rgb сенсор что это

Инструменты пользователя

Инструменты сайта

Содержание

Датчик цвета

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Описание

Белый свет состоит из всех цветов радуги. Когда свет падает на поверхность, некоторые цвета поглощаются, а некоторые отражаются. Отраженные цвета – это цвета воспринимаемого нами объекта. Для измерения и определения количества цвета с помощью электронной схемы, вам необходимо измерить интенсивность различных длин волн света, отраженного от поверхности. Самый простой способ сделать это – осветить поверхность разными цветами и измерить, какой из цветов поверхность отражает лучше. Измеряя отраженный свет для каждого цвета можно вычислить цвет объекта.

Для улучшения результатов измерений следуйте следующим советам:

Подключение

Датчик использует два стандартных 3-пиновых разъема, однако, подключается не совсем обычно:

Коннектор 1 (без цветового обозначения) подключается в любой из портов IN контроллера «Трекдуино», сигнальный провод этой шины подключен к фоторезистору, поэтому, подключив только эту шину, вы сможете использовать датчик как датчик освещенности.

Коннектор 2 (с цветовой маркировкой) служит для управления трехцветным светодиодом. Каждый из проводов подключен напрямую соответствующему каналу светодиода. Наклейка с цветовой маркировкой на коннекторе указывает, к какому из каналов соответствует каждый из проводов. Подключается в любые три порта OUT и в любые порты IN контроллера «Трекдуино». Подключается горизонтально в верхнюю (сигнальную, «S») линию контактов.. Для того, чтобы использовать только RGB-светодиод, коннектор №1 все равно придется подключить, т.к. земляной провод (GND) общий для светодиода и фоторезистора.

Программирование

Блоки, необходимые для работы с датчиком цвета, расположены в группе блоков «Датчики».

Калибровка

Каждый раз при перезагрузке программы, использующей датчик цвета, в момент выполнения блока Настройка датчика цвета будет производится калибровка датчика под текущие условия освещения. Процедура калибровки выполняется следующим образом:

Для удобной работы с датчиком, сделайте 2 карточки 5х8 см. черного и белого цвета.

Блок и генерируемая функция	Описание

Выполняется привязка датчика к конкретным портам и процедура калибровки.

Выполняет сканирование поверхности и возвращает условный номер определенного цвета:

Источник

RGB-сенсор на светодиодах

Texas Instruments LM358 OPT101 TL431A

В статье описывается RGB-сенсор падающего светового потока, использующий цветные светодиоды в качестве узкоспектральных фоточувствительных элементов.

В процессе макетирования RGB-сенсора были проверены светодиоды из имеющихся в наличии партий. Однако самые лучшие результаты получены c noname сверхъяркими цветными светодиодами диаметром 3 мм, приобретенными на AliЕxpress (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Спектральная характеристика RGB-сенсора.

Для R-сенсора использован красный светодиод, для G-сенсора – желтый, а в качестве В-сенсора – желто-зеленый. RGB-сенсор изготовлен в виде работающей конструкции c размерами 80×100×30 мм и используется в практической деятельности лаборатории (Рисунок 2).

Фоточувствительные элементы снабжены 10-градусными объективами, заключенными в тубусы, защищающими их от боковой засветки.

Рисунок 2.	Внешний вид RGB-сенсора.

Принципиальная схема RGB-сенсора представлена на Рисунке 3. Каналы R, G, B идентичны, за исключением величины резистора R7, которая указана условно и зависит от чувствительности использованных светодиодов. Конденсатор С1 ограничивает полосу пропускания усилителя и не является обязательным. Резистор R3 служит для установки нуля на выходе усилителя A2 при затемненном фотоприемнике V1. Хотя включение фотоприемника в фотовольтаическом режиме обеспечивает нелинейное преобразование светового потока в напряжение, однако обеспечивает высокую чувствительность и низкий уровень собственных шумов.

Рисунок 3.	Принципиальная схема RGB-сенсора.

При конструировании сенсора главное внимание нужно уделять экранировке платы, включая объективы в зоне установки фотоприемников. Плохая экранировка не позволит получить корректные результаты!

Настройка

Важнейшим этапом изготовления RGB-сенсора является процесс настройки, для которой нам будет нужен источник RGB света на основе мощных цветных светодиодов, ток через которые регулируется в широких пределах.

Для получения корректных и стабильных результатов в процессе настройки требуется лабораторный стенд, который в простейшем случае представляет собой отрезок мебельной панели длиной 50 см, на одном конце которой будут размещены и зафиксированы источники света, на другом – фотоприемники. Светодиоды RGB-излучателя должны быть закреплены на радиаторах, исключающих повышение температуры кристалла выше 50 градусов, так как повышение температуры сопровождается изменением яркости, и результаты будут «плыть». На светодиоды установлены 10-градусные объективы (без линз), наружный торец которых заклеен светорассеивающей пленкой, например, малярным скотчем, который достаточно прозрачен для света. Таким образом мы получаем плоский косинусный источник света, не имеющий четко выраженной диаграммы направленности.

Для измерения освещенности нам потребуется фотометр, описанный в конце статьи, так как недорогие люксометры имеют зависимость показаний от длины волны падающего излучения и для наших целей непригодны.

Первый этап настройки

Расположив фотометр на расстоянии 30 см от блока светодиодов, как это показано на Рисунке 4а, поочередно включаем светодиоды, каждый раз располагая фотометр на геометрической оси излучателя (желательно эти оси обозначить до начала настройки). Запоминаем токи светодиодов, при которых световой поток F от них будут одинаков, т.е. Φ_R = Φ_G = Φ_B.

Рисунок 4.	Положение приборов на стенде при настройке RGB-сенсора.

Измерение должно быть кратким, чтобы не допустить изменения светового потока из-за разогрева кристалла светодиода.

Второй этап настройки

На место фотометра ставим собранный и помещенный в корпус RGB-сенсор, так, как показано на Рисунке 4б. Включаем красный излучатель и изменяем сопротивление R7 для получения нужного усиления. Запоминаем выходное напряжение красного канала U_R. Повторяем эти операции для зеленого и синего каналов, регулируя сопротивления R7 для получения на выходе каналов напряжения, равного напряжению U_R, т.е. U_G = U_B = U_R.

Полосу пропускания усилителей сенсоров регулируем конденсаторами С1. В нашем случае мы ограничили полосу пропускания до 20 Гц, применив конденсаторы 22 нФ.

Настроенный таким способом RGB-сенсор вполне пригоден для практической работы, что показывает небольшой демонстрационный ролик, youtu.be/CMRrZ87bawI. При просмотре ролика желательно использовать экран с хорошей цветопередачей. В ролике хорошо видно, что камера смартфона «задирает» красный край спектра. А вот синие и фиолетовые тона воспроизводятся более адекватно.

Фотометр для настройки RGB-сенсора

И в заключение рассмотрим схему фотометра, который мы использовали при настройке RGB сенсора. Основой прибора является интегральная микросхема фотоприемника OPT101, широко используемая в медицинских исследованиях. Этот фотоприемник можно купить в «Чип и Дип» примерно за пятьсот рублей или заказать вдесятеро дешевле на AliЕxpress.

Рисунок 5.	Спектральная характеристика интегрального фотоприемника OPT101.

В техническом описании OPT101 имеется график спектральной чувствительности (Рисунок 5), зеркально отобразив который, получим график изменения коэффициента усиления корректирующего усилителя для получения равномерной спектральной характеристики.

В нашем случае значения коэффициента усиления составили:

Исходя из этих значений, вычисляем сопротивления резисторов R1 – R3 по формулам:

Эти резисторы лучше сделать переменными, как показано на схеме Рисунок 6, выбрав их величины так, чтобы расчетное значение достигалось в среднем положении движка.

Рисунок 6.	Принципиальная схема фотометра.

Фотометр желательно поместить в корпус, обеспечивающий хорошую экранировку. В нашем случае мы использовали фольгированный стеклотекстолит. Свет попадает на фотоприемник через отверстие в передней стенке диаметром 10 мм. Расстояние от фотоприёмника до передней стенки составляет также 10 мм для уменьшения паразитной засветки.

Настройка фотометра

Поскольку нам нужны относительные, а не абсолютные значения освещенности, настройка сводится к простой процедуре, заключающейся в подаче высокостабильного напряжения на вход А2-1 и установке необходимых коэффициентов усиления резисторами R1 – R3.

Предлагаемый фотометр вполне пригоден для настройки RGB-сенсора. Методика его применения проста. Например, измеряя световой поток от синего светодиода, мы устанавливаем переключатель SW1 в положение, при котором коэффициент усиления корректирующего усилителя соответствует синему цвету и т.д.

Заключение

Авторы не гарантируют, что для изготовления RGB-сенсора подойдут любые цветные светодиоды, поэтому при повторении прибора придется провести предварительное исследование светочувствительности светодиодов, имеющихся в наличии.

Источник

RGB-сенсор Samsung с глубинным изображением

В рамках конференции ISSCC 2012 компания Samsung Electronics представила первый в мире КМОП-сенсор, который позволяет захватывать одновременно инфракрасное глубинное изображение и изображение в традиционном цветовом RGB-пространстве.

Для получения глубины изображения датчик использует так называемый времяпролётный метод, который широко используется в подобных устройствах. Ранее Samsung уже анонсировала сенсор, интегрирующий Z-пиксели (пиксели глубины) и RGB-пиксели. Но из-за ограничений фильтра ближнего ИК-диапазона, данный сенсор не способен был одновременно захватывать изображения обоих типов. Речь шла о временном разделении работы датчика.

Новая технология Samsung позволила обойти ограничение, описанное выше. Как ожидается, эта разработка позволит уменьшить габаритные размеры контроллеров, управляемых жестами. Также в перспективе появляется возможность использования данной технологии для добавления функции распознавания жестов в цифровые компактные камеры, видеокамеры и другие устройства.

Из технических характеристик нового сенсора отмечаются разрешение RGB-изображения 1920 х 720 пикселей, разрешение ИК-изображения 480 х 360 пикселей, диаметр RGB-пикселя 2,25 мкм. Z-пиксели имеют размеры 2,25 х 9 мкм. Они по эффективной площади в четыре раза больше RGB-пикселей.

Для производства чипа использовалась 0,13-мкм КМОП-технология. Отметим, технология глубинного изображения используется в популярном игровом контроллере Kinect.

Источник

Твердотельные сенсоры изображения: как получается цвет

«Классические» ФПЗС и КМОП-сенсоры [1]

Сами по себе они не способны различать цвета: разница в длинах волн (а именно длиной волны и определяется цвет) падающих на них фотонов воспринимается как разница в энергиях (E

hv). Вариации как энергии фотона, так и их числа за время экспозиции приводят к изменению всего лишь одной величины — заряда в ячейке для ФПЗС или напряжения для КМОП. Поэтому на выходе мы имеем монохромное изображение, т. е. градации серого.

Для обеспечения сенсору возможности различать цвета нужны дополнительные приспособления. А что же такое «цвет», вообще говоря? В физике у света есть спектр — набор длин волн излучения. Этим спектром однозначно определяется цвет — психофизиологическое ощущение. Обратное утверждение, кстати, неверно — несколько различных спектров могут давать одно и то же ощущение цвета.

Т. к. с точки зрения колориметрии цвет — трехмерная векторная величина, то нужно неким образом выделить из падающего на сенсор светового потока три [2] составляющих. Возможность трехмерного описания цвета [3] объясняется не физическими свойствами самого света, а механизмами цветовосприятия глаза.

Суть «классического» сенсора: в одном пикселе за время экспозиции мы можем сделать только одно спектральное измерение (исключения — см. ниже).

В настоящее время существуют следующие подходы:

1. Расщеплять свет после объектива (например, системой призм) на три области — красную, зеленую и синюю, и подавать на три отдельных монохромных сенсора.

Такой подход часто используется в профессиональных фото и видеокамерах и называется 3CCD.

Он обеспечивает отличную разрешающую способность как цветовую, так и пространственную («резкость») без увеличения времени получения изображения. Время получения кадра, пожалуй, самое малое из всех подходов, т. к. нет необходимости производить цветовую интерполяцию (см. ниже). Появляется возможность «тюнинга» каждого сенсора под свой диапазон, например, введением специальной примесной добавки в кремний изменить спектральную чувствительность сенсора. Баланс белого на итоговом изображении сводится к регулировке усиления и уровней черного каждого из трех сенсоров.

Однако такой подход требует сложной юстировки всей системы и часто — особой оптики (из-за появления перед сенсором довольно большого блока призм). При этом широкоугольным объективам не повезло больше всех. Добавьте сюда тройной комплект сенсоров и их электронной обвязки. Все это в итоге повышает стоимость, габариты системы и ее энергопотребление (особенно, если сенсоры — ФПЗС).

Технология производства ФПЗС-сенсоров отлично отлажена, равно как и приспособлений для расщепления света, поэтому по качеству и скорости рассматриваемому подходу пока нет равных.

2. Установить светофильтры перед сенсором.

Если время получения изображения не критично, можно использовать последовательное экспонирование сенсора через барабан со светофильтрами. Минус — требуется в три раза больше времени. Поэтому для съемки движущихся объектов такой метод не подходит. Однако сохраняются все остальные плюсы предыдущего подхода, да и трех матриц с призмой не нужно.

3. Установить светофильтры непосредственно над каждым пикселем сенсора.

Если в сенсоре используются микролинзы [4], то светофильтры устанавливаются между микролинзой и ячейкой. Распределение таких светофильтров по поверхности сенсора — массив цветных фильтров (CFA = Color Filter Array) может быть различным.

3.1. Например, линейный (используется в некоторых планшетных сканерах — там как раз всего три строки для каждого из цветов):
R R R R R
G G G G G
B B B B B

3.2. Наиболее популярный — байеровский, по цветовой модели Байера (B. Bayer [5]), предложенной в начале 70-х годов прошлого века. Иначе — RGBG-фильтр. Все массивы, построенные по принципу Байера называют мозаиками.

Элементарный узор массива получается из четырех ячеек с тремя типами светофильтров. В основе байеровского фильтра и большинства других лежит принцип дискретизации яркостного канала на большей частоте, нежели двух оставшихся цветовых. За яркостной канал был принят зеленый, т. к. кривая яркостной чувствительности глаза человека имеет максимум около точки 550 нм, что соответствует зеленому цвету. Да и число зеленочувствительных рецепторов на сетчатке в два раза больше, чем красных или синих.

Выигрыш по скорости и стоимости варианта с массивом цветных фильтров, «компенсируется» проигрышем по пространственному и цветовому разрешению. Данные одного пикселя итогового изображения «размазываются» по нескольким ячейкам. Для того, чтобы получить RGB-значения каждого пикселя необходимо произвести цветовую интерполяцию. См. иллюстрацию:

Наиболее заметные артефакты от такой цветовой интерполяции появляются при быстром изменении цвета относительно пространственных координат изображения (некий контрастный, ритмический рисунок в мелких деталях) — возникают искажения цветов и контуров, исчезновение мелких деталей, муар. Например, в нашей сцене есть небольшая белая точка на черном фоне. Она может попасть только на одну синюю ячейку. В таком случае на изображении она будет представлена синим пикселем. Описанный эффект называется алиайсингом. Устранить его можно только размытием изображения: посредством анти-алиайсинг фильтра или расфокусировкой. Анти-алиайсинг фильтрация (по сути, размытие наподобие blur-эффекта) дополнительно уменьшает пространственное разрешение.

Поэтому сенсоры с CFA для профессиональной техники мало подходят, т. к. сам сенсор не может обеспечить разрешения, которое дает качественный объектив: в худшем варианте один итоговый пиксель интерполируется из 9 пикселей сенсора. Если мы будем увеличивать число пикселей сенсора, уменьшая их размеры, то упремся в собственные шумы сенсора, а если увеличивая размер сенсора — в технологический передел размера пластин или стоимости системы.

3.4. Выше были рассмотрены мозаики в основу которых положена модель аддитивного цветового синтеза (RGB), однако выпускаются сенсоры с мозаиками на основе субстрактивного синтеза (CYM=Cyan Yellow Magenta). Те же господа из Sony выпускают матрицы с CYMG-фильтром. Основные компоненты в нем — CYM (голубой, желтый, пурпурный) и один, дополнительный, аддитивный — G (зеленый). На мой взгляд — весьма спорное решение.
Тем более что типичная проблемой сенсоров с такой мозаикой — регистрация света с длинной волны в 450 нм в синем и красном канале.

Краткий итог: при одинаковых числе пикселей и их размере у сенсора с массивом цветных светофильтров пространственное разрешение примерно в 2 раза ниже, чем у монохромного. Если быть точным, то величина эта зависит от метода интерполяции, типа мозаики и направления: для фильтра Байера по горизонтали снижение разрешения составляет около 65%, а по вертикали примерно 80%.

По мере роста вычислительной мощности графических процессоров фотокамер линейная интерполяция заменялась кубической, а та — кубическими сплайнами. Во многих современных камерах предпочтение отдается специальным алгоритмам, оптимизированным под работу с цветом и под конкретный сенсор. Естественно эти алгоритмы являются коммерческой тайной фирм-производителей. Например, существуют:
—интерполяция с постоянным тоном (одна из первых в массовых образцах камер);
— интерполяция по медиане (двухпроходная: линейная интерполяция, медианная фильтрация цветовых различий);
— интерполяция по градиенту (трехпроходная: сначала G, а затем R-G и B-G каналы; используется в Kodak DCS 200).
Все эти алгоритмы направлены на устранение артефактов: «лесенки» — на краях контрастных объектов и «конфетти» вокруг ярких пикселей на темном фоне.

Лучшими являются итерационные (многопроходные) алгоритмы и алгоритмы на основе нейронных сетей, но они требуют большой вычислительной мощности и пока реализованы в полной мере только в программных RAW-конверторах (например, в SharpRaw).

Вот пример работы цветовой интерполяции кубическими сплайнами с RGBG-сенсора (под картинкой ссылка на увеличенное в 3 раза PNG-изображение):

4. Использование технологии пиксельного сдвига сенсора.

Данный подход заключается в использовании «обычного» сенсора с фильтром Байера, снабженного механизмом попиксельного сдвига в плоскости изображения с помощью пьезо-элементов. Снимаем один кадр, сдвигаем сенсор вправо на один пиксель, снимаем второй кадр, сдвигаем сенсор вниз на один пиксель. Таким образом в трех кадрах имеем все три цветных составляющих индивидуально для каждого пикселя.
См. анимацию (обратите внимание, как выделенный пиксель в левом верхнем углу последовательно получает все три цветовых компонента):

Минус — увеличенное в три раза время экспозиции и стоимость устройства. Конечно, для репортажной съемки такая технология не подходит. Поэтому применяется преимущественно в цифровых задниках для студийной съемки, где возможно обеспечить неподвижность сцены съемки на время порядка 1-2 секунд.

Кроме увеличения цветового, увеличивается и пространственное разрешение. Оба примерно в 2,5 раза по сравнению с таким же сенсором, но без сдвига.

Пример: цифровые задники FlexFrame 4040 от Imacon и Sinarback 44 HR от Sinar.

Foveon X3

До сих пор мы говорили о классических сенсорах. Сейчас стоит рассказать о новом типе КМОП-сенсора от калифорнийской компании Foveon — Foveon X3 [6]. Сенсор был представлен широкой публике в начале 2002 года.

В основу положена идея о поглощении фотонов различных длин волн на различных глубинах в полупроводнике. Это дает возможность для каждого пикселя сенсора получать свои собственные RGB-компоненты, в одном пикселе совмещены детекторы всех трех цветовых компонент. Весьма изящная идея: одним махом избавляемся от цветовой интерполяции, сглаживания и разницы фаз между RGB-компонентами, присущих классическим сенсорам с CFA. Также, не требуется и трех сенсоров вместе с устройством расщепления света.

Эксперименты [7] по стандарту ISO12233 [8] показывают 2,4-кратное превосходство Foveon X3 в пространственной разрешающей способности над сенсорами с фильтром Байера. А на границе раздела синий-красный до 5 крат. Мы помним о том, что байеровский фильтр содержит синих и красных светофильтров в 2 раза меньше, чем зеленых, отсюда такой скачок 🙂

Все же не удержусь и дам упрощенную схему строения этого сенсора:

Как видим, ключевой особенностью является порядок и глубина залегания p-n-переходов. Коэффициент поглощения кремния почти линейно уменьшается с увеличением длины полны света видимого диапазона. Первыми поглощаются «синие» фотоны, затем «зеленые» и «красные».

Можно сказать, что перед нами «электронная фотопленка», т. к. из всех сенсоров Foveon X3 наиболее близок к фотопленке, которая также содержит в себе три чувствительных слоя для каждого из цветов в виде «бутерброда».

В качестве камеры, использующей Foveon X3 можно отметить Sigma SD9, SD10 и Polaroid x530 и вот пока что все. Идея Foveon красива, но, видимо, на практике не все так гладко…
Желающих подробнее ознакомиться с этим типом сенсора прошу на сайт производителя.
Альтернативный теоретический взгляд можно найти в статье.

В настоящее время разрабатывается технология TFA (Thin Film on ASIC). Коммерческих образцов пока нет, так что сказать что-то окончательно нельзя. TFA представляет собой интеграцию слоя детектора из аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H) на кристалл ASIC (Application Specific Integrated Circuit, по-сути, КМОП-микросхема).

Толщина слоя детектора менее 1 микрона и работает он как мультиспектральный фотодиод. Пик спектральной чувствительности может сдвигаться в границах видимого света в зависимости от напряжения между p- и n- областями. Можно считывать три цветовых составляющих последовательно (быстро меняя напряжение). Кроме этого a-Si:H обладает высоким квантовым выходом и тремя линейно-независимыми пиками чувствительности в зоне видимого света. TFA является сенсором с коэффициентом заполнения 100%: вся поверхность является светочувствительной.

Возможно, в лице TFA-сенсоров мы скоро увидим увеличение динамического диапазона (для TFA заявлено 120dB, тогда как человеческий глаз имеет 200dB) и цветового разрешения.

Источник