基于模糊控制的LED舞臺(tái)燈自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

陳佳洲 曾 碧 何元烈

基于模糊控制的LED舞臺(tái)燈自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

陳佳洲 曾 碧 何元烈

(廣東工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 廣東 廣州 510006)

針對(duì)LED舞臺(tái)燈在工作過程中，易受自身器械和外部環(huán)境因素影響，從而無法展現(xiàn)出原始舞臺(tái)設(shè)計(jì)效果這一問題，有效地設(shè)計(jì)了模糊控制算法對(duì)LED舞臺(tái)燈光色進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，并在搭建的實(shí)際控制系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和分析研究。系統(tǒng)首先通過照度計(jì)獲取LED燈照射的燈光數(shù)據(jù)，然后由系統(tǒng)計(jì)算得出與原始效果的差值，最后采用模糊控制算法糾正誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明模糊自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以很好地還原原始舞臺(tái)燈光設(shè)計(jì)效果，并且具有精度高、響應(yīng)快、波動(dòng)小的顯著優(yōu)點(diǎn)。

模糊控制 LED舞臺(tái)燈 系統(tǒng) 自適應(yīng)調(diào)節(jié) 舞臺(tái)燈光設(shè)計(jì)

0 引 言

隨著全球大力推廣環(huán)保節(jié)能，低溫度高效的潮流下，LED舞臺(tái)燈已逐漸成為主流光源[1-4]。LED舞臺(tái)燈光會(huì)根據(jù)舞臺(tái)氛圍，劇情的發(fā)展，演出的進(jìn)度不斷變化，不同的情景展現(xiàn)出不同的舞臺(tái)效果，LED舞臺(tái)燈的不斷發(fā)展也使得人們對(duì)它的需求越來越大，對(duì)技術(shù)的要求越來越高[5-8]。然而，每個(gè)LED舞臺(tái)燈會(huì)因使用過程中的電子和光學(xué)元件的老化、機(jī)械部件的磨損以及外部因素如光照、溫度等的影響造成嚴(yán)重的誤差，直接影響到舞臺(tái)效果。

為了彌補(bǔ)誤差，還原原始舞臺(tái)設(shè)計(jì)的最佳效果，可以通過在舞臺(tái)不同角度布置傳感器，如照度計(jì)，動(dòng)態(tài)采集舞臺(tái)的LED舞臺(tái)燈系統(tǒng)總體效果的反饋信息，將反饋信息與原始舞臺(tái)設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，結(jié)合模糊控制算法，自適應(yīng)調(diào)整燈光達(dá)到最佳效果。本文選擇LED舞臺(tái)燈的燈光作為被控對(duì)象，將模糊控制算法和燈色控制結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)出一種基于模糊控制算法的LED舞臺(tái)燈自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并將其與其他的一些控制方法作比較，體現(xiàn)出模糊控制算法的優(yōu)越性。

1 LED舞臺(tái)燈模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的工作可以概括為先選擇顏色模板，使LED舞臺(tái)燈發(fā)射預(yù)期光，然后傳感器測(cè)量得到實(shí)際燈光值，再求出顏色模板值和實(shí)際燈光值的差值，最后通過設(shè)計(jì)模糊控制器，采用模糊控制算法修正誤差值，使測(cè)量的燈光達(dá)到顏色模板值。圖1為L(zhǎng)ED舞臺(tái)燈模糊控制系統(tǒng)框圖。

圖1 LED舞臺(tái)燈模糊控制系統(tǒng)框圖

LED舞臺(tái)燈模糊控制器主要包括3個(gè)功能環(huán)節(jié)：用于輸入輸出信號(hào)處理的模糊量化和反模糊化環(huán)節(jié)、建立模糊控制規(guī)制以及輸出解模糊化后的的模糊控制表。

1.1 確定模糊控制器的輸入輸出變量以及變量的取值范圍和隸屬度

LED舞臺(tái)燈燈光由三個(gè)通道紅、綠、藍(lán)混合產(chǎn)生各種顏色，顏色值在0～255之間，在本文中設(shè)定燈光誤差e=單通道測(cè)量燈光值-單通道設(shè)定LED燈燈光值，其模糊變量為E，誤差變化Δe=e1-e2，模糊變量為ΔE，系統(tǒng)的輸出控制量為u，模糊變量為U，三個(gè)模糊變量都可以劃分為7個(gè)變量等級(jí){ NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。各個(gè)變量的論域范圍為：

{E}={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；

{ΔE}={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；

{U}={-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}；

輸入輸出模糊化的量化過程采用以下公式計(jì)算：

(1)

(2)

(3)

式(3)表示實(shí)際控制量是通過將輸出模糊控制變量U歸一化作為權(quán)值與燈光誤差e的絕對(duì)值相乘得到的，該公式說明了當(dāng)系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)態(tài)時(shí)，權(quán)值逐漸變小，調(diào)整幅度也逐漸變小，最后達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

最后確定各個(gè)變量的隸屬度，如表1、表2所示，ΔE的隸屬度量與E的相同。

1.2 建立模糊控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則的確立一般采用經(jīng)驗(yàn)歸納法以及大量的實(shí)驗(yàn)做驗(yàn)證。對(duì)于本文的LED舞臺(tái)燈燈光的控制，有如下的模糊規(guī)則：如果測(cè)量到的單通道的燈光值大于LED燈設(shè)定的燈光值，則說明外界的燈光或者其他因素對(duì)光源有所補(bǔ)充，導(dǎo)致測(cè)量值過大，于是需要抑制LED燈燈光，降低燈光亮度；如果測(cè)量到的單通道的燈光值小于LED燈設(shè)定的燈光值，并且燈光的變化率為零，則需要提高燈光的亮度。由此可以得出一系列控制規(guī)制為：If E is PB and ΔE is NB ,then U is Z；和If E is NM and ΔE is Z,then U is PS；等等，具體規(guī)格如表3所示。

表1 系統(tǒng)偏差E的隸屬度量

表2 控制輸出U的隸屬度量

表3 模糊控制規(guī)制表

1.3 模糊推理與清晰化，建立模糊控制表

本文采用Mamdani推理法，經(jīng)過模糊關(guān)系計(jì)算得出模糊關(guān)系矩陣，R=(E×ΔE)×U，然后可以計(jì)算模糊輸出U=(E×ΔE)○R，清晰化方法采用重心法，得到清晰值后，整理匯總得到控制輸出表，最后根據(jù)控制輸出表的內(nèi)容通過式(3)得到實(shí)際控制量。本文根據(jù)控制表的產(chǎn)生過程編寫程序進(jìn)行離線計(jì)算，由于模糊控制的離散性和預(yù)先規(guī)則的不確定性，有些計(jì)算可能與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)不太相符合[9]，所以經(jīng)過多次的實(shí)際控制試驗(yàn)后，對(duì)控制輸出表做出一些修改，最后結(jié)果如表4所示。將此表預(yù)先存入控制器中，實(shí)際控制時(shí)只需要根據(jù)燈光誤差和誤差變化查表就可以得到對(duì)應(yīng)的控制值。

表4 模糊控制輸出表

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本系統(tǒng)采用的測(cè)量?jī)x器即傳感器是CL-200A照度計(jì)，如圖2所示，該照度計(jì)可以測(cè)量燈光的XYZ值，并且測(cè)量精度高，速度快，方便實(shí)時(shí)測(cè)量。采用的燈具則是型號(hào)為OK12Q的LED舞臺(tái)燈，如圖3所示，燈具的控制協(xié)議是標(biāo)準(zhǔn)的DMX512協(xié)議，可以對(duì)燈光顏色，亮度，垂直/水平旋轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，顏色值是通過R、G、B三種單色值混合而成的，單通道顏色值為0～255。系統(tǒng)還用到了OpenCV圖像庫，主要利用顏色空間變換函數(shù)將XYZ值轉(zhuǎn)換為RGB值，計(jì)算測(cè)量值與設(shè)定值的差作為模糊控制量進(jìn)行模糊控制，最后再轉(zhuǎn)化為人們?nèi)菀捉邮艿腍SI顏色空間，計(jì)算誤差。

圖2 照度計(jì) 圖3 LED舞臺(tái)燈

圖4為系統(tǒng)控制界面，界面左邊Control區(qū)域由一些滾動(dòng)條組成，主要的功能分別是LED舞臺(tái)燈水平旋轉(zhuǎn)、LED舞臺(tái)燈垂直旋轉(zhuǎn)、RGB顏色調(diào)節(jié)；界面中間Button區(qū)域由一些按鈕組成，主要功能有連接LED舞臺(tái)燈、初始化燈具、選擇顏色模板、自適應(yīng)調(diào)節(jié)和計(jì)算誤差；Display區(qū)域主要是用于顯示顏色模板值、測(cè)量燈光值、達(dá)到穩(wěn)態(tài)后LED舞臺(tái)燈實(shí)際燈光值和誤差值。

圖4 LED舞臺(tái)燈自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

2.2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)同時(shí)對(duì)三個(gè)顏色通道進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，當(dāng)每個(gè)通道的顏色值變化量小于設(shè)定的閾值時(shí)，認(rèn)為該系統(tǒng)已經(jīng)趨于穩(wěn)定。圖5展示了燈光調(diào)節(jié)前與燈光調(diào)節(jié)后的效果圖。

圖5 系統(tǒng)調(diào)節(jié)燈光前、后效果圖

圖片展示了四種不同顏色的顏色模板、調(diào)節(jié)前效果、調(diào)節(jié)后效果，每行代表一種顏色，每行的第一幅圖片代表顏色模板，第二幅圖片代表調(diào)節(jié)前效果，第三幅代表調(diào)節(jié)后效果。

由圖5燈光調(diào)節(jié)前效果可以看出，LED舞臺(tái)燈受到自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境的影響，發(fā)射LED燈光與顏色模板存在很大差異，嚴(yán)重影響舞臺(tái)燈光效果，通過模糊控制自適應(yīng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的LED燈光可以很好地還原顏色模板燈光效果，如燈光調(diào)節(jié)后效果所示。

圖6為顏色模板R=64，G=128，B=128自適應(yīng)調(diào)整后得到的數(shù)據(jù)顯示結(jié)果，由圖可以看出經(jīng)過調(diào)整后的測(cè)量結(jié)果為R=62，G=129，B=128，誤差結(jié)果為H=0.56%,S=1.96%，V=0.39%，可以很好地還原預(yù)設(shè)效果，而達(dá)到穩(wěn)態(tài)后LED舞臺(tái)燈實(shí)際控制發(fā)射的燈光值為R=55，G=91，B=102，即系統(tǒng)的最終控制值，它與顏色模板的差距較大，這也進(jìn)一步說明了LED舞臺(tái)燈受各類因素影響造成嚴(yán)重誤差，需要通過模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

圖6 界面數(shù)據(jù)顯示

本文通過與相減法，即純粹的將誤差量作為控制量進(jìn)行調(diào)節(jié)的方法進(jìn)行比較，得出以下一些結(jié)果。

系統(tǒng)需要經(jīng)過多次的調(diào)節(jié)才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)，本文設(shè)定20作為最大的調(diào)節(jié)次數(shù)，一旦調(diào)節(jié)次數(shù)達(dá)到20則終止調(diào)節(jié)。表5為模糊控制方法調(diào)節(jié)結(jié)果，表6為相減法調(diào)節(jié)結(jié)果。

表5 模糊控制方法調(diào)節(jié)結(jié)果表

表6 相減法調(diào)節(jié)結(jié)果表

表5和表6使用相同的四種顏色模板分析調(diào)節(jié)結(jié)果，通過對(duì)表5、表6的對(duì)比可以看出模糊控制法大大降低了調(diào)節(jié)次數(shù)；時(shí)間上，由于模糊控制法只需通過查表即可獲取控制量，而且調(diào)節(jié)次數(shù)少，所以縮短了大量的時(shí)間；精度上，在HSV顏色空間上分析誤差，可以看出模糊控制法在精度方面也得到了很大的提高。

為了更加直觀、清晰地看到兩種方法的不同，本系統(tǒng)在每次調(diào)整后都記錄下LED燈單通道測(cè)量的顏色值，繪制成曲線圖，如圖7、圖8所示。

圖7 相減法單通道響應(yīng)曲線圖 圖8 模糊控制法單通道響應(yīng)曲線圖

圖7和圖8為B通道顏色值為128的響應(yīng)曲線，由圖7、圖8可以看出相減法的響應(yīng)曲線波動(dòng)較大，需要通過更多次的調(diào)節(jié)才能趨于穩(wěn)態(tài)，而模糊控制法調(diào)節(jié)波動(dòng)平緩，調(diào)節(jié)次數(shù)少，很快就找到穩(wěn)定點(diǎn)。

3 結(jié) 語

本文采用模糊控制算法對(duì)LED舞臺(tái)燈燈光進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，為舞臺(tái)提供更好的燈光效果。通過對(duì)以上兩種方法的對(duì)比，以及系統(tǒng)的實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，無論是從響應(yīng)或者精度上，模糊控制算法都具有響應(yīng)時(shí)間短，精度高，波動(dòng)小的特點(diǎn)，系統(tǒng)遇到干擾時(shí)能很快恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，并且能很好地還原原始的舞臺(tái)設(shè)計(jì)效果。因此，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在LED舞臺(tái)燈的應(yīng)用上，具有很大的推廣價(jià)值。

[1] 徐明.探訪LED舞臺(tái)燈具現(xiàn)狀與燈光測(cè)量應(yīng)用[J].現(xiàn)代電視技術(shù),2014(3):115-119.

[2] 張哲.LED光源在影視行業(yè)和舞臺(tái)燈光藝術(shù)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電影技術(shù),2011(9):20-22.

[3] 肖鳳強(qiáng).LED舞臺(tái)燈具在長(zhǎng)安大戲院的應(yīng)用[J].演藝科技,2011(1):10-13.

[4] 陳國(guó)義.LED舞臺(tái)燈具的現(xiàn)狀和應(yīng)用前景[J].演藝科技,2009(5):14-18.

[5] 李勝有.LED舞臺(tái)燈技術(shù)及發(fā)展前景[J].硅谷,2013(22):88-91.

[6] 柳得安.演藝燈光技術(shù)發(fā)展報(bào)告·LED舞臺(tái)燈具篇[J].演藝科技,2013(4):1-8.

[7] 陳國(guó)義.我國(guó)LED舞臺(tái)燈具現(xiàn)狀及相關(guān)思考[J].演藝科技,2010(5):3-7.

[8] 於立成,凌莉.舞臺(tái)燈具國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)特殊要求及LED舞臺(tái)燈具的適用性[J].中國(guó)照明電器,2011(10):25-27.

[9] 彭勇剛,韋巍.人工氣候箱溫濕度模糊控制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006,22(8):166-169.

ADAPTIVE LED STAGE LIGHTS ADJUSTMENT SYSTEM BASED ON FUZZY CONTROL METHOD

Chen Jiazhou Zeng Bi He Yuanlie

(SchoolofComputerScience,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,Guangdong,China)

Aiming at the problem that LED stage lights cannot exhibit original stage design effect due to being vulnerable to the impacts incurred from their own devices and external environmental factors when in work, this paper effectively designs the fuzzy control algorithm to adaptively adjust the hue of LED stage lights and validates and analyses the experiment in actual control system built in. First, the system obtains the lighting data of LED stage lights from illuminometer, then it calculates the difference with original effect. Finally the system adopts fuzzy control algorithm to correct the error. Experimental results show that the fuzzy adaptive adjustment system can well restore the original stage design effect, and has significant advantages of high precision, fast response and small fluctuations as well.

Fuzzy control LED stage lights System Adaptive adjustment Stage light design

2014-12-09。廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013J4300033)。陳佳洲，碩士生，主研領(lǐng)域：機(jī)器視覺，圖像處理。曾碧，教授。何元烈，副教授。

TP273+.4

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2016.04.020