保有一定的精度。当多项式项数为20时，多项式的项分别为1、R、G、B、RR、GG、BB、RG、RB、GB、RRR、GGG、BBB、RRG、RRB、GGB、GGR、BBR、BBG、RGB。
各位技术人员须知：虽然本发明已按照上述具体实施方式做了描述，但是本发明的发明思想并不仅限于此发明，任何运用本发明思想的改装，都将纳入本专利专利权保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于颜色传感器的XYZ三刺激值测量仪，其特征在于，包括
不透光的外壳(1)，其内部形成有下端开口的容置腔；
不透光的内筒(2)，其设置在外壳(1)的内部，并与外壳(2)同轴心设置；
若干光源(3)，其设置在外壳(1)与内筒(2)之间；
滤光片(4)，其设置在外壳(1)内，并位于光源(3)下方；
透明罩(5)，其设置在外壳(1)内，并位于滤光片(4)、内筒(2)下方；
颜色传感器(6)，其设置在内筒(2)内；
处理芯片，其与颜色传感器(6)、光源(3)相连接，用于控制光源(3)的光照强度以及XYZ三刺激值计算。
2.根据权利要求1所述的一种基于颜色传感器的XYZ三刺激值测量仪，其特征在于，所述外壳(1)下部呈开口逐渐缩小的锥形结构，所述外壳(1)下部开口与内筒(2)相对齐。
3.根据权利要求1所述的一种基于颜色传感器的XYZ三刺激值测量仪，其特征在于，所述光源(3)采用至少设有4个色温6000K的白色LED灯，每个白色LED灯的光照强度均不相同。
4.根据权利要求1所述的一种基于颜色传感器的XYZ三刺激值测量仪，其特征在于，所述颜色传感器(6)采用型号为TCS34725的颜色传感器。
5.根据权利要求1所述的一种基于颜色传感器的XYZ三刺激值测量仪，其特征在于，XYZ三刺激值测量方法如下：
1)通过颜色传感器获得RGB信号值；
2)将RGB信号值转变为三刺激值，其计算公式为
H＝PM；
其中，P为RGB信号矩阵，H为三刺激值矩阵，M为转换矩阵。
6.根据权利要求5所述的一种基于颜色传感器的XYZ三刺激值测量仪，其特征在于，借助240色卡，并通过多项式回归模型公式获取转换矩阵M；多项式回归模型的公式如下：
其中，R、G、B是颜色传感器的输出信号，X、Y、Z是样本色卡的三刺激值，c是多项式所有项中的最高的幂次和，J1、J2、J3为整数，aX,J1,J2,J3，aY,J1,J2,J3，aZ,J1,J2,J3为待定系数；
得到240色卡中每个色块的XYZ值后，计算转换矩阵M，转换矩阵M的计算公式如下：
M＝(PTP)-1PTH；
其中，PT表示的P转置。
7.根据权利要求6所述的一种基于颜色传感器的XYZ三刺激值测量仪，其特征在于，RGB信号矩阵P的向量扩展项数为20项。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116105977A (zh) * | 2022-12-29 | 2023-05-12 | 苏州欧普照明有限公司 | 光源参数测量方法、装置、电子设备及存储介质 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105606543A (zh) * | 2016-03-29 | 2016-05-25 | 温州大学 | 一种便携式香蕉成熟度检测仪 |
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| CN116105977A (zh) * | 2022-12-29 | 2023-05-12 | 苏州欧普照明有限公司 | 光源参数测量方法、装置、电子设备及存储介质 |
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