Nota de aplicación 5410
Colores mapa de una parcela CIE y temperatura del color mediante un sensor de color RGB
Por:
Arpit Mehta, Aplicaciones Estratégicas Engineer, amplificadores y Sensores
24 de octubre 2012
Resumen: Esta nota de aplicación se mostrará cómo todos los colores dentro de la gama de color formado por el rojo, verde, azul y constantes en una parcela CIE se puede medir y mapear con un sensor de color RGB. Este sensor RGB también puede controlar la salida de color de LEDs en una pantalla y / o proporcionar retroalimentación para mantener un color de referencia. Un sensor RGB también se asignará a medir la temperatura de color de fuentes de luz prácticos.
Una versión similar de este artículo apareció en EE Times , 17 de julio de 2012.
Introducción
Un sensor de color RGB hoy se puede utilizar en una amplia variedad de aplicaciones de iluminación. Ejemplos típicos incluyen relámpago industrial, pantallas biomédicos equipos, análisis químico, control de retroiluminación del televisor, el interior del automóvil y la iluminación exterior, iluminación y decoración o "estado de ánimo".
Pero, de hecho, un sensor de color con filtros integrados de color RGB puede hacer mucho más. Esta nota de aplicación se mostrará cómo todos los colores dentro de la gama de color formado por el rojo, verde, azul y constantes en una parcela CIE se puede medir y mapear con un sensor de color RGB. Este sensor RGB también puede controlar la salida de color de LEDs en una pantalla y / o proporcionar retroalimentación para mantener un color de referencia. Finalmente, un sensor RGB se asignará a medir la temperatura de color de fuentes de luz prácticos.
El mantenimiento y corrección de color, medición de temperatura de color
La figura 1 muestra un sistema con control de luz de fondo LED RGB basado para iluminación de la pantalla. Un sensor de color proporciona el R real, G, B y el contenido de la luz emitida desde la pantalla; su salida ajusta dinámicamente la R, G, y B corriente de LED de forma independiente, manteniendo de ese modo la salida de referencia de color blanco.Este ajuste de color dinámico ayuda a mantener el color o el seguimiento del punto blanco.
Figura 1. Un sensor de color se utiliza para el seguimiento del punto blanco en un sistema de retroiluminación con LEDs RGB.
Algunos sistemas utilizan la mezcla de colores de R, G, B y salidas de LED. Un sensor de color se puede mantener el color deseado y corregir cualquier variación de las imperfecciones de salida del LED, la deriva con el tiempo y cambios de temperatura. Un sensor de color también mide la temperatura de color, que proporciona información sobre el entorno de luz ambiental, incluyendo su contenido de color y tipo de fuente de luz.
Consideremos ahora un típico TV LCD o pantalla de imágenes médicas que utiliza la información de temperatura de color para corregir la imagen ( Figura 2 ). Percepción del ojo humano de una pantalla está influenciada por las condiciones de luz ambiente del entorno. Una pantalla en un entorno con una temperatura de color más baja 1 de suaves luces blancas o de tungsteno será diferente a la misma pantalla se ve en un entorno de color blanco de alta temperatura con lámparas fluorescentes o la luz del día soleado. Así, el panel LCD tiene que ajustar a cromáticamente el color de la luz ambiente.
Figura 2. Un sensor de color RGB utiliza para la medida de temperatura de color ajusta una pantalla LCD de acuerdo con condiciones de luz ambiente.
Gama de colores y valores de color CIE tricromáticos
La Comisión Internacional de Iluminación ( CIE ) estableció un sistema de colores para definir científicamente colores claros llamados el espacio CIE XYZ color. Es el ampliamente utilizado, de referencia común para definir colores claros. El CIE ha definido un conjunto de tres espectral sensible a las funciones, x ' , y ' , z ' ( Figura 3 ). Estas funciones daría CIE XYZ valores triestímulo en la integración numérica sobre su espectro 2 .
Por lo tanto:
X = f (x ' ), Y = f (y ' ), y Z = f (z ' )
Figura 3. El CIE estándar de coincidencia de colores función.
En base a los valores CIE XYZ, se puede obtener las coordenadas para trazar un diagrama bidimensional llamado un diagrama o un gráfico gama CIE de cromaticidad que muestra todos los colores posibles visibles para el ojo humano (figura 4 ).
Después de la normalización de la X, Y, y Z de los valores triestímulo CIE XYZ, se puede derivar el final de x, los valores de y que definen el color de una luz particular (con independencia de su luminancia ) en el diagrama de cromaticidad:
x = X / (X + Y + Z)
(Ec. 1)
y = Y / (X + Y + Z)
(Ec. 2)
Figura 4. Este gráfico muestra el espectro CIE x, y coordenadas de cromaticidad y el locus temperatura de color. El área triangular cubre toda la gama de colores definidos por el estándar verde, rojo y azul.
Hay claras ventajas de utilizar el espacio de color CIE. Se ofrece toda la gama de colores que un humano puede ver en dos dimensiones formatos. 3 Nota que el locus para la temperatura de color en grados Kelvin, se extiende desde las temperaturas de color más bajas (en rojos) a las temperaturas de color más altas (es decir, en blanco y azul ).
Calcular valores triestímulo con un sensor de color
El MAX44005 es un sensor de color nuevo que integra sensores para cada uno de los colores rojo, verde, azul, ambiente (claro), y canales IR. Las salidas de cada canal se leen a través digital de I ² C líneas. Figura 5 muestra la respuesta espectral de las R, G, y B canales de la MAX44005.
Figura 5. Respuestas espectrales de R el sensor de color MAX44005, G, B, y canales IR.
Para obtener las coordenadas de color correctas (x, y) de la MAX44005 R, G, B y salidas, que primero mapear la respuesta del perfil de sensor de color RGB en la figura 5 a la de valor triestímulo XYZ en la Figura 3. Entonces tenemos que normalizar los valores triestímulo XYZ para obtener coordenadas x e y.
Mapping the Matrix
Para correlacionar la respuesta de las R, G, y B canales del sensor de color a la correspondiente X, Y, y Z, se tiene que determinar las constantes de traducir R, G, B y salidas a sus correspondientes valores XYZ. Esta constante se llama la matriz de correlación constante, una matriz 3 × 3. Los valores de la matriz se encuentra comparando la respuesta del sensor de color RGB con ideales / valores de referencia XYZ (medido con un espectrómetro / colorímetro) bajo las mismas condiciones de iluminación.
Los dos ejemplos siguientes muestran cómo derivar una matriz de correlación constante.
Ejemplo 1. Asignación de salidas de sensor RGB de tres colores primarios
Como se mencionó anteriormente, una matriz de correlación se deriva de un 3 × 3 matriz de transformación que, a su vez, se utiliza para encontrar ecuaciones que transforman el sensor de color (MAX44005) respuesta a sus equivalentes constantes triestímulos de CIE. Para determinar la matriz de correlación constante, los valores triestímulo (XYZ) en la matriz 3 × 3 se multiplican a la inversa de la respuesta del sensor de color (RGB) de la matriz (3 x 3) de tres colores de la diferencia de luz (véase la Ecuación 3).
Usamos un Ocean Optics ® espectrómetro USB4000 para calcular los valores triestímulo XYZ para una luz particular.(Para este paso, se puede utilizar un KONICA MINOLTA ® CL200 medidor de color también). Para este experimento, elegimos estándar rojo, verde y luz azul para cubrir toda la gama CIE. El montaje experimental se ve en la Figura 6 .
Figura 6. Configuración para el mapeo de los MAX44005 R, G, B y valores para la gama de colores cubierta por estándar de color rojo, verde, y azul. Como los colores de los LED son variadas, las R, G, y B recuentos del cambio MAX44005 y x, la ubicación y en la parcela CIE refleja este cambio. De manera similar, una matriz diferente ha sido utilizado en la configuración para cubrir el locus temperatura de color de 2800K a 5000K.
Por lo tanto, la matriz de correlación constante es:
(Ec. 3)
Donde:
Xred, Xgreen, XBLUE, Yred, Ygreen, Yblue, y Zred, Zgreen, Zblue son respuestas del colorímetro USB4000 bajo rojo, verde y luz azul.
Rred, Rgreen, rblue, Gred, Ggreen, Gblue, y Bred, Bgreen, bBlue son las respuestas de los canales de salida de la MAX44005 rojo, verde y azul en rojo, verde y luz azul.
Basándose en los experimentos de banco, la matriz puede ser llenado con los números siguientes:
(Ec. 4)
Una vez que la matriz constante se conoce, la expresión final para la transformación se puede dar como:
(Ec. 5)
Por lo tanto, las ecuaciones para X, Y, Z se convierten en:
X = (228.75 × 10 -6 . R) + (2,06 × 10 -6 . G) + (-12,45 × 10 -6 . B)
(Ec. 6)
Y = (54,65 × 10 -6 . R) + (245 × 10 -6 . G) + (-127.2 × 10 -6 . B)
(Ec. 7)
Z = (-1,045 × 10 -6 . R) + (-25,03 × 10 -6 . G) + (181 × 10 -6 . B)
(Ec. 8)
Prueba de la MAX44005 bajo nivel de luz roja dio cuenta de R = 3049, G = 649 y B = 149.
Al conectar estos números en las ecuaciones 6, 7 y 8 da
X = 0,6969
Y = 0,3066
Z = 0,00754
Lo anterior X, Y, los valores de Z se puede utilizar para calcular CIE x, los valores de y, como se indica en las ecuaciones 1 y 2.
x = X / (X + Y + Z)
(Ec. 9)
Por lo tanto:
x = 0,6969 / (0,6969 +0,3066 +0,00754) = 0,6892
(Ec. 10)
Del mismo modo:
y = Y / (X + Y + Z)
(Ec. 11)
Por lo tanto:
y = 0,3066 / (0,6969 + 0,3066 + 0,00754) = 0,3033
(Ec. 12)
La x, y valor (0.6892,0.3033) en la x, y CIE trama muestra el color rojo, lo que valida nuestro experimento.
Ejemplo 2. Asignación de salidas de sensor RGB de bombillas de colores diferentes de luz de temperatura
Una breve digresión sobre la teoría del color temperatura será de utilidad antes de derivar una matriz constante la temperatura de color de las bombillas.
La temperatura del color es una característica de la luz visible, con las unidades de medida en grados Kelvin (K). La definición CIE de temperatura de color es la temperatura de un planckiano (negro perfecto) radiador cuya radiación tiene la misma cromaticidad como un estímulo dado. Por lo tanto, la temperatura de color de una fuente de luz es el color percibido de un radiador de cuerpo negro ideal cuando se calienta a esta temperatura particular en Kelvin. 4 Esto es similar al calentamiento de un cuerpo negro o un trozo de metal que, una vez calentada, constantemente produce colores que siguen a la aumento de la temperatura (por ejemplo, rojo primero, luego naranja, amarillo, y así sucesivamente, tras el aumento de la temperatura).
La figura 7 muestra que a bajas temperaturas (2700K), el color se ve de color rojo oscuro. Cuando la temperatura aumenta, el color pierde su saturación y aparece amarillento a temperaturas alrededor de 3500K (la temperatura de color de una lámpara de tungsteno típico). Nuevo incremento de la temperatura provoca un color aparente blanco alrededor de 5000K (es decir, luz de día) o blanco azulado alrededor de 6500 (es decir, un día de sol brillante).
(Tenga en cuenta que esto es contrario al sentido común a la percepción de la mente humana de las temperaturas más altas con colores cálidos y azules o blancas frías o con colores más baja temperatura). 5, 6
Figura 7. Temperaturas de color para diferentes fuentes de luz.
Recordemos que la temperatura de color de medición es importante para la supervisión fuera de las condiciones de luz y luego ajustando la luz de fondo de los paneles LCD para mejorar la experiencia del espectador. Nuestro ejemplo anterior era una pantalla de TV, pero la información de temperatura de color se puede utilizar para instrumentación industrial, control de proceso, y aplicaciones médicas.
A continuación se muestra el ejemplo de la cartografía MAX44005 salidas RGB para la temperatura de color de tres lámparas de diferentes temperaturas de color diferentes. Las lámparas seleccionadas cubren un amplio rango de temperaturas de color:
- = 2800K Philips ® ™ Halogena 50W (halógena incandescente)
- 3500K = EcoSmart-28930BD (soft white)
- EcoSmart 5000K-ESM27 (luz del día)
Basado en el procedimiento descrito anteriormente para la asignación de colores, una matriz de correlación constante se deriva como:
(Ec. 13)
Basándose en los experimentos de banco, la matriz puede ser llenado con los valores siguientes:
(Ec. 14)
(Ec. 15)
Por lo tanto, las ecuaciones para X, Y, Z se convierten en:
X = (-959.3 × 10 -6 . R) + (1703,4 × 10 -6 . G) + (-238.1 × 10 -6 . B)
(Ec. 16)
Y = (-1.004,9 × 10 -6 . R) + (1573,7 × 10 -6 . G) + (166,2 × 10 -6 . B)
(Ec. 17)
Z = (-937.8 × 10 -6 . R) + (775,7 × 10 -6 . G) + (1497,2 × 10 -6 . B)
(Ec. 18)
Prueba de la MAX44005 bajo una bombilla de temperatura de color 2800 K dio cuenta de R = 3209, T = 2162, y B = 968.
Al conectar estos números en las ecuaciones 16, 17, y 18 se obtiene:
X = 0,3738
Y = 0,3385
Z = 0,1169
Así, a partir de las Ecuaciones 1 y 2:
x = 0,3738 / (0,3738 + 0,3385 + 0,1169) = 0,4508
(Ec. 19)
Del mismo modo:
y = 0,3385 / (0,3738 + 0,3385 + 0,1169) = 0,4081
(Ec. 20)
Para el cálculo de la temperatura de color, aplicamos la ecuación más ampliamente utilizado propuesto por McCamy. 5Tenga en cuenta que hay que decir "correlación" temperatura de color (CCT) en lugar de la temperatura de color, aunque para todo propósito práctico, los términos son intercambiables. 7, 8
De acuerdo con la fórmula McCamy:
CCT = 449,0 × ³ n × n + 3525.0 + 6823.3 ² × n + 5.520,33
(Ec. 21)
Donde:
n = (x - Xe) / (Ye - y)
(Ec. 22)
Xe = 0,3320
= 0,1858 Vosotros
Al conectar los números para x e y de las ecuaciones 19 y 20 en la ecuación 22, obtenemos:
CCT = 2812K
(Ec. 23)
Esto está muy cerca de la temperatura de color de 2800K especificado.
Conclusión
Un sensor de color con R, G, y B canales se pueden configurar para cualquiera de las tres variables utilizando el proceso de asignación presentado aquí. Además, todos los colores posibles en el gráfico gama CIE en el triángulo formado por el rojo, verde y azul se puede medir usando un sensor RGB y la asignación de colores. De manera similar, un sensor de RGB se puede asignar para medir la temperatura de color de fuentes de luz prácticas y / o contenido de color de LEDs.
Referencias
- Véase la discusión relacionada con la temperatura de color en el extremo de la sección en valores triestímulo.
- Consulte el sitio web de CIE y la descripción de triestímulo en www.cie.co.at/index.php/LEFTMENUE/About+ us / index.php .
- CIE, Vocabulario Internacional de Alumbrado, publicación CIE 17.4-1987, Viena, Austria: CIE Oficina Central.
- McCamy, CS, "temperatura de color correlacionada como una función explícita de coordenadas de cromaticidad," Res Color. Appl, 17:. 142-144 (1992). doi: 10.1002/col.5080170211
- El término "temperatura de color" es apropiado para fuentes de producción de luz a través de calentamiento (por ejemplo, un radiador de cuerpo negro), temperatura de color correlacionada se debe utilizar para las fuentes que producen luz sin un elemento de calefacción-esto sigue la planckiano locus . Como se muestra en el diagrama CIE de la figura 4, la curva de Planck se extiende entre las temperaturas de 1500K a 10.000 K.
Halogena es marca registrada de Philips Electronics North America. KONICA MINOLTA es una marca registrada de Konica Minolta Holdings, Inc. Ocean Optics es una marca registrada de Ocean Optics, Inc. Philips es una marca registrada de Koninklijke Philips Electronics NV Ltd.
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