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@hatt_takumi(匠 服部)

AtomS3RとカラーセンサーTCS34725を使った色認識

Posted at

使用したカラーセンサー

事前調査の結果、カラーセンサーは、常に同一の測定条件でセンシングしないと、良い結果が得られないとわかったので、写真のような、センサーユニットの両端にLEDがあり、測定時には全体を覆ってしまうような構造のものを選定した。
こちらにTCS34725というカラーセンサーが乗っていた。

image.png

使用したマイコン

小型に作りたかったので、AtomS3Rを選定した。
制作事例があまり出てこず苦戦した…

とりあえず作ってみたが…

とりあえず、愚直にセンサーの値を取り込み、ディスプレイにその色を写すように、ちゃちゃっと作ってみたのだが、どうにも発色がおかしい…
センサーのSDA,SCLピンは、それぞれAtomS3Rの38, 39番ピンに接続している。

tsc34725.ino
#include <Wire.h>
#include "Adafruit_TCS34725.h"
#include "M5AtomS3.h"

Adafruit_TCS34725 tcs = Adafruit_TCS34725(TCS34725_INTEGRATIONTIME_300MS, TCS34725_GAIN_16X); // 1, 4, 16, 60

static uint16_t color16(uint16_t r, uint16_t g, uint16_t b) {
  uint16_t _color;
  _color = (uint16_t)(r & 0xF8) << 8;
  _color |= (uint16_t)(g & 0xFC) << 3;
  _color |= (uint16_t)(b & 0xF8) >> 3;
  return _color;
}

void setup() {
  // auto cfg = M5.config();
  Wire.end();
  //I2Cピン設定 I2C0を使用する SDA, SCL
  Wire.begin(38, 39);

  // AtomS3.begin(cfg);
  AtomS3.begin();
  Serial.begin(115200);
  strip.begin();

  if (!status) {
    M5.Lcd.println(F("Could not find a valid BMP280 sensor, check wiring or "
                     "try a different address!"));
    while (1) delay(10);  // Stop code execution if the sensor is not found.
  }

  while(!tcs.begin()){
    M5.Lcd.setTextColor(TFT_WHITE, TFT_BLACK);
    M5.Lcd.setCursor(0, 60);
    M5.Lcd.print("Sensor not found");     
    delay(1000);
  }
  M5.Lcd.println("Found sensor");
}

void loop() {
  // Typing any character into Serial Monitor will kick off a read / output cycle
  AtomS3.update();
    if (AtomS3.BtnA.wasPressed()) {
      // raw values of r,g,b,c as read by TCS3472
      uint16_t r, g, b, c; 

      // Get raw data from the TCS3472
      tcs.getRawData(&r, &g, &b, &c);

      // Print out values
      Serial.print("R: "); Serial.print(r); Serial.print(" ");
      Serial.print("G: "); Serial.print(g); Serial.print(" ");
      Serial.print("B: "); Serial.print(b); Serial.print(" ");
      Serial.println(" ");

      uint16_t boxcolor = color16(r, g, b);
      M5.Lcd.clear(boxcolor);  // ディスプレイを指定した色にセット
  }
}

キャリブレーションしてみる

参考になりそうな記事を発見し、RGB各センサーの値を補正してみる。

以下のようなキャリブレーション用のloop()関数を書き込み、真っ黒、つまり、(0,0,0)となるはずのものと、真っ白、つまり、(255,255,255)となるはずのもの、(反射の少ない布などがおすすめ)を実際に測定し、実際の値を計測してみた。

calib.ino
// Calib
String incomingString;

void loop(void) {
  uint16_t r, g, b, c, colorTemp, lux;
  unsigned int red, green, blue;

  if (Serial.available() > 0){
    incomingString = Serial.readString();
    tcs.getRawData(&r, &g, &b, &c);
    colorTemp = tcs.calculateColorTemperature_dn40(r, g, b, c);
    lux = tcs.calculateLux(r, g, b);

    Serial.print("Color Temp: "); Serial.print(colorTemp, DEC); Serial.print(" K - ");
    Serial.print("Lux: "); Serial.print(lux, DEC); Serial.print(" - ");
    Serial.print("R: "); Serial.print(r, DEC); Serial.print(" ");
    Serial.print("G: "); Serial.print(g, DEC); Serial.print(" ");
    Serial.print("B: "); Serial.print(b, DEC); Serial.print(" ");
    Serial.print("C: "); Serial.print(c, DEC); Serial.print(" ");
    Serial.println(" ");
  }
 }

多少誤差があるが、おおよそ以下のような結果になった

 redCal.blackValue = 1500;
 redCal.whiteValue = 65535;
 greenCal.blackValue = 3000;
 greenCal.whiteValue = 65535;
 blueCal.blackValue = 3000;
 blueCal.whiteValue = 65535;

全体的に黒に対して値が出ており、かつ、赤色のみ、黒検出時の値がちいさい。
これらに値を利用し、値をマッピングしなおした。
また、全体的にそのまま色を使うと暗い色になる印象があったため、色空間をRGBからYUVに変換し、彩度を上げて表示するようにしている。

tsc34725.ino
#include <Wire.h>
#include "Adafruit_TCS34725.h"
#include "M5AtomS3.h"

Adafruit_TCS34725 tcs = Adafruit_TCS34725(TCS34725_INTEGRATIONTIME_300MS, TCS34725_GAIN_16X); // 1, 4, 16, 60

struct colorCalibration {
  unsigned int blackValue;
  unsigned int whiteValue;
};

colorCalibration redCal, greenCal, blueCal;

static uint16_t color16(uint16_t r, uint16_t g, uint16_t b) {
  uint16_t _color;
  _color = (uint16_t)(r & 0xF8) << 8;
  _color |= (uint16_t)(g & 0xFC) << 3;
  _color |= (uint16_t)(b & 0xF8) >> 3;
  return _color;
}

// array to represent the gamma function
int gammatable[256];

// Function to map TCS3472 values to 0 to 255
// Same as Arduino map() function - rewritten to make variables compatiable with inputs and outputs
int RGBmap(unsigned int x, unsigned int inlow, unsigned int inhigh, int outlow, int outhigh){
  float flx = float(x);
  float fla = float(outlow);
  float flb = float(outhigh);
  float flc = float(inlow);
  float fld = float(inhigh);

  float res = ((flx-flc)/(fld-flc))*(flb-fla) + fla;

  return int(res);
}

void setup() {
  // auto cfg = M5.config();
  Wire.end();
  //I2Cピン設定 I2C0を使用する SDA, SCL
  Wire.begin(38, 39);

  // AtomS3.begin(cfg);
  AtomS3.begin();
  Serial.begin(115200);
  strip.begin();

  if (!status) {
    M5.Lcd.println(F("Could not find a valid BMP280 sensor, check wiring or "
                     "try a different address!"));
    while (1) delay(10);  // Stop code execution if the sensor is not found.
  }

  while(!tcs.begin()){
    M5.Lcd.setTextColor(TFT_WHITE, TFT_BLACK);
    M5.Lcd.setCursor(0, 60);
    M5.Lcd.print("Sensor not found");     
    delay(1000);
  }
  M5.Lcd.println("Found sensor");

  redCal.blackValue = 1500;
  redCal.whiteValue = 65535;
  greenCal.blackValue = 3000;
  greenCal.whiteValue = 65535;
  blueCal.blackValue = 3000;
  blueCal.whiteValue = 65535;

  // Gamma function is Out = In^2.5
  // Required to correct for human vision
  // Store values in an array
  // normalized for 0 to 255
  for (int i=0; i<256; i++) {
    float x = i;
    x /= 255;
    x = pow(x, 2.5);
    x *= 255;

    gammatable[i] = int(x);
  }
}

void loop() {
  // Typing any character into Serial Monitor will kick off a read / output cycle
  AtomS3.update();
    if (AtomS3.BtnA.wasPressed()) {
      // raw values of r,g,b,c as read by TCS3472
      uint16_t r, g, b, c; 

      // Variables used to hold RGB values between 0 and 255
      int redValue;
      int greenValue;
      int blueValue;
      int clearValue;

      // Get raw data from the TCS3472
      tcs.getRawData(&r, &g, &b, &c);

      // Convert TCS3472 raw reading into value between 0 and 255 for analogwrite function
      redValue = RGBmap(r, redCal.blackValue, redCal.whiteValue, 0, 255);
      greenValue = RGBmap(g, greenCal.blackValue, greenCal.whiteValue, 0, 255);
      blueValue = RGBmap(b, blueCal.blackValue, blueCal.whiteValue, 0, 255);

      // Print out values
      Serial.print("R: "); Serial.print(redValue); Serial.print(" ");
      Serial.print("G: "); Serial.print(greenValue); Serial.print(" ");
      Serial.print("B: "); Serial.print(blueValue); Serial.print(" ");
      Serial.println(" ");

      // uint16_t boxcolor = color16((int)redValue, (int)greenValue, (int)blueValue);
      uint16_t boxcolor = color16(gammatable[redValue], gammatable[greenValue], gammatable[blueValue]);
      M5.Lcd.clear(boxcolor);  // ディスプレイを指定した色にセット
  }
}

結果

おおよそ納得のいく色がセンシングできた。
ただ、取得した色が全体的に多少暗いイメージがあるので、ガンマ補正に加えて、色空間の変換を行った後の彩度の強調などを行えば、もっときれいになると思われる。

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