朱 昊， 張承巍， 譚峭峰， 郭 宏

(清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系，精密測(cè)試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)

0 引言

人類從自然界所獲信息80%以上為視覺信息［1］，其中顏色所占比重很高。顏色研究屬交叉學(xué)科，在信息光學(xué)、生理及心理學(xué)領(lǐng)域都有重要意義。顏色是一種心理物理量，帶有主觀性［2］;雖然國內(nèi)外已制訂了多種顏色體系試圖對(duì)其進(jìn)行精確測(cè)量和評(píng)價(jià)，照明裝飾、彩印織染、造紙涂料等相關(guān)工業(yè)部門也開發(fā)出系列化的色差計(jì)、白度計(jì)、光電色度計(jì)、比色計(jì)等儀器對(duì)產(chǎn)品的顏色進(jìn)行控制［3-4］，但這類昂貴的儀器僅適合在專業(yè)廠商的質(zhì)檢部門使用，難以用來做直觀形象的色度學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。長期以來，應(yīng)用光學(xué)課只靠課堂講解教科書內(nèi)容，學(xué)生無法獲得鮮明印象，影響教學(xué)效果。為此，我們自主開發(fā)了適合教學(xué)的系列顏色實(shí)驗(yàn)，以喚起學(xué)生興趣［5］;現(xiàn)以計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)改善原系統(tǒng)的性能，對(duì)多種顏色現(xiàn)象進(jìn)行定性和定量實(shí)驗(yàn)［6］，提升教學(xué)效果。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

1．1 LED色光混合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

自然界物體發(fā)出的每種顏色光，都可用選定的R(紅)、G(綠)、B(藍(lán))三原色光按適當(dāng)比例混合而成，這就是三色學(xué)說［7］。我們用PC機(jī)控制三色LED來模擬這一過程。

工業(yè)界近來推出一種用于裝飾和指示的LED組件，將多個(gè)單色LED管與帶衍射散射微結(jié)構(gòu)的有機(jī)玻璃平板封裝為一體，可在整個(gè)屏面發(fā)出強(qiáng)度均勻的顏色光。我們訂制了一組三基色混色屏，將R(紅)、G(綠)、B(藍(lán))3種單色LED組裝在一塊屏中。為使各顏色光強(qiáng)度基本一致，每塊屏中封裝了 R(紅)色LED2只、G(綠)、B(藍(lán))LED各1只，混色效果良好。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)和電路圖如圖1、圖2所示。

圖1 色光混合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 色光混合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電路

系統(tǒng)硬件由3部分組成:PC機(jī)，USB接口模塊，單片機(jī)及LED驅(qū)動(dòng)電路。采用AT89C52單片機(jī)，晶振頻率22．118 4 MHz，以通用USB接口芯片PDIUSBD12實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的通訊［8-9］。用戶在PC機(jī)軟件界面輸入的顏色RGB三分量值，由單片機(jī)接收處理后，從各輸出端依次輸出占空比可調(diào)的方波，即以PWM方式控制輸出引腳電壓有效值［10］，使紅綠藍(lán)三色LED以不同亮度發(fā)光，在混色屏上均勻混合出不同顏色。彩色CCD攝像頭拍攝混色屏的視頻并顯示，可隨時(shí)抓拍混色照片提取其RGB值，并計(jì)算當(dāng)前背景光環(huán)境下混色照片的分量差值。系統(tǒng)控制軟件以VC語言編程。

1．2 顏色轉(zhuǎn)盤實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)單片機(jī)和接口電路硬件、CCD及圖像采集部分均與LED色光混合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相同。另外增加了功率放大電路以驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)及其負(fù)載的顏色轉(zhuǎn)盤，以PWM方式調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，憑借光耦和斬波器反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制和轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)測(cè)量。用此平臺(tái)可完成三組實(shí)驗(yàn):

圖3 顏色轉(zhuǎn)盤實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)

(1)顏色匹配實(shí)驗(yàn)。用如圖4(a)所示的R(紅)、G(綠)、B(藍(lán))、黑四塊徑向開口的圓盤交叉疊放，把整個(gè)圓分成紅、綠、藍(lán)、黑四個(gè)扇形，扇形面積間的比例可任意調(diào)節(jié);疊成圓的中心安裝一擬匹配顏色的圓盤C(圖4 b)。將該裝置固定于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的平臺(tái)上繞中心軸旋轉(zhuǎn);改變R、G、B三色扇形面積的比例，觀察者就可在圓盤外圈看到三種顏色的混合色;調(diào)節(jié)黑色扇形的大小，則可改變混合色的明度值。圖4(c)是一套疊合好的顏色轉(zhuǎn)盤。此實(shí)驗(yàn)是基于人類視覺生理特征所產(chǎn)生的色彩混合，不改變色光和發(fā)色材料本身，混色的亮度不增加也不減低，故稱之為中性混合。如采用模擬電路控制此轉(zhuǎn)盤，雖簡易但不能做定量實(shí)驗(yàn)［11］。用計(jì)算機(jī)控制，可使圓盤轉(zhuǎn)速更平穩(wěn)，借助斬波器檢測(cè)轉(zhuǎn)速，彩色CCD拍攝混色效果，可獲更多參數(shù)供定量分析。

圖4 顏色轉(zhuǎn)盤

(2)主觀顏色實(shí)驗(yàn)。圖5所示黑白圓盤稱為本哈姆(C．E．Benham)圓盤，在顯色性好且穩(wěn)定的非頻閃環(huán)境光(如日光)照射下，以約8 r/s低速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)看到彩色線條，推測(cè)該現(xiàn)象是在無外界顏色刺激時(shí)，人眼視覺系統(tǒng)的感受機(jī)制被激活而產(chǎn)生的顏色感覺［12］;這種弱彩色現(xiàn)象被稱作主觀顏色(subjective colors)。此現(xiàn)象引人入勝，但其解釋百余年來眾說紛紜［13-14］，尚無定論。借助計(jì)算機(jī)精確控制并測(cè)量轉(zhuǎn)盤速度，以彩色CCD拍攝轉(zhuǎn)盤快照，與人眼的觀察結(jié)果做主客觀對(duì)比分析，可為該現(xiàn)象的深入研究提供更豐富可靠的資料。

圖5 產(chǎn)生主觀顏色的黑白圓盤

(3)變色頻閃光源周期圖案實(shí)驗(yàn)。在日光燈等頻閃電光源照射下，圖5中的黑白圓盤在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)會(huì)多次出現(xiàn)奇異且有規(guī)律的穩(wěn)定彩色周期圖案。改變圓盤轉(zhuǎn)速或光源頻率、光源波形占空比，圖案的分布及形狀也隨之發(fā)生有趣的變化。我們根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)出圖案周期特征與圓盤轉(zhuǎn)速的關(guān)系式:光源閃爍頻率=圖案瓣數(shù)×圓盤轉(zhuǎn)速［15］。

圖6為我們根據(jù)上述圖案變化規(guī)律自己設(shè)計(jì)的黑白圓盤，實(shí)驗(yàn)效果更為明顯:圖6(a)色差鮮明，圖案瓣數(shù)隨圓盤轉(zhuǎn)速和光源閃爍頻率變化;圖6(b)和(c)盤在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時(shí)，能看到靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩組圖案共存的現(xiàn)象，且圖案穩(wěn)定區(qū)隨轉(zhuǎn)速變化做向心或離心漂移。此實(shí)驗(yàn)揭示的規(guī)律可用于工業(yè)上的非接觸轉(zhuǎn)速檢測(cè)［16］;在日光燈下的玩具陀螺上也能看到類似現(xiàn)象，證明生活中看似穩(wěn)定柔和的照明燈具也有變色和強(qiáng)度閃爍，只是因視覺暫留而沒有被人們察覺。

圖6 變色頻閃光源下產(chǎn)生周期圖案的黑白圓盤

為提高顯色對(duì)比度，我們以信號(hào)發(fā)生器輸出的方波配合邏輯電路，驅(qū)動(dòng)交錯(cuò)安裝在一塊電路板上的紅、藍(lán)兩組LED陣列，分別在方波的正半周期和負(fù)半周期同步發(fā)出不同顏色的光，在黑暗環(huán)境下在圖6的圓盤上會(huì)呈現(xiàn)遠(yuǎn)比日光燈下對(duì)比度高的紅藍(lán)相間鮮艷圖案。調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器頻率使之倍增，圖案的分瓣數(shù)也倍增，有強(qiáng)烈的視覺沖擊力。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及效果

2．1 LED色光混合實(shí)驗(yàn)

由軟件輸入RGB分量值，在LED混色屏上觀察色光混合，注意RGB三分量相等時(shí)是否得到白光;可與教科書上的典型實(shí)例對(duì)照。如:紅光+綠光=黃光(紅綠分量相等時(shí))。人眼直接觀察混色屏顏色，與彩色CCD拍攝的照片及PC機(jī)軟件按色光混合規(guī)律仿真結(jié)果對(duì)照，分析顏色信息在多次轉(zhuǎn)換傳遞后的偏差。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)照片和混色軟件界面如圖7所示。

圖7 色光混合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)照片及操作軟件界面

2．2 顏色匹配實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)臺(tái)安裝如圖4所示的顏色轉(zhuǎn)盤，調(diào)整外周大圓盤各色分量比例，使大小圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)人眼觀察基本無顏色差異，即完成了顏色匹配。測(cè)量大圓盤各色分量的面積比例，與人眼直接觀察及軟件仿真結(jié)果對(duì)照，分析顏色信息在多次轉(zhuǎn)換傳遞中產(chǎn)生的偏差。圖8是匹配紫色時(shí)轉(zhuǎn)盤靜態(tài)與旋轉(zhuǎn)時(shí)的照片。

圖8 顏色匹配實(shí)驗(yàn)

2．3 主觀顏色實(shí)驗(yàn)

由PC機(jī)調(diào)節(jié)圖5所示本哈姆圓盤以約8 r/s的低速旋轉(zhuǎn)，在日光下觀察盤面是否出現(xiàn)彩色(主觀顏色)，轉(zhuǎn)速提高后又將出現(xiàn)什么現(xiàn)象。圖9是本哈姆圓盤靜止及以8 r/s轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在日光下用數(shù)碼相機(jī)拍攝的照片(照片不顯示顏色，但人眼卻能觀察到弱彩色現(xiàn)象)。

圖9 本哈姆圓盤實(shí)驗(yàn)

2．4 變色頻閃光源周期圖案實(shí)驗(yàn)

由PC機(jī)驅(qū)動(dòng)圖6所示黑白圓盤以各種速度旋轉(zhuǎn)，分別在日光燈和紅藍(lán)LED陣列光源下觀察觀察何時(shí)出現(xiàn)穩(wěn)定彩色圖案。分析轉(zhuǎn)速與圖案瓣數(shù)及光源頻率的關(guān)系，驗(yàn)證是否符合參考文獻(xiàn)15中的關(guān)系式。實(shí)驗(yàn)照片見圖10。

圖10 變色頻閃光源周期圖案實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)語

用計(jì)算機(jī)數(shù)字測(cè)控技術(shù)和新型光電器件克服了顏色實(shí)驗(yàn)定量難、主觀性強(qiáng)、測(cè)量難、重復(fù)再現(xiàn)難等困難;使三原色光LED分量精確可控，顏色轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、可調(diào)、可測(cè)，并借助彩色CCD攝像客觀記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。人眼可同時(shí)對(duì)比觀察實(shí)驗(yàn)對(duì)象顏色、PC機(jī)彩色顯示器仿真顯示顏色、CCD拍攝彩色照片顏色，分析其差異;并可在同樣參數(shù)下多次回放和再現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)了主觀與客觀的融合，定性到定量的過渡;使色度學(xué)實(shí)驗(yàn)生動(dòng)有趣，學(xué)生易于理解和記憶。

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