Przegląd projektu

Zadanie polega na opracowaniu mikroprocesorowego urządzenia, które po włączeniu światła może określić źródło światła (światło naturalne, świetlówki, żarówki LED, żarówki, płomień - pożar lasu). Na tym etapie brane jest pod uwagę tylko światło widzialne.

Z moich badań jedynym sposobem na odróżnienie źródła światła jest analiza widma emisyjnego i ścisłe dopasowanie go do znanych wartości . Przykład:

Rozważane rozwiązania

Pomiar stosunku składu światła RGB

Rozważyłem wybranie tej trasy, ponieważ nie wydaje się to zbyt skomplikowanym, mniejszym urządzeniem, które można łatwo zintegrować z większym projektem jako wykrywacz pożaru lasu, a nawet sugeruje to mój przełożony. Mam jednak wątpliwości, czy byłoby to bardzo dokładne, ponieważ niektóre źródła światła mogą mieć bliskie wartości (natężenie jest mierzone na długości fali w parku kulkowym).

Czujnik, na który patrzę obecnie, to czujnik kolorów Hamamatsu S10917-35GT RGB , wrażliwy tylko na wymagane długości fal.

Budowanie spektrografu o wysokiej rozdzielczości z dyfrakcyjną folią siatkową

Ta trasa jest znacznie bardziej skomplikowana i wymaga zewnętrznego przetwarzania obrazów w celu ustalenia źródła światła. Zasadniczo budujesz spektrograf z siatką dyfrakcyjną i kamerą wysokiej rozdzielczości. Obraz jest przetwarzany za pomocą oprogramowania komputerowego w celu wykreślenia wykresu spektrum emisji i można go przeanalizować w celu ustalenia źródła światła. Przewodnik rozwoju jest tutaj

Niestety nie jest to zbyt wygodne, ponieważ wolelibyśmy, aby główny cel urządzenia działał samodzielnie bez sieci.

Więc pytanie

• Czy moje pierwsze rozwiązanie ma jakąś wadę?
• Czy jest lepsze rozwiązanie? Czy najlepiej pasować na samodzielne urządzenie?
• Prawdopodobnie byłoby to zbyt daleko idące, ale czy istnieje czujnik, który może analizować emisję światła i zapewniać wartości natężenia w zakresie wybranych długości fal? Lub przynajmniej coś, co pomogłoby mi zbudować urządzenie, które to robi.

Naprawdę szukasz kogoś, kto już to rozwiązał. Ale ja sam nie znam żadnego projektu. Mogę więc tylko przemyśleć kilka spraw.

W spektrometrach:

1. $\frac{\textrm{lines}}{\textrm{mm}}$
2. Małe megapikselowe aparaty cyfrowe są również tanie. Można również zastosować tablicę, ale obecnie wydaje się, że cała kamera 2D jest tańsza i bardziej dostępna. Więc nie zawracałbym sobie głowy tablicą.
3. Za pomocą DVD-RW można faktycznie oddzielić żółte linie widmowe rtęci przy 577 nm i 579 nm. (Ale nie z CD.) Zrobiłem to sam, używając DVD-RW i lampy rtęciowo-argonowej.
4. Kalibracja długości fali jest tania. Po prostu weź lampę rtęciowo-argonową. Dostaniesz linie argonu w pierwszej minucie, a potem linie rtęci zdominują później. Dzięki ich kombinacji możesz łatwo skalibrować piksele kamery względem długości fali. Lampy Hg-Ar użyte do kalibracji kosztowały mnie około 8 USD, ale spodziewam się, że są teraz droższe.
5. Kalibracja intensywności jest droga. Potrzebujesz standardowej lampy, zgodnej ze standardami NIST, i trzeba ją ponownie skalibrować po około 100 godzinach użytkowania. Są to tanie żarówki, nieskalibrowane. Ale proces kalibracji kosztuje prawdziwe pieniądze. Następnie musisz również ustawić odpowiedni układ optyczny. Jest to jednak jedyny sposób, aby dowiedzieć się, w jaki sposób każdy z twoich pikseli reaguje na każdą z długości fali, na którą jest uderzany. Szczerze mówiąc, starałbym się tego uniknąć i mam nadzieję, że nie potrzebowałem tego lub po prostu zastosuję podstawowe przybliżone wzorcowe przybliżenie standardowej lampy i nie będę marnować pieniędzy na faktyczną kalibrację, mając nadzieję, że to, co dostałem, było wystarczająco dobre. Albo po prostu nie zawracaj sobie głowy i użyj złożonego równania i liczby „och, cóż” i zobacz, jak to idzie. Możliwe, że możesz zrobić ten krok i odnieść użyteczne wyniki, jeśli tylko dobrze się zastanowisz.
6. Prawdopodobnie możesz rozważyć przejście od 450 nm do 750 nm, ale nie możesz liczyć na przekroczenie oktawy za pomocą pojedynczej siatki. Możesz chcieć zastosować jakiś filtr, aby nie mieszać energii widmowych na tych samych pikselach. Lub po prostu nie przejmuj się i eksperymentuj.
7. Optyczne przegrody będą pożądane, aby uniknąć dostania się zewnętrznego światła tam, gdzie nie jest to pożądane.
8. Tony właśnie mi przypomniał ... będziesz potrzebować wąskiej szczeliny - tak wąskiej, jak to tylko możliwe. Wolę używać dwóch ostrzy brzytwy w starym stylu, które można regulować. Jedna stała, jedna ruchoma. Ale w przypadku kartonu z tektury właśnie użyłem ostrza dokładnie „bardzo ostrożnie”, aby utworzyć wąską i jednorodnie wąską szczelinę.

Zrobiłem to wszystko, używając arkusza papieru (kartonu), który drukuję, a następnie wycinam, składam zakładki, używam kleju Elmera i tworzę pudełko z przegrodami wykonanymi zasadniczo z papieru. Przegrody wykorzystują specjalne ciemne flokowanie, które pomaga wchłaniać i blokować nieproszone światło. DVD wsuwa się pod odpowiednim kątem, a następnie przy wyjściu umieszcza małą kamerę. Użyłem tego na własne oko, aby obserwować różne oświetlenie w domu i, moim zdaniem, działa PERFEKCYJNIE dobrze. Nie mam problemu z rozróżnieniem źródeł światła żarowego, fluorescencyjnego i LED. I słońce, jeśli o to chodzi. Wypróbowałem DVD-R i natychmiast zobaczyłem ogromny brakujący zespół na czerwono, dlatego mówię wam, że potrzebujesz DVD-RW, jeśli zależy ci na tym regionie.

Podejrzewam, że mógłbym opublikować jakieś plany. Lokalizacja szczeliny, kąt DVD itp. Podczas gdy mój projekt pudełka wykorzystuje całą płytę DVD-RW (ponieważ chciałem móc upuszczać inne nośniki DVD i / lub CD (pod innym kątem, więc zrobiłem dwa różne w tym celu), tylko niewielka część powierzchni DVD-RW jest faktycznie zaangażowana (jeśli jest poprawnie zblokowana). Dlatego też podobało mi się również użycie całej płyty DVD-RW z tego powodu, ponieważ pocięcie DVD na kawałki podkreślić to i ja też nie chciałem tego zrobić.

$\frac{\textrm{lines}}{\textrm{mm}}$$\frac{\textrm{lines}}{\textrm{mm}}$

W trybie RGB:

Wspomniany czujnik RGB ma, jak się spodziewałem, bardzo szeroką akceptację długości fal w każdym z trzech czujników. Diody LED mają zwykle bardzo szeroki zakres odpowiedzi (emitują i odbierają w szerokim zakresie długości fal). Ten czujnik ma skromnie pokrywające się odpowiedzi. Myślę, że to, jak dobrze ci się to przyda, będzie kwestią eksperymentów. Zamiast tego możesz zastosować kod komputerowy, używając swoich krzywych i funkcji reakcji czujnika, aby sprawdzić, czy będzie on przydatny. Ale nie zamierzam nawet pisać tego dla ciebie. Być może najlepszą rzeczą byłoby, gdybyś powalił i kupił czujnik i przeprowadził z nim testy. To może być w porządku dla twoich potrzeb. Ale nie mogę powiedzieć ci tak lub nie, z jego szybkiego skanu. Nie próbowałem też tego robić z RGB, więc to kolejny powód, dla którego mogę

Podobał mi się komentarz Eugene'a na temat częstotliwości, zbyt. Żarówki (i przetestowałem to przy użyciu bardzo czułego instrumentu - z dziesiątkami rozdzielczości microKelvin i setkami dokładności microKelvin, zgodnymi ze standardami NIST, ponieważ pracuję nad takimi rzeczami) będą zmieniać około 3% ich amplitudy podczas cyklu AC przy 60 Hz. (Inaczej byłoby z 50 Hz.) Fluorescencje działają na częstotliwościach sieciowych, a także na wysokich częstotliwościach (oba są wytwarzane i używane). Ale ich emisje zachodzą przez luminofory, które często mają krótkie czasy reakcji. (Niektóre luminofory są powolne, rzędu milisekundy z powodu uzależnienia od zakazanych przejść trypletu od singletów. Ale wiele z nich jest dość szybkich - taus mikrosekund.) Być może będziesz musiał tu trochę eksperymentować. Myślę jednak, że może to być owocne, ponieważ możesz projektować układy elektroniczne dla bardzo wąskich pasm, jeśli chcesz. Ty' musisz martwić się o kondycjonowanie sygnału, aby nie nasycić łańcucha wzmacniacza. Ale to wykonalne. Jednak nie patrzyłem na częstotliwości stosowane w nowoczesnych żarówkach LED. I zostawię to tobie, aby znaleźć tam szczegóły Google. To powiedziawszy, myślę, że zasługa Eugene'a również zasługuje na zbadanie.

Osobiście? Wybrałbym DVD-RW, ponieważ mam duże doświadczenie w tym, wiem, że mogę to zrobić łatwo, szybko i tanio, i ponieważ myślę, że mógłbym uniknąć kroku kalibracji intensywności, aby dostać się tam, gdzie trzeba udać się. Kamery są tanie, podobnie jak lampa Hg-Ar do okresowej kalibracji długości fali. To prawie nie ma pracy. Co więcej, chodziłem już po domu, sprawdzając różne źródła światła za pomocą podręcznego kartonu bez kart elektronicznych i doskonale widziałem różnice w różnych źródłach światła na własne oczy. Więc wiem, że mogę się stąd dostać.

EDYCJA: Kilka zdjęć ze starej żarówki fluorescencyjnej. Jeden z nich w całym spektrum, a drugi nieco powiększony. Całkiem fajne oddzielenie dubletu rtęciowego!

Specjalizowałem się w grupowaniu diod LED dla oddziału OSRAM w Siemen wiele lat temu, jako wykonawca. Więc te rzeczy pochodzą częściowo z tego doświadczenia. Najpierw używaliśmy drogich spektrofotometrów, ale jakiś czas później przeszliśmy na Ocean Optics (znacznie taniej). W międzyczasie miałem dużo zabawy z DVD i CD, używanymi z całym tym fantazyjnym sprzętem do kalibracji. (W tym znikające kalibratory filamentów, o których zapomniałem wspomnieć powyżej). Sporo czasu poświęciłem na studiowanie raportów dotyczących reakcji ludzi przed i od standardu CIE 1931 oraz późniejszych w latach 60. Bardzo podobała mi się także praca Edwina Landa na przełomie lat 70. i 80. - bardzo ciekawe rzeczy.

Zgodzę się z Jonkiem, ale zasugeruję prostszą metodę identyfikacji źródeł.

Zbuduj spektrometr z kamerą (za pomocą DVD lub innej siatki dyfrakcyjnej). Uczyń go mechanicznie solidnym, aby kamera, siatka i ekran nie mogły się poruszać względem siebie.

W ogóle nie przejmuj się kalibracją. Będziesz także chciał wyłączyć automatyczny balans bieli w aparacie i użyć stałego balansu bieli.

Wystaw swój detektor na przykłady różnych źródeł światła, które chcesz wykryć, i zapisz obrazy.

Teraz możesz użyć wybranych metod przetwarzania sygnału, aby wykryć, który z przechowywanych spektrogramów najbardziej odpowiada aktualnemu spektrogramowi.

OpenCV lub Gnu Octave lub SciPy przedstawiają sprawdzalne metody wykrywania podobieństw.

Wiele świetnych odpowiedzi tutaj, ale aby podać konkretne komentarze do twoich ostatnich pytań:

Czy moje pierwsze rozwiązanie ma jakąś wadę?

Wadą jest to, że masz tylko trzy punkty danych (r, g, b) do oceny koloru i, w zależności od różnych źródeł światła, które próbujesz rozróżnić, możesz nie być w stanie ich rozróżnić. Jest to ten sam problem, jaki napotyka aparat cyfrowy, gdy próbuje ustawić balans bieli, a czasami aparat zgaduje źle, a kolory zdjęcia są zniekształcone. Jeśli jednak pozwolisz aparatowi cyfrowemu sfotografować znany obiekt, taki jak ten sam biały kawałek papieru, prawdopodobnie będzie on w stanie rozpoznać źródło światła przez większość czasu.

czy istnieje czujnik, który może analizować emisję światła i zapewniać wartości natężenia w zakresie wybranych długości fal?

Dokładnie to robi spektrometr oparty na siatce (lub pryzmacie); zapewnia intensywność światła w funkcji długości fali.

Alternatywnie, jeśli chcesz tylko kilka czujników, możesz po prostu wziąć krzemowy fotodetektor i umieścić przed nim odpowiedni filtr optyczny (kolorowe szkło), aby umożliwić przejście interesującego zakresu długości fal do filtra. Zaletą tego podejścia byłoby to, że pojedyncze fotodetektory mogłyby prawdopodobnie działać szybciej niż detektor matrycowy i mogą pozwolić spojrzeć na strukturę czasową charakterystycznych wzorów światła i plam, takich jak fluktuacja żarówki o częstotliwości 60 Hz lub szybkie migotanie płomienia.

Nie musisz budować własnego spektrometru, urządzenia są już dostępne z półki, takie jak ten ultrakompaktowy C12666MA od Hamamatsu .

Rozdzielczość spektralna 15 nm może być odpowiednia do tego zadania.

Dobrym pomysłem jest również rozróżnienie prądu stałego i częstotliwości 50/60 Hz, być może z oddzielnym czujnikiem.

Kamery działają w pewnym stopniu dokładnie tak, jak pokazuje czujniki RGB. Jeśli miałeś doświadczenie w próbach uchwycenia nasyconych kolorów diod LED w świetle o dużej gęstości, zrozumiesz jego ograniczenia, ale w przypadku zdjęć o szerokim spektrum, jak wiemy, działa dobrze.

To zależy od tego, co chcesz zmierzyć.

Na przykład białe światło to tylko nasza percepcja czujników RGB w naszych oczach, a padające światło może nas oszukać, że światło dzienne jest równowagą niebieskiego i żółto-czerwonego przekształconego luminoforu, dzięki czemu piki są równe (po konwersji na korekcję wzroku CIE poziomy)

Ale rzeczywistość jest zupełnie inna, gdy porównamy źródło halogenowe na szerokiej palecie kolorów odbitych i porównamy je ze światłem dziennym 4500-5000'K 81% CRI Biała dioda LED. Teraz kolory wyglądają inaczej ze względu na brak widma w źródle.

Jeśli chodzi o dokładność, jedyną nadzieją jest skalibrowany instrument metodą dyfrakcji. W przypadku szorstkich kolorów padania gałki ocznej odbijanych od papieru w skali gradientu z pełną gamą kolorów, kamera RGB będzie działać. wystarczająco blisko ze skalibrowanym czujnikiem / detektorem RGB i oprogramowaniem. Ale nie w ten sposób robią to w przemyśle, ale w zasadzie tak działają skanery papieru z wewnętrzną kalibracją RGB + B / W przed rozpoczęciem skanowania.

Profesjonalne analizatory widma światła mierzą x, y, u, v i wiele innych parametrów białego światła.

Oto stare pytanie i zastanawiam się, jakie było rozwiązanie, ale patrząc na odpowiedzi jestem zaskoczony, że nie widzę raczej oczywistego rozwiązania.

Po pierwsze, nie musisz analizować całego spektrum. Wystarczy pobrać próbkę w sposób, który maksymalizuje separację źródeł. Ponieważ masz stosunkowo niewiele źródeł, możesz to zrobić na oko lub faktycznie przeprowadzić analizę PCA lub ICA na dyskretnej wersji oczekiwanego widma. Po wybraniu kilku regionów spektralnych możesz kontynuować.

Po drugie, poważnie rozważyłbym region podczerwieni. Przede wszystkim dlatego, że pożar miałby tam dużą emisję, ale co najważniejsze, ponieważ czujniki w tym regionie są bardzo powszechne.

Po trzecie, wybierz dyskretną kombinację czujnika lub czujnika / filtra, która zapewnia wystarczająco dobrą odpowiedź spektralną w pierwszym pożądanym paśmie. Należy pamiętać, że istnieje wiele niedrogich filtrów, fotodiod, fototranzystorów i urządzeń PIR, które można wybierać według długości fali (nawet jednokolorowe diody LED mogą działać w mgnieniu oka).

Po czwarte, jeśli robisz to matematycznie, rzutuj oczekiwane odpowiedzi na odpowiedź czujnika / filtra i odejmij ją, abyś mógł powtórzyć procedurę z następnym znaczącym pasmem. Jeśli nie, po prostu nakładaj się i oszacuj, który region jest następny.

Pamiętaj, że filtrów można również użyć do usunięcia pasm. Jeśli dwa czujniki pokrywają idealny obszar, ale ich reakcje mają zbyt duże nakładanie się, odjęcie nakładającego się pasma zwiększy ich dyskryminację. .

Po powtórzeniu tego dwa lub trzy razy będziesz mieć mały zestaw niedrogich czujników, których możesz użyć. Umieść wokół nich trochę obwodów i skalibruj swoją odpowiedź za pomocą kilku znanych źródeł. Jeśli prawidłowo wykonałeś separację, będziesz potrzebował tylko wstępnej kalibracji dla czułości twojego filtra / czujnika / zespołu obwodów.

Jest to w zasadzie pomysł czujnika RGB, ale przy użyciu odpowiednio dostrojonych przedziałów długości fali zamiast raczej dowolnych.

Jeśli nie potrzebujesz bardzo wysokiej czułości radiometrycznej, skumuluj ją, przepuść przez siatkę i zrzuć obraz na liniowy układ czujników. Analiza widma jest łatwa, jeśli masz mikroprocesor. Sama zmiana czasowa raczej nie będzie działać dobrze, ponieważ systemy oświetlenia konsumenckiego różnią się znacznie częstotliwościami migotania. Jedyne, co trudno będzie odróżnić od spektrum, to żar i płomienie. Możesz użyć do tego wariacji czasowej, zakładając, że płomień będzie dość przypadkowy, a żar powinien mieć wyraźną składową 60 Hz. Uważaj jednak, że elektronika ma tendencję do wychwytywania 60 Hz, więc musisz upewnić się, że widzisz światło o częstotliwości 60 Hz, a nie szum o częstotliwości 60 Hz. Czujniki liniowe to tania i prosta część, której nie powinieneś mieć problemy z połączeniem. Jedyny sposób, w jaki mogłem zobaczyć, jak działa to z 3 kanałami, to próba sklasyfikowania płomienia i zrzucenie wszystkich innych źródeł światła na stos „nieważne”. W takim przypadku możesz całkiem rozsądnie wziąć wszystko, powiedzmy, o wiele więcej NIR niż emisja niebieska, albo żarówkę, albo płomień. Jeśli chcesz pracować z detektorami MWIR, możesz pominąć zmienność czasową i po prostu poszukać piku emisji CO2. Żarówka nie powinna tego mieć. Tego właśnie używa wiele komercyjnych czujników. o wiele więcej NIR niż emisja niebieska może być zarówno żarowa, jak i płomienna. Jeśli chcesz pracować z detektorami MWIR, możesz pominąć zmienność czasową i po prostu poszukać piku emisji CO2. Żarówka nie powinna tego mieć. Tego właśnie używa wiele komercyjnych czujników. o wiele więcej NIR niż emisja niebieska może być zarówno żarowa, jak i płomienna. Jeśli chcesz pracować z detektorami MWIR, możesz pominąć zmienność czasową i po prostu poszukać piku emisji CO2. Żarówka nie powinna tego mieć. Tego właśnie używa wiele komercyjnych czujników.