CC BY
33
УДК 535.6+621.398
М. Н. Морозова, В. А. Соловьев
НЕЙРОКОЛОРИМЕТР НА ОСНОВЕ ЦИФРОВОГО МАТРИЧНОГО СЕЛЕКТИВНОГО МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО ФОТОПРИЕМНИКА
Аннотация. Предлагается интегральный колориметр, работающий на принципах искусственных нейронных сетей. Рассматриваются методы повышения точности воспроизведения, относительной спектральной чувствительности измерительных каналов колориметра, под функции сложения цветов стандартного наблюдателя при производстве.
Abstarc t. The integral colorimeter is proposed, working on the principles of artificial neural nets. Methods of improving the accuracy of reproduction the relative spectral sensitivity for functions of color composition of standard observer in manufacturing and operation are considered.
Ключевые слова: цвет, интегральный колориметр, нейронные сети, функция сложения цветов стандартного наблюдателя, координаты цвета, фотоприемник, синаптический коэффициент.
Key words. Color, the integral colorimeter, neural nets, functions of color composition of standard observer, color coordinates, photodetector, synaptic coefficient.
Появление на рынке многоэлементных фотоприемников, в том числе и с цифровым выходом, которые широко используются в оптических приборах, позволило посмотреть на идеологию построения интегральных колориметров с позиций искусственных нейронных сетей. Этому способствовало и то обстоятельство, что механизм цветового зрения человека основан на передаче информации о свете и цвете от множества палочек и колбочек зрительного аппарата к мозгу в результате сложного взаимодействия нейронов.
На рис. 1 приведена функциональная схема нейроколориметра, построенного на основе цифрового матричного селективного многоэлементного фотоприемника 811059-78НТ, состоящая из измерительного модуля и модуля обработки полученной информации.
Рис. 1. Функциональная схема нейроколориметра на основе цифрового матричного селективного многоэлементного фотоприемника с последовательным обменом с ПК по шине І2С
Измерительный модуль нейроколориметра включает два селективных многоэлементных фотоприемника, на один из которых попадает излучение, отраженное от исследуемого объекта (измерительный тракт) (ИТ), а на второй - от источника излучения (сравнительный тракт) (СТ).
Фотоприемник 811059-78НТ состоит из 40 фоточувствительных элементов и схемы управления. Размер каждого фоточувствительного элемента фотодиодной матрицы составляет 110^135 мкм, а размер фоточувствительных элементов фотодиодной матрицы - 1,22^0,56 мм, при габаритах микросхемы 1,68x1,18 мм (без выводов) (рис. 2). Спектральная чувствительность фотоприемников соответствует кривым, приведенным на рис. 3.
110
Красный
к
Неселективный
У
Синий Зеленый
Рис. 2. Расположение активных элементов цифрового матричного селективного многоэлементного фотоприемника
Схема управления содержит систему аналоговых ключей, 16-разрядный аналогоцифровой преобразователь (АЦП), цифровой регистр и интерфейс І2С.
Принцип работы схемы управления следующий. Сигналы с выходов фотоприемников построчно преобразовываются в 16-разрядный цифровой код и по интерфейсу І2С передаются в персональный компьютер (ПК).
Ж
Рис. 3. Кривые относительной спектральной чувствительности
Цифровой матричный селективный многоэлементный фотоприемник (в дальнейшем фотоприемник), имеющий в своем составе шину 12С, может действовать как приемник либо как передатчик. В режиме приемника фотоприемник принимает данные по линии 8БЛ, а по линии 8СЬ - синхронизирующие тактовые импульсы. В режиме передатчика фотоприемник по линии 8БЛ передает данные, а по линии 8СЬ - синхронизирующие тактовые импульсы.
Фотоприемники, подсоединенные к данной шине, во время передачи данных могут быть ведущими или ведомыми. Ведомым является фотоприемник, по адресу которого обращается
ПК с требованием передачи данных. В роли ведущего устройства выступает ПК, осуществляющий обмен данными через преобразователь интерфейса 12С/и8Б.
Скорость передачи данных определяется посредством тактового сигнала в линии 8СЬ. В качестве верхней границы для такта установлена частота 100 кГц, а нижней границы не существует. Каждый фотоприемник, подключенный к шине, должен быть в состоянии придерживаться тактовой частоты.
Работа шины и, следовательно, ее занятость определяются условием начала передачи. Линии 8СЬ и 8БЛ находятся в состоянии высокого уровня (т.е. в состоянии покоя). Ведущее устройство, которое хочет начать передачу данных, изменяет состояние линии 8БЛ к низкому уровню.
После наступления условия начала передачи шина будет занята ведущим устройством, создавшим это условие, вследствие чего все другие ведущие устройства будут заблокированы.
Условие начала (рис. 4) является однозначным состоянием на шине, потому что смена уровня сигнала на линии 8БЛ, как правило, допускается только тогда, когда тактовая линия 8СЬ находится в состоянии низкого уровня.
SDA
SCL
START condition
Рис. 4. Условие начала передачи данных по интерфейсу I2C
Все устройства, подключенные к шине, должны распознать условие начала передачи и переключаются на прием (ведомое устройство/приемник).
После создания условия начала передачи между фотоприемником и компьютером начинается передача данных. Компьютер (ПК) переводит тактовую шину в состояние низкого уровня и после этого может занять линию передачи данных затребованным информационным разрядом (высоким или низким уровнем в линии SDA), что представлено на диаграмме.
Передача данных выполняется побайтно, при этом первым передается старший значащий бит - MSB. После передачи старшего полного байта данных, состоящей из восьми тактовых циклов, следует бит подтверждения от приемника.
После окончания передачи данных шина освобождается ведущим устройством. Освобождение шины осуществляется условием завершения. Условие завершения характеризуется переходом канала SDA с низкого на высокий, в то время как по каналу SCL передается сигнал высокого уровня. Условие окончания показано на временной диаграмме (рис. 5).
ИГЛ________/ \______/ : р
START condition . STOP condition
Рис. 5. Условие остановки передачи данных
Сигналы от фотоприемников рабочего и сравнительного каналов измерения передаются в ПК, где предварительно обрабатываются в соответствии с уравнением фотометрической шкалы прибора, учитывающим величины темновых токов каждого фотоприемника, а также значения сигналов, соответствующих началу и концу фотометрической шкалы. В результате предварительных вычислений мы получаем массив цифровых чисел N( ) соответствующих
спектрозональным коэффициентам отражения или пропускания объекта.
Для вычисления координат цвета на основе полученных данных с цифровых матричных селективных многоэлементных фотоприемников используются соотношения, полученные в результате разработки математической модели колориметра на основе искусственных нейронных сетей [1, 2]:
m X = I ®X J=1 f^KxjN (X, )ф, (X, ) Sxj (X, )AX _,=1 _
m Y = I mYJ J =1 IKYjN(X, )ф/, (X, )Syj (X, )AX ; і =1 _
m Z = I mzj J =1 f^KZjN(XI)фр(X,)SZj(X,)AX , _ ,=1 _
(1)
где <£Х]-, шу-, ®г] - синаптические коэффициенты; Кх, КУ, Кг - коэффициенты передачи по каналам измерения X, У, Z (устанавливаются при калибровке прибора по образцу с известными координатами цвета); Ы( Х г-) - спектрозональные коэффициенты отражения или пропускания объекта; фр( Х1) - относительное спектральное распределение потока излучения реального источника, установленного в приборе; £Х( Х), £У( Х), Б2( Х) - относительная спектральная чувствительность фотоприемников по соответствующим каналам измерения; ] - номер фотоприемника; т - число фотоприемников; п - число длин волн, по которым ведется суммирование.
Для нахождения синаптических коэффициентов производится обучение искусственной нейронной сети колориметра. Обучение заключается в измерении образцовых мер цвета и соответствующих им фототоков на нейроколориметре и последующем расчете значений синаптических коэффициентов [3].
Описанный подход позволяет повысить точность воспроизведения относительной спектральной чувствительности измерительных каналов X, У, Z под функции сложения цветов стандартного наблюдателя при серийном производстве. Одновременно с этим в период эксплуатации возможные изменения относительного спектрального распределения потока излучения источника и спектральной чувствительности фотоприемников учитываются при нахождении новых значений синаптических коэффициентов в процессе обучения. Использование цифровых матричных селективных многоэлементных фотоприемников позволяет создавать малогабаритные, высокоточные колориметры с малым энергопотреблением, что обеспечивает конкурентные преимущества на рынке цветоизмерительной аппаратуры.
Список литературы
1. Морозова, М. Н. Адаптивная система интегрального колориметра / М. Н. Морозова, В. А. Соловьев // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации : тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2010. - С. 190-195.
2. Морозова, М. Н. Адаптация нейроколориметра при измерении относительной спектральной плотности излучения источника / М. Н. Морозова, В. А. Соловьев // Надежность и качество - 2011 : тр. Междунар. симп. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - Т. 2. - С. 281-283.
3. Морозова, М. Н. Моделирование обучения интегрального колориметра на образцовых мерах / М. Н. Морозова, В. А. Соловьев // Математическое и компьютерное моделирование естественнонаучных и социальных проблем : сб. ст. V Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Приволжский дом знаний, 2011. - С. 207-211.
Морозова Мария Николаевна
аспирант,
Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Соловьев Владимир Александрович
доктор технических наук, профессор, кафедра приборостроения,
Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Morozova Mariya Nikolaevna
postgraduate student,
Penza State University
Solov'ev Vladimir Aleksandrovich
doctor of technical sciences, professor, sub-department of instrumentation technology, Penza State University
УДК 535.6+621.398 Морозова, М. Н.
Нейроколориметр на основе цифрового матричного селективного многоэлементного фотоприемника / М. Н. Морозова, В. А. Соловьев // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2012. - № 1. - С. 45-49.
