2024年寒假练 - 基于RP2040和LTR-381RGB-WA颜色传感器实现了颜色识别及校准功能

内容介绍

1 项目需求

1.1 目标

本项目旨在设计一个系统，能够识别至少五种颜色，并将识别结果显示在LCD屏幕上。同时，系统还需要能够将识别到的颜色的ADC数据转换为RGB值，并在LCD上用色块的形式展示出来，以便我们能够直观地观察到颜色的接近程度。

1.2 功能需求

颜色识别：系统需要能够准确地识别至少五种不同的颜色。
RGB值转换：对于识别到的颜色ADC数据，系统需要将其转换为对应的RGB值。
显示基本信息：在LCD上显示当前识别到的颜色名称和对应的RGB值。
绘制颜色色块：在LCD上用色块的形式绘制出识别到的颜色，以便用户直观地观察到颜色的接近程度。

2 完成的功能及达到的性能

1. 颜色识别

系统通过I2C传输命令给传感器，并读取ADC数据以获取颜色信息。经过LUX计算，系统准确返回RGB值，从而成功识别红、绿、蓝、黄、紫、白、青蓝等五种以上不同颜色。

2. RGB值的转换

对于识别到的颜色的ADC数据，系统利用“calculate_rgb”函数将其转换为相应的RGB值，并根据“recognize_color”函数中设定的颜色阈值范围，准确地映射到对应的颜色名称。

3. 显示基本信息

在获取到RGBZ值和识别到的颜色名称后，在LCD屏幕上显示当前识别到的颜色名称和对应的RGB值。

4. 绘制识别的颜色色块

系统利用获取到的RGB值，通过“display.circle()”函数，在LCD屏幕上绘制出识别到的颜色色块。色块的颜色与实际颜色接近度较高，使得我们可以直观地观察到识别结果。

3 实现思路

颜色识别：使用图像处理算法对摄像头采集的图像数据信息进行处理，提取出图像中的颜色信息，并与预先定义的颜色模板进行匹配，从而实现颜色识别。

RGB值转换：对于识别到的颜色，将其获取的ADC数据通过LUX公式进行转换获取该颜色的RGB值。

显示基本信息：将识别到的颜色名称和RGB值显示在LCD屏幕上。

绘制颜色色块：利用转换所得的RGB值在LCD屏幕上通过函数绘制出与识别到的颜色相近的色块。

4 实现过程

4.1程序流程图

4.2颜色识别：

读取ADC数据：使用read_adc_data函数从颜色传感器获取RGB颜色的原始数据。该函数按顺序读取指定寄存器地址的低、中、高字节数据，并将其合并为一个ADC数据，以便后续处理。
识别颜色：使用recognize_color函数对读取到的RGB数据进行颜色识别。根据预定义的颜色识别规则，判断RGB值与特定颜色的阈值范围关系，从而确定颜色类型。如果RGB值符合某一颜色的阈值范围，则返回对应的颜色名称；否则返回"Unknown"表示无法识别的颜色。

# 读取ADC数据
def read_adc_data(register_addr_low, register_addr_mid, register_addr_high):
    data = bytearray(3)
    
    i2c.writeto(LTR381_I2C_ADDR, bytes([register_addr_low]))  
    time.sleep(0.01)  
    data[0] = i2c.readfrom_mem(LTR381_I2C_ADDR, register_addr_low, 1)[0]
    
    i2c.writeto(LTR381_I2C_ADDR, bytes([register_addr_mid]))  
    time.sleep(0.01)  
    data[1] = i2c.readfrom_mem(LTR381_I2C_ADDR, register_addr_mid, 1)[0]
    
    i2c.writeto(LTR381_I2C_ADDR, bytes([register_addr_high]))  
    time.sleep(0.01)  
    data[2] = i2c.readfrom_mem(LTR381_I2C_ADDR, register_addr_high, 1)[0]
    
    CS_COLOR_ADC_DATA = (data[2]<<16) | (data[1]<<8) | data[0]
    return CS_COLOR_ADC_DATA

# 识别颜色
def recognize_color(red, green, blue):
    if red > 200 and green < 150 and blue < 100:
        return "Red"
    elif red < 100 and green > 200 and blue < 150:
        return "Green"
    elif red < 60 and green < 150 and blue > 200:
        return "Blue"
    elif red > 200 and green > 200 and blue < 150:
        return "Yellow"
    elif red > 200 and green < 200 and blue > 200:
        return "Purple"
    elif red > 200 and green > 200 and blue > 200:
        return "White"
    elif red < 100 and green > 200 and blue > 200:
        return "Cyan"
    else:
        return "Unknown"

4.3ADC数据到RGB值的转换

· 根据读取到的ADC数据，利用数据手册中的公式，通过计算将其转换成LUX值对应的光照强度值，即对应的RGB值。同时，限定RGB值的范围在0-255之间，以避免程序运行时的异常情况。

# 根据Lux值计算RGB值
def calculate_rgb(red_raw, green_raw, blue_raw, cs_ir_data):
    
    if red_raw == 0:
        red_raw = 1  # 避免除以零错误
    if green_raw == 0:
        green_raw = 1  # 避免除以零错误
    if blue_raw == 0:
        blue_raw = 1  # 避免除以零错误
        
    red = int(min(255, max(0, 3.2 * red_raw * (1 - 0.033 * cs_ir_data / red_raw))))
    green = int(min(255, max(0, 3.2 * green_raw * (1 - 0.033 * cs_ir_data / green_raw))))
    blue = int(min(255, max(0, 3.2 * blue_raw * (1 - 0.033 * cs_ir_data / blue_raw))))
    
    return red, green, blue

4.4显示基本信息

利用MicroPython自带的库`breakout_colourlcd240x240`，初始化一个LCD对象`display`用于绘制LCD屏幕。根据`calculate_rgb`函数和`recognize_color`函数识别并返回的颜色名称和RGB值，将其显示在LCD屏幕上。

# 读取颜色数据并在LCD上显示
def read_and_display_color():
    init()  
    while True:
        red_raw = read_adc_data(0x10, 0x11, 0x12)
        green_raw = read_adc_data(0x0D, 0x0E, 0x0F)
        blue_raw = read_adc_data(0x13, 0x14, 0x15)
        
        CS_IR_DATA = read_adc_data(0x0A, 0x0B, 0x0C)

        if red_raw > 255:
            red_raw = 255
        if green_raw > 255:
            green_raw = 255
        if blue_raw > 255:
            blue_raw = 255
            
        #根据Lux值计算RGB值
        red, green, blue = calculate_rgb(red_raw, green_raw, blue_raw, CS_IR_DATA)
        
        print("Red:", red, "Green:", green, "Blue:", blue)
        # 在LCD上显示颜色数据
        display.set_pen(0,0,0)
        display.rectangle(0, 0, 240, 240)#绘制背景，避免乱码
        
        display.set_pen(255, 0, 0)
        display.text("Red="+str(red), 0, 0, 5, 3)
        
        display.set_pen(0, 255, 0)
        display.text("Green="+str(green), 0, 60, 5, 3)
        
        display.set_pen(0, 0, 255)
        display.text("Blue="+str(blue), 0, 120, 5, 3)

4.5绘制颜色色块

使用LCD屏幕绘制出识别到的颜色色块，根据计算得到的颜色的RGB值确定色块的颜色。

首先，通过调用`recognize_color`函数识别颜色，并在LCD屏幕上显示颜色名称。然后，根据RGB值设置色块颜色，并绘制在LCD屏幕上。最后，通过调用`display.update()`函数更新LCD内容，使色块显示在屏幕上。

				color_name = recognize_color(red, green, blue)
        
        display.set_pen(255, 255, 255)
        display.text("Color="+color_name, 0, 180, 5, 3)
        print(color_name)
        # 在LCD上绘制色块
        display.set_pen(red, green, blue)
        display.circle(190, 120, 50)
        time.sleep(1)
        display.update()  # 更新LCD内容

5 遇到的难题

5.1颜色识别精度

在实际环境中，光照条件、物体表面反射等因素会影响颜色识别的精度，需要采用合适的算法和技术来提高颜色识别的准确性。

5.2RGB值转换

不同颜色空间之间的转换可能存在误差，需要进行适当的校正和调整。

5.3LCD色彩显示

LCD屏幕的色彩显示受到硬件限制，可能无法完美还原颜色，需要进行颜色校正和优化。

6 未来的计划建议

在我看来，该项目已经成功实现了颜色识别及校准的功能，并达到了预期指标。然而通过更换硬件，还有许多可以提升与扩展的地方：

增加颜色识别种类：可以进一步增加系统能够识别的颜色种类，提高系统的适用范围。
优化颜色识别算法：进一步优化颜色识别算法，提高颜色识别的准确性和稳定性。
扩展应用领域：可以将颜色识别系统应用到更广泛的领域，如智能家居、智能车载等，拓展系统的应用场景和市场潜力。