基于FPGA的顏色識別觸摸屏系統設計與實現

黃智輝++李榕

摘 要： 為了提高顏色識別系統的準確性、穩定性以及設計靈活性，基于現場可編程門陣列技術，設計了一個應用于靜態圖片的顏色識別系統，并設定了觸摸屏功能。通過觸摸讀取屏幕坐標對應的RGB顏色值，減少了環境變化對系統的影響，利用閾值判定法實現顏色識別。實驗結果表明，該系統穩定而且實用性強，系統可以識別任意800×480像素bmp圖像的顏色，并具有較好的魯棒性。

關鍵詞： 顏色識別； 現場可編程門陣列； 觸摸屏； 閾值判定法

中圖分類號： TN911?34； TP212.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）10?0061?04

顏色識別是一種新興的檢測技術，它是在自動控制系統的出現后才被提出的，也是自動控制理論的簡單應用，并得到了大力的發展。雖然提出時間較晚，但在實時檢測系統以及自動控制方面有著重要的意義。隨著科技的進步，處理器的速度有了飛躍性的發展，這也同時提高了這個系統的效率。物體顏色的識別，傳統方法是測出物體的三刺激值（RGB）坐標，通過查詢CIE（國際照明委員會）1931標準色度圖來確定顏色[1]。顏色是一個模糊的概念，采用量化和傳統的傳感器是不夠的[2]。

在信息化與科技日益發達的當今社會，顏色識別正向智能化的方向發展，顏色識別作為自動控制系統的一項重要功能，是當今數字圖像處理的研究熱點之一，具有重大的研究意義。在目前的實現方式中，有在PC上用軟件[3]實現，但便攜性差。而單片機的設計雖然滿足功耗以及便攜性等因素[4]，但其可升級性，設計的靈活性以及處理速度卻不及現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）。而在FPGA上有基于軟核的實現方式[5]，但相對于硬件方式，軟核在速度上收到很大限制，但是相對于硬件實現方式，軟核在速度上收到很大的限制。

在算法方面，很多研究都是利用顏色傳感器TCS230[6?8]進行顏色識別，在RGB色彩空間下[9]或者是在HSV[10]色彩空間下對顏色分量進行測量，經過單片機等處理器進行白平衡等算法處理。有以下不足：計算量太大，實時性效果不好，以及環境變化對檢測效果影響大，同時在算法方面的計算都是在單片機，FPGA的軟核實現。針對這種情況。本文提出使用FPGA硬件加上觸摸屏兩大硬件相結合的方式，在RGB色彩空間下，采用設定閾值識別顏色的方法。這種算法既簡單又能減少環境對系統的影響，而且精度高，能識別多種顏色，滿足生活要求，十分實用。

1 顏色識別系統

顏色識別系統設計的顏色識別主要是基于先檢測后識別的方法，通過對觸摸屏中觸摸的像素點進行逐點分析，根據觸摸的坐標點與顯示的像素點對應檢測出對應點，提取像素信息進行顏色識別。

1.1 系統設計款圖

系統設計主要包括2個功能：

（1） 圖像的讀取與顯示；

（2） 對于圖像及觸摸屏進行算法處理，觸摸屏坐標數/模轉化，觸摸屏坐標對應顏色坐標，圖像采集，緩存，算法處理，顯示模塊。

圖1 系統設計框圖

1.2 圖像讀取與顯示

為了適應觸摸屏顯示的圖像大小，系統采用像素大小為800×480的bmp格式圖像，通過接口傳輸數據，把圖像讀入DE2開發板的FLASH中。

圖像的顯示采用的是LCD顯示，顯示器采用的是altera公司出產的TRDB_LTM4.8寸液晶顯示觸摸屏，通過GPIO接口與FPGA相連，LCD控制器模塊主要是用來產生VGA顯示需要的時序以及根據行和場計數而產生的顏色坐標。

1.3 觸摸屏

作為系統的核心部分，LTM控制器模塊主要是用來產生人觸摸到觸摸屏產生的坐標，由模擬信號經過模/數轉換后產生觸摸屏坐標，再經過公式換算成與顯示坐標相對應的顏色坐標。這樣，在觸摸屏上觸碰的點就是要識別顏色的對應像素點。

1.4 圖像的緩存

本文系統的圖像是24位RGB格式，R，G，B各8 b，為了高效地利用SDRAM，采用4端口的SDRAM，SDRAM的使用如圖2所示。

圖2 SDRAM圖像緩存

在本文系統中，SDRAM緩存3幅圖像。由于不同平臺的SDRAM的容量不一樣，為了在有限資源下完成系統設計要求，在這里做簡化處理。圖像寫入時BANK1低8位為Green，高8位為Red，BANK2低8位為Blue，高8位補0。

2 顏色識別原理及實現

顏色識別原理框圖如圖3所示。

圖3 顏色識別原理框圖

2.1 觸摸屏坐標

LTM配備了ADI公司的AD7843觸摸屏數字轉換器芯片。 AD7843是一個12位模/數轉換器（ADC）進行數字化的x和施加到觸摸屏上的觸摸點y坐標。存儲在AD7843觸摸點的坐標可通過串行端口接口而獲得。為了獲得來自ADC的坐標，用戶需要做的第一件事就是監視來自ADC輸出的中斷信號ADC_PENIRQ_n。通過連接一個上拉電阻，在ADC_PENIRQ_n輸出保持高電平正常。當連接到ADC的觸摸屏是通過筆或手指觸摸時，ADC_PENIRQ_n輸出變為低電平，啟動一個中斷給FPGA，然后可以指示一個控制字通過串行端口接口被寫入到ADC。經模數轉換之后，轉換成觸摸屏坐標，如圖4所示，觸碰的范圍由熒幕左下角開始，畫面分割為往上為x軸，可由12個2進制數（3個16進制數）表現其位置。往右為t軸，可由12個2進制數（3個16進制數）表現其位置。結合x軸與y軸的數字構成觸碰熒屏系統。

圖4 觸摸屏坐標

2.2 顏色邏輯坐標

由于LCD讀取圖像數據顯示是從左上到右下的順序讀入，觸摸屏坐標不符合邏輯要求，所以，為了方便把觸摸的坐標對應上顯示的坐標800×480的要求，對X，Y分別運用轉換公式：

oX_COORD≤（（my_coordinate/5）-20）；

oY_COORD≤（（（mx_coordinate>>3）-20））；

oX_COORD，oY_COORD就是轉換之后的顏色邏輯坐標，經過轉換之后的坐標，如圖5所示，x坐標從左往右逐漸變大，范圍0～800，y坐標從上往下逐漸變大，范圍0～480。

圖5 顏色邏輯坐標

2.3 RGB色彩空間

許多人都知道在繪畫時可以使用紅色、黃色和藍色這3種原色混合成不同的顏色，這些顏色就定義了一個色彩空間。將品紅色的量定義為 x坐標軸、青色的量定義為y坐標軸、藍色的量定義為z坐標軸，這樣就得到一個三維空間，每種可能的顏色在這個三維空間中都有惟一的一個位置。但是，這并不是惟一的一個色彩空間。例如，當在計算機監視器上顯示顏色的時候，通常使用 RGB（紅色、綠色、藍色）色彩空間定義，這是另外一種生成同樣顏色的方法，紅色、綠色、藍色被當作x，y和z坐標軸。另外一個生成同樣顏色的方法是使用色相（x軸）、飽和度（y軸）和明度（z軸）表示，這種方法稱為 HSB 色彩空間。另外還有許多其他的色彩空間，許多可以按照這種方法用三維（x，y，z）、更多或者更少維表示，但是有些根本不能用這種方法表示。

通常所看到的物體的顏色，實際上是物體表面吸收了照射到它的白光（日光）中的一部分有色成分，而反射出的另一部分有色光在人眼中的反應，任何一種顏色都可以用3種基本顏色按照不同的比例混合得到。

在這里介紹RGB模型，如圖6所示，在這個顏色模型中，3個軸分別為RGB。原點對應為黑色（0，0，0），高為原點最遠的定點對應白色（255，255，255）。由黑到白的灰度分布在從原點到最遠的定點件的連線上，正方體的其他留個角點分別為紅，黃，綠，青，藍和品紅。需要注意一點，RGB顏色模型所覆蓋的顏色域取決于顯示設備因光電的顏色特性。每一種顏色都有惟一的RGB值與它對應。

圖6 RGB顏色模型

2.4 顏色檢測

一開始，把預先準備好的800×480大小的BMP圖像存入FPGA的FLASH中，系統將會把圖像傳輸到觸摸屏上，作為下一步的定位算法使用。其中，在顯示區，coord_x和coord_y分別是顯示像素點的坐標。在觸摸屏，x_coord和y_coord是經過換算過后的觸摸邏輯坐標：

coord_x = x_coord

coord_y = y_coord

當觸碰到想要識別的顏色的位置時，使coord_x = x_coord，coord_y = y_coord，那么就將目標定位到了該點，經過一個時鐘周期，坐標未更新，分別把該點的R，G，B三色的數據輸出到判斷模塊，具體的verilog實現方式如下：

if （（coord_x == X_COORD ）&& （coord_y == Y_COORD） ） begin

oLCD_R1 = read_red；

oLCD_G1 = read_green；

oLCD_B1 = read_blue；

2.5 顏色識別

讀取了R，G，B三色的數據之后，設定閾值，進行判斷。上述提到，每種顏色都是有三原色按照不同的比例混合而成。比如黃色，紅：綠：藍的比例是255∶255∶0；紫色，紅：綠：藍的比例是160∶32∶240；比紫色淡點的紫羅蘭色，紅：綠：藍的比例是138∶43∶226。本系統選取了50種生活常見的顏色作為識別對象，將讀取的R，G，B分別與各顏色的R，G，B值做差，再取絕對值，再相加。

公式如下：

[X=|R-R1|+|G-G1|+|B-B1|]

X最小表示最接近該顏色，經檢驗，準確率達90%。

3 實驗結果與分析

本文系統設計采用的硬件平臺是友晶公司的DE2開發板，使用的讓見是Quartus Ⅱ 11.0，FPGA芯片是EP2C35F672C6。

觸摸屏采用的是友晶公司推出的一款觸摸TRDB_LTM，具有可編程控制盒數字信號輸出等功能。其觸摸功能，通過內嵌的10位ADC將模擬信號轉換為12位的數字信號。同時，LTM還提供像素時鐘（PIXCLK）、行有效信號（FVAL）以及配置LTM所需要的I2C協議引腳SCLK和SDAT。所使用的平臺有4個按鍵；其中KEY[0]是復位按鍵。

取實驗過程中算法每步所拍下的圖像，采用了兩幅圖做對比，圖7，圖8是顏色比較分明的圖像，分別用筆觸碰觸摸屏，數碼管觸碰坐標，LCD1602顯示顏色。由于拍照角度稍有差異，圖像形狀會略有不同。

圖7 筆觸碰綠色，數碼管顯示坐標，LCD顯示綠色

圖8 筆觸碰黃色，數碼管顯示坐標，LCD顯示黃色

圖9圖10是比較顏色比較復雜的圖像，分別用筆觸碰觸摸屏，數碼管觸碰坐標，LCD1602顯示顏色。

圖9 筆觸碰紫色，數碼管顯示坐標，LCD顯示紫色

4 結 語

本文通過采用FPGA器件設計基于FPGA觸摸屏的顏色識別，一定程度上解決了通過傳感器識別顏色受光線，環境變換對識別結果的影響。通過實驗結果的驗證，該系統識別顏色正確率高，而且方便實用，隨時可以更換圖片，可作為嬰幼兒識別顏色早教系統，也方便為色盲癥患者提供顏色信息。FPGA純硬件實現的方式，設計靈活，有利于移植到其他FPGA系統，也有利于發展為專業集成模塊。

圖10 筆觸碰藍色，數碼管顯示坐標，LCD顯示藍色

參考文獻

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