陳佳洲 曾 碧 何元烈

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

陳佳洲 曾 碧 何元烈

(廣東工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院 廣東 廣州 510006)

針對LED舞臺燈在工作過程中，易受自身器械和外部環(huán)境因素影響，從而無法展現(xiàn)出原始舞臺設(shè)計效果這一問題，有效地設(shè)計了模糊控制算法對LED舞臺燈光色進行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，并在搭建的實際控制系統(tǒng)中進行實驗驗證和分析研究。系統(tǒng)首先通過照度計獲取LED燈照射的燈光數(shù)據(jù)，然后由系統(tǒng)計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。實驗結(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燈光設(shè)計效果，并且具有精度高、響應(yīng)快、波動小的顯著優(yōu)點。

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

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舞臺燈已逐漸成為主流光源[1-4]。LED舞臺燈光會根據(jù)舞臺氛圍，劇情的發(fā)展，演出的進度不斷變化，不同的情景展現(xiàn)出不同的舞臺效果，LED舞臺燈的不斷發(fā)展也使得人們對它的需求越來越大，對技術(shù)的要求越來越高[5-8]。然而，每個LED舞臺燈會因使用過程中的電子和光學(xué)元件的老化、機械部件的磨損以及外部因素如光照、溫度等的影響造成嚴重的誤差，直接影響到舞臺效果。

為了彌補誤差，還原原始舞臺設(shè)計的最佳效果，可以通過在舞臺不同角度布置傳感器，如照度計，動態(tài)采集舞臺的LED舞臺燈系統(tǒng)總體效果的反饋信息，將反饋信息與原始舞臺設(shè)計進行比較，結(jié)合模糊控制算法，自適應(yīng)調(diào)整燈光達到最佳效果。本文選擇LED舞臺燈的燈光作為被控對象，將模糊控制算法和燈色控制結(jié)合在一起，設(shè)計出一種基于模糊控制算法的LED舞臺燈自適應(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舞臺燈模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

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

圖1 LED舞臺燈模糊控制系統(tǒng)框圖

LED舞臺燈模糊控制器主要包括3個功能環(huán)節(jié)：用于輸入輸出信號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舞臺燈燈光由三個通道紅、綠、藍混合產(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，三個模糊變量都可以劃分為7個變量等級{ NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。各個變量的論域范圍為：

{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算：

(1)

(2)

(3)

式(3)表示實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的絕對值相乘得到的，該公式說明了當系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)態(tài)時，權(quán)值逐漸變小，調(diào)整幅度也逐漸變小，最后達到穩(wěn)態(tài)。

最后確定各個變量的隸屬度，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)驗歸納法以及大量的實驗做驗證。對于本文的LED舞臺燈燈光的控制，有如下的模糊規(guī)則：如果測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光源有所補充，導(dǎo)致測量值過大，于是需要抑制LED燈燈光，降低燈光亮度；如果測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)系計算得出模糊關(guān)系矩陣，R=(E×ΔE)×U，然后可以計算模糊輸出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)得到實際控制量。本文根據(jù)控制表的產(chǎn)生過程編寫程序進行離線計算，由于模糊控制的離散性和預(yù)先規(guī)則的不確定性，有些計算可能與實際經(jīng)驗不太相符合[9]，所以經(jīng)過多次的實際控制試驗后，對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，實際控制時只需要根據(jù)燈光誤差和誤差變化查表就可以得到對應(yīng)的控制值。

表4 模糊控制輸出表

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)實驗環(huán)境

本系統(tǒng)采用的測量儀器即傳感器是CL-200A照度計，如圖2所示，該照度計可以測量燈光的XYZ值，并且測量精度高，速度快，方便實時測量。采用的燈具則是型號為OK12Q的LED舞臺燈，如圖3所示，燈具的控制協(xié)議是標準的DMX512協(xié)議，可以對燈光顏色，亮度，垂直/水平旋轉(zhuǎn)進行控制，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，計算測量值與設(shè)定值的差作為模糊控制量進行模糊控制，最后再轉(zhuǎn)化為人們?nèi)菀捉邮艿腍SI顏色空間，計算誤差。

圖2 照度計 圖3 LED舞臺燈

圖4為系統(tǒng)控制界面，界面左邊Control區(qū)域由一些滾動條組成，主要的功能分別是LED舞臺燈水平旋轉(zhuǎn)、LED舞臺燈垂直旋轉(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舞臺燈、初始化燈具、選擇顏色模板、自適應(yīng)調(diào)節(jié)和計算誤差；Display區(qū)域主要是用于顯示顏色模板值、測量燈光值、達到穩(wěn)態(tài)后LED舞臺燈實際燈光值和誤差值。

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

2.2 系統(tǒng)實驗結(jié)果

系統(tǒng)同時對三個顏色通道進行自適應(yīng)調(diào)整，當每個通道的顏色值變化量小于設(shè)定的閾值時，認為該系統(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，嚴重影響舞臺燈光效果，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，而達到穩(wěn)態(tài)后LED舞臺燈實際控制發(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，這也進一步說明了LED舞臺燈受各類因素影響造成嚴重誤差，需要通過模糊控制系統(tǒng)進行自適應(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行調(diào)節(jié)的方法進行比較，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，通過對表5、表6的對比可以看出模糊控制法大大降低了調(diào)節(jié)次數(shù)；時間上，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)波動平緩，調(diào)節(jié)次數(shù)少，很快就找到穩(wěn)定點。

3 結(jié) 語

本文采用模糊控制算法對LED舞臺燈燈光進行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，為舞臺提供更好的燈光效果。通過對以上兩種方法的對比，以及系統(tǒng)的實際實驗結(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)時間短，精度高，波動小的特點，系統(tǒng)遇到干擾時能很快恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，并且能很好地還原原始的舞臺設(shè)計效果。因此，本文所設(shè)計的系統(tǒng)在LED舞臺燈的應(yīng)用上，具有很大的推廣價值。

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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。廣州市科技計劃項目(2013J4300033)。陳佳洲，碩士生，主研領(lǐng)域：機器視覺，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