سنسورهای تشخیص رنگ
ساعت ٥:۳٥ ‎ب.ظ روز دوشنبه ٢٤ دی ،۱۳۸٦  

این هم سری سوم و چهارم وآخر از مقاله سنسورهای تشخیص رنگ .

.لطفا سوالات ومباحث خود را از طریق ایمیل یا قسمت نظرات مطرح کرده تا در حد بضاعتم به آن بپردازم.

لطفا رسم امانتداری را رعایت کنید.ودر صورت استفاده ا این مقاله مکلیه مقالات این وبلاک، حتما نام نویسنده وسایر مشخصات منبع ان ذکر کنید.

 

دانشگاه صنعتی مالک اشتر

عنوان مقاله : سنسورهای تشخیص رنگ

استاد راهنما: مهندس آذردخت مظاهری

ارائه دهنده: میثم پریشانی

تابستان 1385

بینایی رنگ

چون رنگها ادراکی هستند که توسط طول موج‌های مخصوص تشعشعات الکترومغناطیس در چشم تولید می‌گردند، بنابراین پدیده‌ها و تئوری‌های بینایی رنگ باید در نظر گرفته شوند. پیچیده بودن بینایی رنگ دلیل ÷اصلی دشواری درک کامل پدیده رنگ بوده و چندین فرآیند این پدیده در انتظار یک تعریف و تشریح دقیق می‌باشند.

عضو بینایی انسان که چشم نام دارد، قادر به دریافت حداقل سه خاصیت نور می‌باشد:

1) مسیر یا جهتی که نور از آن منتشر شده است و توسط این خاصیت می‌توان شکل یا فرم، اندازه و بافت را تشخیص داد.

2) مقدار یا شدت نور که به درک تباین بین شیئی و محیط اطرافش منتهی می‌گردد.

3) کیفیت یا طول موج نور که توسط آن توانایی تشخیص رنگ امکان‌پذیر می‌شود.

شکل زیرنمایانگر سطح مقطع یک چشم از جلو به عقب بوده و در آن اجزائ اصلی تشریح گردیده‌اند. قسمت رنگی چشم، یعنی عنبیه (IRIS) حلقه‌ای شکل بوده و به طور غیر ارادی با تاریکی یا روشنایی منبع نوری به ترتیب منبسط یا منقبض می‌گردد تا قسمتهای بیشتر یا کمتری از عدسی درونی (INNER LENS) را که مردمک (PUPIL) نام دارد پدیدار سازد. باید ذکر گردد که قسمت پشت عنبیه سیاه می‌باشد. در عنبیه یک فرد چشم آبی مقدار ماده رنگی موجود بسیار کم بوده و دلیل رنگ چشم او قسمتی به دلیل نمایان شدن سیاه از درون و قسمت دیگر به خاطر انتشار نور در عنبیه می‌باشد. هر چه تشکیل مقدار مواد رنگی در عنبیه بیشتر باشد به ترتیب رنگ چشم به میشی، قهوه‌ای، و یا سیاه متمایل می‌گردد.

 

نمایی از چشم انسان

مناطقی در جلو و پشت عدسی وجود دارند که از مواد واسطی که به ترتیب اصطلاحاً خلط‌های زلالیه و زجاجیه (AQUEOUS AND VITRIOUS HUMOURS) نامیده می‌شوند، تشکیل شده‌اند.

پرده شبکیه چشم (RETINA) حاوی پذیرنده‌های نوری (LIGHT RECEPTORS) یعنی عصبهای میله‌ای (RODS) و مخروطی (CONES) بوده و مکانی است که تصویر نوری توسط عدسی روی آن متمرکز می‌گردد. این پرده دارای یک ساختمان لایه‌ای پیچیدة ظریف متشکل از الیاف عصبی بوده که پذیرنده‌های نوری را به عصب بینایی (OPTIC NERVE) و مغز متصل می‌کند. در مشیمیه (CHOROID) یعنی یک غشاء آوندی درست پشت پرده شبکیه چشم معمولاً ماده‌ای سیاه رنگ به نام اپی‌تلیوم (EPITHELIUM) وجود دارد که نور ناخواسته را جذب کرده و بدین وسیله از اثر خیرگی (GLARE) جلوگیری می‌کند. همانطور در شکل (2-4) نشان داده شده است ، ترکیب و تراکم مخروطها در یک تورفتگی که لکه زرد یا فوویا (FOVIA) نام دارد باعث می‌گردد که این منطقه کوچک مرکزی از لحاظ بصری دارای تیزبینی و تشخیص رنگ حاد گردد، زیرا که فوویا مستقیماً در خط دید در پشت عدسی قرار دارد.

قسمتی از چشم که مستقیماً با بینایی رنگ در ارتباط می‌باشد پردة شبکیه چشم نام دارد و در واقع غشاء نازک و شفافی از بافت‌های عصبی است که دیوار داخلی تخم چشم را پوشش داده و در اینجاست که تبدیل انرژی نوری به انرژی عصبی صورت می‌گیرد و باعث تولید محرکهای آنی به مغز گشته و در نتیجه احساس بینایی را تولید می‌کند. پردة شبکیه چشم متشکل است از ترکیب پیچیده‌ای از لایه‌های سلولهای عصبی و الیاف عصبی به هم متصـل، و در لایة نهایی سلولهای عصبی وجــود دارند که به اجسام میله‌ای باریک یا کمی مخروطی شکل منتهی می‌گردند که این اجسام در حقیقت دریافت‌کننده‌های نوری می‌باشند. باید در نظر داشت که میله‌ها و مخروطها در طرفی از پرده شبکیه قرار دارند که از نور دور می‌باشند به طوری که برای دسترسی به آنها نور بایستی از داخل لایه‌های عصبی دیگر گذر کند. در واقع پردة شبکیه بسیار نازک و نسبتاً شفاف بوده و در نتیجه نور تقریباً بدون تغییر به پشت آن می‌رسد.

عموماً اعتقاد بر این است که اولین واکنش در پرده شبکیه چشم یک طبیعت فتو-شیمیایی دارد، بدین معنی که در میله‌ها و مخروطها موادی وجود دارند که توسط نور تجزیه گردیده (سفید می‌شوند)، و این محصولات تجزیه باعث شروع یک سلسله علائم الکتریکی به شکل محرکهای آنی عصبی شده که توسط الیاف و عصب بینایی به مغز منتقل می‌گردند. این نظریه توسط استخراج یک ماده ارغوانی- رنگ از میلهء‌ها که نور- حساس بوده و "ارغوانی بصری" نام داشته و اسم شیمیایی آن رودوپسین (RHODOPSIN) می‌باشد،  تقویت و تأیید می‌گردد. این مادة شیمیایی نور حساس که در میله‌ها و مخروطها وجود دارد به طور مداوم دوباره تولید می‌گردد تا جانشین آنچه از بین رفته گردد و بدین وسیله حساسیت چشم ابقاء می‌شود. در این، عمل فتوشیمیایی فرض بر این است که در هر مقطع زمانی مقدار محصولات تجزیه موجود در پردة شبکیه چشم با شدت نور تابیده شده رابطه مستقیم دارد. اگر سطح روشنایی زیاد باشد، مثلاً در نور خورشید، تجزیه به نحو بسیار فعال صورت گرفته و علیرغم در حال جریان بودن فرآیند سنتز در تمام مدت مقادیر زیادی از محصولات تجزیه شده در پرده شبکیه چشم جمع می‌گردند. در نتیجه زمانی که ما از روشنایی زیاد به یک اطاق تاریک می‌رویم مدت زمانی لازم است تا چشم به سطح روشنایی کمتر عادت کند زیرا این مدت برای دوباره تشکیل هر چه بیشتر از این مواد نور- حساس لازم بوده تا توانایی از عهدة روشنایی کمتر برآمدن به چشم باز گردد.

 فوویا حساس‌ترین منطقة پردة شبکیه چشم بوده و بهترین تیزبینی یعنی درک جزئیات ظریف و دقیق را به دارا می باشد. بالاترین غلظت مخروطهای موجود در این منطقه در حدود 100000 تخمین زده شده‌اند. خارج از این منطقة مرکزی فوویا همانطور که در شکل (2-4) نشان داده شده است مخروطها با میله‌ها آمیخته گردیده و نسبت میله‌ها و مخروطها با دور شدن از فوویا افزایش یافته تا در نهایت در گوشة پردة شبکیه فقط سلولهای میله‌ای وجود دارند. در پردة شبکیه چشم کلاً تعداد 100 میلیون سلول میله‌ای و 5 میلیون سلول مخروطی تخمین زده شده است که البته به صورت یک مجموعه عمل می‌کنند.

در مکانی که پـردة شبکیه چشـم برای خـروجی الیاف عصب بینایی قطع گشته است هیچ نـوع میله یا مخـروط نور پذیرنده وجود ندارد و بنابراین این یک نقطه کور (BLIND SPOT) می‌باشد. لیکن معمولاً ما از وجود این نقطه کور آگاه نیستیم زیرا چشم به طور مداوم در حال حرکت بوده و در نتیجه نور از هر قسمتی از یک شیئی به طور پیوسته و متوالی بر روی این نقطه نمی‌تابد.

وظیفة میله‌ها و مخروطها کاملاً متفاوت است. میله‌ها دریافت‌کننده‌های نوری برای بینایی نور کم شدت می‌باشند، یعنی آنها به نور کم شدت حساس بوده و لیکن نه فقط تصویر واضحی به دست نمی‌دهند بلکه نسبت به رنگ نیز حساس نمی‌باشند. چنین ثابت شده است که بینایی غیر رنگی که در سطوح روشنایی بسیار کم مثلاً مهتاب کم نور حاصل می‌گردد مستقیماً به سفید شدن ارغوانی بصری موجود در میله‌ها بستگی دارد. با اینکه مخروطها فقط در مواقعی که نور خوب است یعنی در شدتهای متوسط یا زیاد عمل می‌کنند، لیکن آنها اعضای مربوطه برای بینایی دقیق و بخصوص بینایی رنگ می‌باشند. در شب یا نور کم، مخروطها عمل نمی‌کنند زیرا نه فقط حساسیت کمترین نسبت به نور دارند بلکه تعدادشان نیز در سطح پرده شبکیه کمتر است و بنابراین فقط میله‌ها به تنهایی تصویر ناپیدایی را ثبت می‌کنند به نحوی که همه چیز به صورت تار و تک- رنگ مشاهده می‌گردد. در صورتی که در شرایط نمایانی خوب، یعنی نور درخشان چنین به نظر می‌رسد که میله‌ها اکثر فعالیت نوری خود را از دست می‌دهند شاید به خاطر اینکه ارغوانی بصری تقریباً کلاً سفید شده و بنابراین در بینایی، عموماً مخروطها رل مهمتری را بازی می‌کند. بین این دو حالت منتهی درجه، حد وسطی وجود دارد که در آن میله‌ها و مخروطها همزمان عمل می‌کنند.

نحوة تعیین متمایز شمردن یک رنگ از دیگری توسط مخروطهای رنگ- حساس بسیار دشوار بوده و موضوع تحقیقات بسیاری است. درست از زمانی که توماس یانگ (THOMAS YOUNG) تئوری سه- رنگی بینایی را در اوایل قرن نوزدهم پیشنهاد کرد چنین در نظر گرفته شده است که چشم حداقل حاوی سه پذیرنده مختلف رنگ می‌باشد. با اینکه هنوز هم این مطلب نامعلوم است لیکن امروزه مدارک معقولی در دست می‌باشد که وجود سه نوع مواد نور- حساس در مخروطها را تأیید می‌کند. یکی از این مواد اساساً نور قرمز، دیگر اساساً نور سبز و سومی اساساً نور آبی را جذب می‌کنند و مانند ارغوانی بصری در میله‌ها، این مواد نیز توسط نور مربوطه تجزیه یا سفید گردیده و علائم مربوطه را تولید می‌سازند که به مغز فرستاده شده و بنابراین باعث بینایی رنگ می‌گردند. بینایی رنگهایی به غیر از قرمز، سبز و آبی توسط ترکیب درجات مختلف سفید شدن مواد این سه پذیرنده حاصل می‌گردد. لیکن الیاف عصبی پردة شبکیه به شکلی پیچیده به یکدیگر متصل می‌باشند و بنابراین بعید به نظر می‌رسد که اطلاعات رنگی که به مغز فرستاده می‌شود فقط سه علامت را که با جذب نور توسط سه پذیرنده رابطه مستقیم داشته باشد شامل گردد. با این حال بینایی رنگ در مراحل اولیه بستگی به چنین جذبهای نوری در قسمتهای قرمز، سبز، و آبی طیف داشته و این احتمال توسط موفقیت روشهای مدرن دوباره تولید رنگ که بر اساس این تئوری استوار می‌باشند زیادتر گردیده است.

مدار کاربردی

همانطور که اشاره شد خروجی سنسور به صورت جریان می باشد. برای افزایش دامنه این خروجی از یک مبدل جریان به ولتاﮊ استفاده می کنیم. این تبدیل را به همراه تقویت ولتاﮊ می توان توسط یک OP-AMP که به صورت غیر تفاضلی بسته می شود انجام داد.

V(t) = R20Iin

Vout = ((Rf / R1) + 1) * V(t)                  Vout = R2 ((Rf / R1) + 1) 0 Iin

 

 

مدار مبدل جریان به ولتاژ

چون هیچ جریانی وارد op-amp نمی شود پس تمام جریان از مقاومت R2 میگذرد و چون جریان سنسور نباید از چند Pa بیشتر باشد پس مقاومت R2 باید به اندازه کافی بزرگ باشد.( در حد چند مگا اهم ) مقدار Rf و R1 را جهت تقویت طوری انتخاب می کنیم که برای ماکزیمیم مقدار ورودی V(-) ماکزیمیم خروجی یعنی در حدود v5 برای راه اندازی ADC  ها داشته باشیم. این تقویت ولتاﮊ جهت توسعه دادن خروجی سنسور و دقت بیشتر در تشخیص رنگ می باشد، تا دقیق تر عمل کند.

برای پردازش کامپیوتری باید ولتاﮊ های خروجی OP-AMP به کدهای دیجیتالی تبدیل شوند این عملیات توسط ADC انجام می شود. بلوکADC مورد استفاده باید دارای سه گیت ورودی آناوگ باشد تا بتواند خروجیها را به صورت سریال تحویل دهد. این بلوک را می توان توسط یک آی سی مبدل آنالوگ به دیجیتال سه ورودی و یک خروجی سریال یا سه عدد آی سی مبدل ADC و یک میکروکنترلر که وظیفه تبدیل آنالوگ به سریال بر عهده دارد، انجام داد. روش دوم از نظر اقتصادی مقرون به صرفه تر می باشد.

عملیات پردازش روی سیگنال جهت استفاده در کامپیوتر

ADC  ها خروجی مسطح ولتاﮊ تقویت شده توسطواحد تقویت کنندگی که مبین سطح رنگ مورد نظر می باشد را به صورت کدهای 8 بیتی با سطح ولتاﮊ صفر  به عنوان صفر منطقی و پنج به عنوان یک منطقی تولید کرده و به صورت موازی در خروجی خود تحویل می دهند. چون این کدها باید جهت پروسس نهایی وارد کامپیوتر شوند ، لذا از یک واحد جهت تبدیل کدها از موازی به سریال استفاده می شود. این واحد می تواند جزو همان ADC باشد یا اینکه می توان از یک میکروکنترلر جهت کنترل بهتر و نیز نمونه گیری های بیشتر استفاده کرد.

لازم به ذکر است که بغیر از عملیات تبدیل موازی به سریال ، میکروکنترلر عملیات دیگری نیز جهت سنکرون شدن با کامپیوتر ، نمونه گیری از کدها و تولید میانگین منطقی جهت استفاده و کنترل کلی پروسه انجام می دهد.

حال کدها آماده ارسال به کامپیوتر از طریق پورت سریال می باشد، ولی مشکلی که دیده می شود تفاوت سطح منطقی مدار طراحی شده با پورت سریال کامپیوتر می باشد. این اصلاحیه توسط آی سی 232 RS  انجام می شود که سطح ولتاﮊ صفر و پنج ولت را که نماینگر صفر و یک منطقی می باشد را به (10+) و (10-) ولت با منطق سریال تبدیل می کند . کدهای مورد نظر جهت پروسس نهایی و به اصطلاح تشخیص رنگ از طریق پورت سریال وارد کامپیوتر می شود.

در کامپیوتر می توان توسط نرم افزار کدهای مردنظر را که به صورت سریال BIT  8 × 3 می باشد و هر بایت نماینگر یک رنگ می باشد را شناسایی نمود و از ترکیب آنها رنگ اصلی حس شده توسط سنسور را بازسازی نمود .اساس تشکیل تصویر نیز به همین صورت می باشد. یعنی برای هر پیکسل، رنگ موردنظر با مقدار روشنایی آن به نمایشگر ارسال شده و نمایشگر با کنار هم قرار دادن منطقی آنها ، تصویر را تولید می کند


کلمات کلیدی: