RGB色彩传感器工作原理及应用方案分析

色彩与表面的颜色有关。例如，白光入射到红色表面上，会反射为红色。反射的红光撞击色彩传感器，产生R, G和B输出电压。通过解释三个电压，可以确定色彩。由于三个输出电压与反射光的密度线性提高，因此色彩传感器还可以测量表面或物体的反射系数。

图1.3: 反射的光的颜色取决于表面反射的颜色和吸收的颜色。

透射传感

在透射工作模式下，传感器朝向光源。色彩传感器搭配滤波器的光电二极管阵列将入射光转换成R, G和B光电流，然后放大并转换成模拟电压。由于所有三个输出都会随着光密度提高而线性提高，因此传感器可以同时测量光的颜色和总密度。

可以使用透射传感，确定透明介质的颜色，如玻璃和透明塑料、液体和气体。在这种应用中，光穿过透明介质，然后撞击在色彩传感器上。透明介质的颜色取决于对色彩传感器电压的理解。

图1.4: 传感器的R, G和B 输出取决于落在传感器上的光的颜色。

图1.5: 透明介质的色彩传感，如色彩滤波器、液体或气体。

解释色彩传感器值

可以使用色彩传感器的三个模拟输出电压直接控制硬件，或转换成数字值，从而数字处理器能够分析数据。然后可以从这些数字值中获得色彩和亮度信息。

描述色彩和亮度有两种方法。

a) 矩阵方法

如果需要区分多种色彩，那么适合采用这种方法。这种方法基于下面给出的矩阵：

其中X, Y, Z代表CIE三重刺激值，RGB代表色彩传感器的数字值。

将测量已知的参考色彩集合，对每个标准X, Y, Z值获得R, G, B 传感器值。矩阵系数C00, C01, C02, C10, C11, C12, C20, C21和C22从这些已知标准值中确定。一旦确定了这些矩阵系数，那么可以从R, G,和B 数字传感器值中计算得出未知色彩的X, Y, Z值。

b) 查表方法

如果要区分少量的参考色彩，适合采用这种方法。首先，在校准过程中获得每个色彩的参考色彩传感器值，其中包括亮度信息。必须确定亮度信息是否重要。如果亮度信息重要，理解中会使用实际色彩传感器值。

如果亮度对应用不重要，那么在校准过程中将对参考色彩及在测试过程中对未知色彩获得红色、绿色和蓝色传感器值的比率或比重。使用一个选定的色彩通道作为所有测量集合的基础，来获得比率。例如，如果选择绿色通道，那么通过将传感器测量值除以相应的绿色通道值，来获得比率，因此得到的绿色通道值一直是1。我们演示一下，如果集合(Rn, Gn, Bn)，n=1, 2, 3…N表示所有N个参考色彩的色彩传感器测量结果，那么通过下述集合得出比率：

，n=1,2,3, ...N。

也可以使用红色或蓝色通道值作为除数。选择使用哪条色彩通道与用户偏好有关。

如果未知色彩距离某个参考色彩最近，也就是说，如果未知色彩与该特定参考色彩之间的距离在未知色彩与所有其它参考色彩之间的所有其它距离中最短，那么可以确定未知色彩就是参考色彩。

未知色彩和参考色彩之间的距离使用下面的公式得出：

a) 在亮度重要时

b) 在亮度不重要时

注意：1. (Ru, Gu, Bu)是未知色彩传感器值；

2. (Rr, Gr, Br)是参考色彩传感器值；

3. 在亮度不重要时，一条传感器通道的值(如绿色通道)作为除数。

将为每个参考色彩确定最大距离极限，以避免接受不属于参考色彩列表的色彩。这个最大极限对每个参考色彩可以不同，具体视要求的准确性而定。

色彩传感器的类型比较

光到光电流转换器

光到光电流转换器由光电二极管或具有色彩滤波器的光电二极管组成，将光转换成光电流。可以使用外部电路，将光电流转换成成比例的电压输出，然后可以通过模拟数字转换器将电压转换成数字格式，输送到微控制器中。

优点：

- 设计灵活。可以针对各个应用订制放大器的增益和带宽及模拟数字转换器的速度和分辨率

缺点：

- 增加了组装成本

- 提高了设计复杂程度

光到光电流转换器适合要求响应时间短、定制增益和速度调节及在光线变化条件下工作的应用。

光到模拟电压转换器

光到模拟电压转换器由搭配色彩滤波器的光电二极管阵列组成，并整合一个跨阻抗放大器。要求使用外部电路，将模拟电压转换成数字输出，然后才能输送到数字信号处理器。

优点：

- 简化外设电路设计

- 改善空间利用效率

- 降低组装成本

缺点：

- 响应时间预先由内置电流到电压转换器确定，如跨阻抗放大器

- 要求额外的模拟数字转换器，将电压输出转换成数字格式

光到模拟电压转换器适合要求设计周期较短、产品开发周期更快、光线条件和空间利用率设计精良的应用。

光到数字电压转换器

光到数字电压转换