रियल-टाइम क्लोज्ड-लूप कलर कंट्रोल

सारांश

स्मार्ट होम और इंटरनेट ऑफ थिंग्स आधुनिक समाज में उभरती हुई अवधारणाएँ हैं, जिनमें बुद्धिमान प्रकाश व्यवस्था इसका एक महत्वपूर्ण हिस्सा है। अपने रंग-प्रतिपादन गुणों के माध्यम से दृश्य संतुष्टि प्रदान करने के अलावा, प्रकाश व्यवस्था का मानव कल्याण पर अन्य प्रभाव भी होते हैं। एक स्मार्ट रूप से प्रकाशित घर की पूरी क्षमता का दोहन करने के लिए, पारंपरिक ऑन-ऑफ और डिमिंग नियंत्रण के अतिरिक्त, प्रकाश व्यवस्था प्रणालियों को सटीक नियंत्रकों से सुसज्जित करने की आवश्यकता है जो प्रकाश के स्पेक्ट्रम और रंग विशेषताओं को नियंत्रित कर सकें।

हालाँकि, इस तरह की क्षमताओं वाली वर्तमान वाणिज्यिक स्मार्ट लाइटिंग उत्पादों को महंगे सेंसरों को नियोजित करने की आवश्यकता होती है जो अभी भी क्लोज्ड-लूप फीडबैक के मामले में कमी रखते हैं, जो लाइट-एमिटिंग डायोड (LED) आधारित ल्यूमिनेयर के सटीक रंग नियंत्रण के लिए अनिवार्य है। यह पेपर एक नवीन दृष्टिकोण प्रस्तुत करता है जो स्मार्ट होम में प्रकाश व्यवस्था प्रणालियों के लिए क्लोज्ड-लूप रंग नियंत्रण करने के लिए आधुनिक स्मार्टफोन पर उपलब्ध कैमरे का उपयोग करता है।

यह एल्गोरिदम किसी भी रंग के लिए मल्टी-चैनल मिक्सिंग और साथ ही उच्च कलर-रेंडरिंग इंडेक्स वाले वांछित करलेटेड कलर टेम्परेचर पर श्वेत प्रकाश का निर्माण करने में सक्षम है। यह दृष्टिकोण अत्यंत किफायती और सुविधाजनक सिद्ध होता है क्योंकि इसमें किसी बाहरी सेंसर की आवश्यकता नहीं होती और इसे किसी भी एंड्रॉइड स्मार्टफोन द्वारा संगत एलईडी-आधारित ल्यूमिनेयर पर क्रियान्वित किया जा सकता है।

भूमिका

प्रकाश उत्सर्जक डायोड (LEDs) दुनिया भर में प्रकाश व्यवस्था के क्षेत्र में लगातार प्रसार कर रहे हैं। रिपोर्ट्स के अनुसार, केवल संयुक्त राज्य अमेरिका में ही, वर्ष 2014 से 2016 तक सभी प्रकाश व्यवस्था अनुप्रयोगों में LED उत्पादों की स्थापना में चार गुना से अधिक की वृद्धि हुई है। U.S. Department of Energy ने भी पूर्वानुमान लगाया है कि वर्ष 2035 तक सामान्य प्रकाश व्यवस्था अनुप्रयोगों में LED-आधारित ल्यूमिनेयरों की हिस्सेदारी नाटकीय रूप से बढ़कर लगभग 86% हो जाएगी।

कई उपभोक्ता LEDs की ओर रुख कर रहे हैं क्योंकि हेलोजन और फ्लोरोसेंट जैसे पारंपरिक प्रकाश स्रोतों की तुलना में इनकी बिजली खपत कम होती है। साथ ही, LED-आधारित ल्यूमिनेयर केवल ऊर्जा बचत से कहीं अधिक लाभ प्रदान करते हैं; ये विभिन्न स्पेक्ट्रल संरचनाओं में उपलब्ध हैं और आसानी से नियंत्रित किए जा सकते हैं, जिससे ट्यून करने योग्य प्रकाश व्यवस्था प्रणालियाँ बनती हैं।

स्पेक्ट्रल रूप से समंजनशील प्रकाश को प्रकाश व्यवस्था का भविष्य माना जाता है, क्योंकि अध्ययनों से पता चला है कि प्रकाश मानव जैविक घड़ी को प्रभावित करने वाला एक महत्वपूर्ण उद्दीपक है, जहाँ यह पाया गया है कि प्रकाश की वर्णक्रमीय संरचना मानव शरीर विज्ञान और मनोविज्ञान को गहराई से प्रभावित करती है। एक समंजनशील प्रकाश प्रणाली का आकर्षण यह है कि यह कृत्रिम प्रकाश और प्राकृतिक प्रकाश के बीच के अंतर को कम कर सकती है, जिससे मानव कल्याण को भारी लाभ मिलते हैं।

प्रकाश स्पेक्ट्रम नियंत्रण पद्धति

प्रस्तावित नियंत्रण एल्गोरिथ्म का परीक्षण करने के लिए उपयोग किए गए ल्यूमिनेयर प्रोटोटाइप में 10 चैनल शामिल हैं, जिनमें से 7 विभिन्न शिखर तरंगदैर्ध्य वाले प्राथमिक रंग हैं, जबकि शेष 3 चैनल फॉस्फर-परिवर्तित सफेद एलईडी हैं। प्रत्येक एलईडी चैनल की तीव्रता को पल्स-विड्थ मॉड्यूलेशन (PWM) का उपयोग करके नियंत्रित किया जाता है, जो ल्यूमिनेयर पर स्थित एक Arduino माइक्रोकंट्रोलर द्वारा ZigBee का उपयोग करके वायरलेस तरीके से एलईडी ड्राइवर को आपूर्ति की जाती है।

प्रकाश नियंत्रण एल्गोरिदम को निष्पादित करने के लिए एक Android एप्लिकेशन विकसित किया गया था। उपयोगकर्ता सबसे पहले कलर पिकर का उपयोग करके लक्ष्य प्रकाश रंग का चयन करता है; एल्गोरिदम उस रंग को u'v' निर्देशांक के एक सेट में परिवर्तित करता है जिसे लक्ष्य सेट पॉइंट कहा जाता है। कमरे की प्रकाश स्थिति की जानकारी स्मार्टफोन कैमरे द्वारा कैप्चर की जाती है, जिसे कमरे में प्रकाश के u'v' रंग निर्देशांक में परिवर्तित किया जाता है।

त्रुटि उत्पन्न करने के लिए लक्ष्य और मापे गए रंग निर्देशांक के बीच यूक्लिडियन दूरी की गणना की जाती है। PI नियंत्रक इस त्रुटि को प्राप्त करता है, और एलईडी के रंग निर्देशांकों पर विचार करता है, और ZigBee का उपयोग करके वायरलेस तरीके से ल्यूमिनेयर में प्रत्येक एलईडी चैनल के लिए PWM नियंत्रण सिग्नल उत्पन्न करता है।

एलईडी चैनल विनिर्देश

मल्टी-चैनल कलर कंट्रोल एल्गोरिदम का डिजाइन

इस शोध पत्र में प्रस्तुत नवीन बहु-चैनल कलर कंट्रोल एल्गोरिदम ग्रेडिएंट डिसेंट एल्गोरिदम का एक रूप है जो लक्ष्य क्रोमैटिसिटी में अभिसरण करता है। गणनाएँ 1976 CIELUV कलर स्पेस में की जाती हैं जिसमें एक समान क्रोमैटिसिटी स्केल होता है। इस एल्गोरिदम के कार्य करने के लिए, प्रत्येक LED चैनल के (u', v') निर्देशांक उपयोगकर्ता द्वारा सिस्टम को पहली बार चलाने पर प्राप्त करने होते हैं।

यह एल्गोरिदम लुमिनेयर में सभी एलईडी चैनलों के माध्यम से व्यक्तिगत रूप से चक्र करता है, जबकि कैमरा रीडिंग को इनपुट के रूप में उपयोग करके कलर कोऑर्डिनेट्स की गणना करता है। एल्गोरिदम का मुख्य उद्देश्य क्लोज्ड-लूप कंट्रोल डिजाइन का उपयोग करके एलईडी लुमिनेयर द्वारा उत्सर्जित रंग के लक्ष्य रंग में परिवर्तित होने के लिए CIELUV कलर स्पेस में सबसे तेज और सबसे छोटा ट्रैवल पथ विकसित करना है।

इस तथ्य का उपयोग आधार के रूप में किया जाता है कि दो रंगों को जोड़ने से उत्पन्न रंग हमेशा क्रोमैटिसिटी डायग्राम पर रंगों को जोड़ने वाली रेखा पर पड़ता है, ताकि प्रत्येक एलईडी चैनल की अंतिम तीव्रताओं पर पुनरावृत्तीय रूप से पहुंचा जा सके।

Algorithm Implementation

एल्गोरिदम का पहला चरण कैमरे से प्राप्त छवि के आकार को स्केल करना है, जिसमें छवि की चौड़ाई और ऊंचाई को क्रमशः 10 गुना कम किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप अंतिम छवि मूल से 100 गुना छोटी होती है। फिर, छवि में औसत RGB मानों की गणना की जाती है।

RGB मानों का उपयोग मापे गए रंग निर्देशांक (u', v') की गणना के लिए किया जाता है। त्रुटि संकेत की गणना लक्ष्य और मापे गए निर्देशांकों के बीच यूक्लिडियन दूरी सूत्र का उपयोग करके की जाती है।

फीडबैक नियंत्रण एल्गोरिदम के डिजाइन में शून्य स्थिर-अवस्था त्रुटि प्राप्त करने के लिए एक आनुपातिक-अभिन्न (PI) नियंत्रक का उपयोग किया जाता है। इसे प्रत्येक पुनरावृत्ति के लिए चरण आकार की गणना करने हेतु प्रसिद्ध Ziegler-Nichols विधि का उपयोग करके ट्यून किया गया था, जो एल्गोरिदम को अनुकूली चरण आकारों की क्षमता प्रदान करता है।

प्रायोगिक परिणाम और चर्चाएँ

प्रयोगात्मक प्रणाली एक नकली लिविंग रूम में स्थापित की गई थी जो 5.8 मी × 3.4 मी का स्थान है, जिसमें छह वायरलेस-नियंत्रित और समंजनयोग्य 10-चैनल शोध प्रोटोटाइप ल्यूमिनेयर से सुसज्जित हैं। सात चैनल जो शुद्ध-रंगीन एलईडी हैं दृश्यमान तरंगदैर्ध्य सीमा में फैले हुए हैं और रंग गुणों की एक विस्तृत श्रृंखला के साथ सफेद प्रकाश प्राप्त करने के लिए मिश्रित किए जा सकते हैं।

स्मार्टफोन जिसका सेकेंडरी कैमरा ऊपर की ओर है, प्रकाश व्यवस्था को कैप्चर करने के लिए उपयोग किया जाता है, अर्थात् उस सतह पर आपतित प्रकाश के आरजीबी मान और अभिवाह जहां फोन रखा गया है। एक कोनिका मिनोल्टा सीएल-500A अभिवाह स्पेक्ट्रोफोटोमीटर रंग-नियंत्रण एल्गोरिदम को मान्य करने के लिए स्मार्टफोन के निकट रखा गया है।

Bi-Channel Mixing Results

Multi-Channel Mixing Results

रंग नियंत्रण एल्गोरिदम का परीक्षण विभिन्न परिदृश्यों का उपयोग करके किया गया:

• सफेद प्रकाश उत्पन्न करने के लिए सात प्राथमिक रंग
• सफेद प्रकाश उत्पन्न करने के लिए दस एलईडी चैनल
• रंगीन प्रकाश उत्पन्न करने के लिए सात प्राथमिक रंग
• रंगीन प्रकाश उत्पन्न करने के लिए दस एलईडी चैनल

मल्टी-चैनल मिश्रण के लिए, फीडबैक एल्गोरिदम को रोकने के लिए प्रोग्राम किया गया था जब यह पता चलता है कि रंग अंतर Δu'v' 0.003 से कम है, जो बाई-चैनल मिश्रण की तुलना में एक अधिक सख्त मूल्य है। स्मार्टफोन कैमरे द्वारा पता लगाए गए प्रत्येक चुने हुए रंग के लिए यह लक्ष्य पूरा किया गया था।

शुद्ध-रंग एलईडी के साथ सात-चैनल मिश्रण के लिए औसत सीआरआई काफी अधिक 82.76 था और दस-चैनल मिश्रण के लिए 94 था। ल्यूमिनेयर में एलईडी प्राइमरी की पसंद को अनुकूलित करके, एक बड़ा कलर गैमट और उच्च सीआरआई प्रकाश उत्पन्न करने के लिए आवश्यक एलईडी चैनलों की संख्या को और कम किया जा सकता है।

टाइमिंग प्रदर्शन के मामले में, क्लोज्ड-लूप कंट्रोल के प्रत्येक चरण में लगभग 658ms लगते हैं, और एल्गोरिदम को ल्यूमिनेरीज़ के आउटपुट को एक यादृच्छिक रंग से लक्ष्य रंग में परिवर्तित करने में लगभग 10 पुनरावृत्तियाँ लगती हैं। यह लगभग 6-7s के बराबर है। वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में एल्गोरिदम की यह अभिसरण दर तर्कसंगत के साथ-साथ स्वीकार्य भी है।

निष्कर्ष

इस पेपर ने स्मार्ट होम वातावरण में मल्टी-चैनल LED लाइटिंग सिस्टम के कलर कंट्रोल के लिए एक नवीन दृष्टिकोण प्रस्तुत किया है, जिसमें अधिकांश आधुनिक Android स्मार्टफोन में पाए जाने वाले कैमरे को मुख्य फीडबैक सेंसर के रूप में उपयोग किया गया है। एल्गोरिदम ल्यूमिनेरीज़ के आउटपुट स्पेक्ट्रम को अनुकूलित करने में सक्षम है ताकि समायोज्य CCT, सटीक रंग और उच्च कलर रेंडरिंग इंडेक्स वाला प्रकाश उत्पन्न किया जा सके।

एक क्लोज्ड-लूप फीडबैक कंट्रोल सिस्टम अन्य प्रकाश स्रोतों जैसे कि खिड़कियों से आने वाली सूरज की रोशनी से होने वाली बाहरी गड़बड़ियों के प्रति मजबूती बनाए रखने में मदद करता है। यदि कस्टमाइज्ड कैमरा कैलिब्रेशन डेटा का उपयोग किया जाता है तो यह एल्गोरिदम संभावित सुधार के साथ उचित सटीकता पर काम करने में सक्षम है।

स्मार्टफोन को सेंसर और प्रोसेसिंग यूनिट दोनों के रूप में उपयोग करने की प्रस्तावित विधि बहुत किफायती और सुविधाजनक साबित हुई है क्योंकि कोई अतिरिक्त सेंसर स्थापित करने की आवश्यकता नहीं है। भविष्य के कार्य में अन्य विशेषताओं के अलावा, उपयोगकर्ता की पसंद के आधार पर मूड लाइटिंग और किसी अलग स्थान से स्मार्टफोन पर कैप्चर किए गए लाइटिंग सीन की प्रतिकृति शामिल हो सकती है।

संदर्भ

संपूर्ण शोधपत्र में 39 संदर्भ शामिल हैं, जो एलईडी प्रकाश व्यवस्था, रंग नियंत्रण एल्गोरिदम, आईओटी में स्मार्टफोन अनुप्रयोग और स्मार्ट होम प्रौद्योगिकियों जैसे विषयों को कवर करते हैं। प्रमुख संदर्भों में निम्नलिखित कार्य शामिल हैं:

• यू.एस. डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी द्वारा एलईडी अपनाने के पूर्वानुमान
• मानव सर्केडियन लय पर प्रकाश स्पेक्ट्रम के प्रभावों पर अध्ययन
• LED सिस्टम के लिए रंग नियंत्रण विधियों पर पूर्व शोध
• होम ऑटोमेशन और IoT में स्मार्टफोन एप्लिकेशन
• कलर कॉन्स्टेंसी एल्गोरिदम और ग्रे वर्ल्ड असेम्प्शन
• Ziegler-Nichols सहित नियंत्रक ट्यूनिंग विधियाँ