计算机测控颜色光学实验系统

2013-09-03 08:53张承巍谭峭峰
实验室研究与探索 2013年7期
关键词:色光PC机圆盘

朱 昊, 张承巍, 谭峭峰, 郭 宏

(清华大学精密仪器与机械学系,精密测试技术及仪器国家重点实验室,北京100084)

0 引言

人类从自然界所获信息80%以上为视觉信息[1],其中颜色所占比重很高。颜色研究属交叉学科,在信息光学、生理及心理学领域都有重要意义。颜色是一种心理物理量,带有主观性[2];虽然国内外已制订了多种颜色体系试图对其进行精确测量和评价,照明装饰、彩印织染、造纸涂料等相关工业部门也开发出系列化的色差计、白度计、光电色度计、比色计等仪器对产品的颜色进行控制[3-4],但这类昂贵的仪器仅适合在专业厂商的质检部门使用,难以用来做直观形象的色度学教学实验。长期以来,应用光学课只靠课堂讲解教科书内容,学生无法获得鲜明印象,影响教学效果。为此,我们自主开发了适合教学的系列颜色实验,以唤起学生兴趣[5];现以计算机测控技术改善原系统的性能,对多种颜色现象进行定性和定量实验[6],提升教学效果。

1 实验系统原理与设计

1.1 LED色光混合实验系统

自然界物体发出的每种颜色光,都可用选定的R(红)、G(绿)、B(蓝)三原色光按适当比例混合而成,这就是三色学说[7]。我们用PC机控制三色LED来模拟这一过程。

工业界近来推出一种用于装饰和指示的LED组件,将多个单色LED管与带衍射散射微结构的有机玻璃平板封装为一体,可在整个屏面发出强度均匀的颜色光。我们订制了一组三基色混色屏,将R(红)、G(绿)、B(蓝)3种单色LED组装在一块屏中。为使各颜色光强度基本一致,每块屏中封装了 R(红)色LED2只、G(绿)、B(蓝)LED各1只,混色效果良好。实验系统架构和电路图如图1、图2所示。

图1 色光混合实验系统架构

图2 色光混合实验系统电路

系统硬件由3部分组成:PC机,USB接口模块,单片机及LED驱动电路。采用AT89C52单片机,晶振频率22.118 4 MHz,以通用USB接口芯片PDIUSBD12实现单片机与PC机的通讯[8-9]。用户在PC机软件界面输入的颜色RGB三分量值,由单片机接收处理后,从各输出端依次输出占空比可调的方波,即以PWM方式控制输出引脚电压有效值[10],使红绿蓝三色LED以不同亮度发光,在混色屏上均匀混合出不同颜色。彩色CCD摄像头拍摄混色屏的视频并显示,可随时抓拍混色照片提取其RGB值,并计算当前背景光环境下混色照片的分量差值。系统控制软件以VC语言编程。

1.2 颜色转盘实验平台

实验系统架构如图3所示。

此实验系统单片机和接口电路硬件、CCD及图像采集部分均与LED色光混合实验系统相同。另外增加了功率放大电路以驱动直流电动机及其负载的颜色转盘,以PWM方式调节电机转速,凭借光耦和斩波器反馈转速信号,实现闭环控制和转速实时测量。用此平台可完成三组实验:

图3 颜色转盘实验平台架构

(1)颜色匹配实验。用如图4(a)所示的R(红)、G(绿)、B(蓝)、黑四块径向开口的圆盘交叉叠放,把整个圆分成红、绿、蓝、黑四个扇形,扇形面积间的比例可任意调节;叠成圆的中心安装一拟匹配颜色的圆盘C(图4 b)。将该装置固定于直流电机驱动的平台上绕中心轴旋转;改变R、G、B三色扇形面积的比例,观察者就可在圆盘外圈看到三种颜色的混合色;调节黑色扇形的大小,则可改变混合色的明度值。图4(c)是一套叠合好的颜色转盘。此实验是基于人类视觉生理特征所产生的色彩混合,不改变色光和发色材料本身,混色的亮度不增加也不减低,故称之为中性混合。如采用模拟电路控制此转盘,虽简易但不能做定量实验[11]。用计算机控制,可使圆盘转速更平稳,借助斩波器检测转速,彩色CCD拍摄混色效果,可获更多参数供定量分析。

图4 颜色转盘

(2)主观颜色实验。图5所示黑白圆盘称为本哈姆(C.E.Benham)圆盘,在显色性好且稳定的非频闪环境光(如日光)照射下,以约8 r/s低速旋转时会看到彩色线条,推测该现象是在无外界颜色刺激时,人眼视觉系统的感受机制被激活而产生的颜色感觉[12];这种弱彩色现象被称作主观颜色(subjective colors)。此现象引人入胜,但其解释百余年来众说纷纭[13-14],尚无定论。借助计算机精确控制并测量转盘速度,以彩色CCD拍摄转盘快照,与人眼的观察结果做主客观对比分析,可为该现象的深入研究提供更丰富可靠的资料。

图5 产生主观颜色的黑白圆盘

(3)变色频闪光源周期图案实验。在日光灯等频闪电光源照射下,图5中的黑白圆盘在很宽的转速范围内会多次出现奇异且有规律的稳定彩色周期图案。改变圆盘转速或光源频率、光源波形占空比,图案的分布及形状也随之发生有趣的变化。我们根据实验结果推导出图案周期特征与圆盘转速的关系式:光源闪烁频率=图案瓣数×圆盘转速[15]。

图6为我们根据上述图案变化规律自己设计的黑白圆盘,实验效果更为明显:图6(a)色差鲜明,图案瓣数随圆盘转速和光源闪烁频率变化;图6(b)和(c)盘在调节转速时,能看到静态与动态两组图案共存的现象,且图案稳定区随转速变化做向心或离心漂移。此实验揭示的规律可用于工业上的非接触转速检测[16];在日光灯下的玩具陀螺上也能看到类似现象,证明生活中看似稳定柔和的照明灯具也有变色和强度闪烁,只是因视觉暂留而没有被人们察觉。

图6 变色频闪光源下产生周期图案的黑白圆盘

为提高显色对比度,我们以信号发生器输出的方波配合逻辑电路,驱动交错安装在一块电路板上的红、蓝两组LED阵列,分别在方波的正半周期和负半周期同步发出不同颜色的光,在黑暗环境下在图6的圆盘上会呈现远比日光灯下对比度高的红蓝相间鲜艳图案。调节信号发生器频率使之倍增,图案的分瓣数也倍增,有强烈的视觉冲击力。

2 实验内容及效果

2.1 LED色光混合实验

由软件输入RGB分量值,在LED混色屏上观察色光混合,注意RGB三分量相等时是否得到白光;可与教科书上的典型实例对照。如:红光+绿光=黄光(红绿分量相等时)。人眼直接观察混色屏颜色,与彩色CCD拍摄的照片及PC机软件按色光混合规律仿真结果对照,分析颜色信息在多次转换传递后的偏差。实验系统照片和混色软件界面如图7所示。

图7 色光混合实验系统照片及操作软件界面

2.2 颜色匹配实验

在实验台安装如图4所示的颜色转盘,调整外周大圆盘各色分量比例,使大小圆盘旋转时人眼观察基本无颜色差异,即完成了颜色匹配。测量大圆盘各色分量的面积比例,与人眼直接观察及软件仿真结果对照,分析颜色信息在多次转换传递中产生的偏差。图8是匹配紫色时转盘静态与旋转时的照片。

图8 颜色匹配实验

2.3 主观颜色实验

由PC机调节图5所示本哈姆圆盘以约8 r/s的低速旋转,在日光下观察盘面是否出现彩色(主观颜色),转速提高后又将出现什么现象。图9是本哈姆圆盘静止及以8 r/s转动时在日光下用数码相机拍摄的照片(照片不显示颜色,但人眼却能观察到弱彩色现象)。

图9 本哈姆圆盘实验

2.4 变色频闪光源周期图案实验

由PC机驱动图6所示黑白圆盘以各种速度旋转,分别在日光灯和红蓝LED阵列光源下观察观察何时出现稳定彩色图案。分析转速与图案瓣数及光源频率的关系,验证是否符合参考文献15中的关系式。实验照片见图10。

图10 变色频闪光源周期图案实验

3 结语

用计算机数字测控技术和新型光电器件克服了颜色实验定量难、主观性强、测量难、重复再现难等困难;使三原色光LED分量精确可控,颜色转盘转速稳定、可调、可测,并借助彩色CCD摄像客观记录实验结果。人眼可同时对比观察实验对象颜色、PC机彩色显示器仿真显示颜色、CCD拍摄彩色照片颜色,分析其差异;并可在同样参数下多次回放和再现。实现了主观与客观的融合,定性到定量的过渡;使色度学实验生动有趣,学生易于理解和记忆。

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