基于模糊控制的LED舞臺燈自適應調節系統

陳佳洲 曾 碧 何元烈

基于模糊控制的LED舞臺燈自適應調節系統

陳佳洲 曾 碧 何元烈

(廣東工業大學計算機學院 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境因素影響，從而無法展現出原始舞臺設計效果這一問題，有效地設計了模糊控制算法對LED舞臺燈光色進行自適應調節，并在搭建的實際控制系統中進行實驗驗證和分析研究。系統首先通過照度計獲取LED燈照射的燈光數據，然后由系統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。實驗結果表明模糊自適應調節系統可以很好地還原原始舞臺燈光設計效果，并且具有精度高、響應快、波動小的顯著優點。

模糊控制 LED舞臺燈 系統 自適應調節 舞臺燈光設計

0 引 言

隨著全球大力推廣環保節能，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舞臺燈光會根據舞臺氛圍，劇情的發展，演出的進度不斷變化，不同的情景展現出不同的舞臺效果，LED舞臺燈的不斷發展也使得人們對它的需求越來越大，對技術的要求越來越高[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，動態采集舞臺的LED舞臺燈系統總體效果的反饋信息，將反饋信息與原始舞臺設計進行比較，結合模糊控制算法，自適應調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合在一起，設計出一種基于模糊控制算法的LED舞臺燈自適應調節系統，并將其與其他的一些控制方法作比較，體現出模糊控制算法的優越性。

1 LED舞臺燈模糊控制系統設計

整個系統的工作可以概括為先選擇顏色模板，使LED舞臺燈發射預期光，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框圖。

圖1 LED舞臺燈模糊控制系統框圖

LED舞臺燈模糊控制器主要包括3個功能環節：用于輸入輸出信號處理的模糊量化和反模糊化環節、建立模糊控制規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、藍混合產生各種顏色，顏色值在0～255之間，在本文中設定燈光誤差e=單通道測量燈光值-單通道設定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逐漸趨于穩態時，權值逐漸變小，調整幅度也逐漸變小，最后達到穩態。

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 建立模糊控制規則

模糊控制規則的確立一般采用經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，有如下的模糊規則：如果測量到的單通道的燈光值大于LED燈設定的燈光值，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，具體規格如表3所示。

表1 系統偏差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，經過模糊關系計算得出模糊關系矩陣，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，最后根據控制輸出表的內容通過式(3)得到實際控制量。本文根據控制表的產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先規則的不確定性，有些計算可能與實際經驗不太相符合[9]，所以經過多次的實際控制試驗后，對控制輸出表做出一些修改，最后結果如表4所示。將此表預先存入控制器中，實際控制時只需要根據燈光誤差和誤差變化查表就可以得到對應的控制值。

表4 模糊控制輸出表

2 系統實現

2.1 系統實驗環境

本系統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，燈具的控制協議是標準的DMX512協議，可以對燈光顏色，亮度，垂直/水平旋轉進行控制，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。系統還用到了OpenCV圖像庫，主要利用顏色空間變換函數將XYZ值轉換為RGB值，計算測量值與設定值的差作為模糊控制量進行模糊控制，最后再轉化為人們容易接受的HSI顏色空間，計算誤差。

圖2 照度計 圖3 LED舞臺燈

圖4為系統控制界面，界面左邊Control區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、LED舞臺燈垂直旋轉、RGB顏色調節；界面中間Button區域由一些按鈕組成，主要功能有連接LED舞臺燈、初始化燈具、選擇顏色模板、自適應調節和計算誤差；Display區域主要是用于顯示顏色模板值、測量燈光值、達到穩態后LED舞臺燈實際燈光值和誤差值。

圖4 LED舞臺燈自適應調節系統

2.2 系統實驗結果

系統同時對三個顏色通道進行自適應調整，當每個通道的顏色值變化量小于設定的閾值時，認為該系統已經趨于穩定。圖5展示了燈光調節前與燈光調節后的效果圖。

圖5 系統調節燈光前、后效果圖

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

由圖5燈光調節前效果可以看出，LED舞臺燈受到自身內部結構和外部環境的影響，發射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調節，調節后的LED燈光可以很好地還原顏色模板燈光效果，如燈光調節后效果所示。

圖6為顏色模板R=64，G=128，B=128自適應調整后得到的數據顯示結果，由圖可以看出經過調整后的測量結果為R=62，G=129，B=128，誤差結果為H=0.56%,S=1.96%，V=0.39%，可以很好地還原預設效果，而達到穩態后LED舞臺燈實際控制發射的燈光值為R=55，G=91，B=102，即系統的最終控制值，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進行自適應調節。

圖6 界面數據顯示

本文通過與相減法，即純粹的將誤差量作為控制量進行調節的方法進行比較，得出以下一些結果。

系統需要經過多次的調節才能達到穩態，本文設定20作為最大的調節次數，一旦調節次數達到20則終止調節。表5為模糊控制方法調節結果，表6為相減法調節結果。

表5 模糊控制方法調節結果表

表6 相減法調節結果表

表5和表6使用相同的四種顏色模板分析調節結果，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節次數；時間上，由于模糊控制法只需通過查表即可獲取控制量，而且調節次數少，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，本系統在每次調整后都記錄下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 相減法單通道響應曲線圖 圖8 模糊控制法單通道響應曲線圖

圖7和圖8為B通道顏色值為128的響應曲線，由圖7、圖8可以看出相減法的響應曲線波動較大，需要通過更多次的調節才能趨于穩態，而模糊控制法調節波動平緩，調節次數少，很快就找到穩定點。

3 結 語

本文采用模糊控制算法對LED舞臺燈燈光進行自適應調節，為舞臺提供更好的燈光效果。通過對以上兩種方法的對比，以及系統的實際實驗結果可看出，無論是從響應或者精度上，模糊控制算法都具有響應時間短，精度高，波動小的特點，系統遇到干擾時能很快恢復穩態，并且能很好地還原原始的舞臺設計效果。因此，本文所設計的系統在LED舞臺燈的應用上，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