リアルタイム閉ループ色制御

アブストラクト

スマートホームとモノのインターネットは現代社会における新興概念であり、インテリジェント照明はその重要な構成要素である。照明は演色性による視覚的満足を提供するだけでなく、人間のウェルビーイングに対し他の効果も有する。スマート照明環境の可能性を最大限に引き出すためには、従来のオンオフや調光制御に加え、光のスペクトルと色彩特性を精密に制御可能な高精度コントローラを照明システムに装備する必要がある。

しかし、現在このような機能を備えた商業用スマート照明製品は、高価なセンサーを必要としており、LEDベースの照明器具の正確な色制御に不可欠な閉ループフィードバックが依然として不足している。本論文では、現代のスマートフォンに搭載されているカメラを利用して、スマートホームの照明システムにおける閉ループ色制御を実現する新しいアプローチを提案する。

このアルゴリズムは、任意の色と所望の相関色温度における高演色性の白色光に対して、マルチチャネルミキシングを実行可能です。外部センサーが不要で、互換性のあるLED照明器具において任意のAndroidスマートフォンを使用して実行できるため、この手法は非常に経済的かつ利便性が高いことが実証されています。

はじめに

発光ダイオード（LED）は、世界中の照明用途で着実に普及を拡大している。米国のみにおいても、2014年から2016年にかけて、全照明用途におけるLED製品の導入数が4倍以上に増加したと報告されている。米国エネルギー省はさらに、2035年までに一般照明用途におけるLEDベースの照明器具の普及率が約86%に急増すると予測している。

多くの消費者がLEDに移行している理由は、ハロゲンや蛍光灯などの従来光源に比べて消費電力が低いためである。さらにLEDベースの照明器具は、省エネルギー以外にもはるかに優れた利点を提供する。多様なスペクトル構成で利用可能かつ制御が容易なため、調光可能な照明システムの実現が可能となる。

スペクトル可変照明は照明の未来を担うと期待されている。研究により、光が人間の生体リズムに影響を与える重要な刺激要因であり、光のスペクトル構成が人間の生理・心理に強く影響することが明らかとなった。調光システムの魅力は、人工照明と自然光の差を埋め、人間のウェルビーイングに多大な恩恵をもたらす点にある。

Light Spectrum Control Methodology

提案された制御アルゴリズムをテストするために使用された照明器具プロトタイプは10チャンネルで構成され、うち7チャンネルが異なるピーク波長を持つ原色、残り3チャンネルが蛍光体変換白色LEDである。各LEDチャンネルの強度はPWM（パルス幅変調）により制御され、ArduinoマイクロコントローラからZigBeeを用いて無線でLEDドライバーに供給される。

照明制御アルゴリズムを実行するAndroidアプリケーションが開発されました。ユーザーはカラーピッカーで目標照明色を選択すると、アルゴリズムがその色を目標設定点と呼ばれるu'v'座標系に変換します。室内照明状態の情報はスマートフォンカメラで捕捉され、室内光のu'v'色座標に変換されます。

目標と計測された色座標間のユークリッド距離が誤差として計算されます。PI制御器はこの誤差を受け取り、LEDの色座標を考慮して、ZigBeeを使用して照明器具内の各LEDチャネルへPWM制御信号を無線で生成します。

LEDチャネル仕様

マルチチャネルカラー制御アルゴリズムの設計

本論文で提案する新しいマルチチャネルカラー制御アルゴリズムは、目標色度に収束する勾配降下法の一種です。計算は均等な色度尺度を持つ1976 CIELUV色空間で実行されます。このアルゴリズムを機能させるには、ユーザーがシステムを初めて実行する際に各LEDチャネルの(u', v')座標を取得する必要があります。

本アルゴリズムは、カメラ測定値を入力として色座標を計算しながら、照明器具内の全LEDチャネルを個別に順次走査する。主目的は、閉ループ制御設計を用いてLED照明器具が発光する色が目標色に収束するための、CIELUV色空間内における最速・最短移動経路を確立することである。

二つの色を混合した結果の色が、色度図上で元の色を結ぶ直線上に常に位置するという特性を基礎として、各LEDチャネルの最終輝度値に反復的に到達する。

アルゴリズム実装

アルゴリズムの最初のステップでは、カメラから取得した画像のサイズを、幅と高さをそれぞれ10分の1に縮小することでスケーリングし、結果として元の画像より100倍小さい最終画像を生成する。その後、画像内の平均RGB値を計算する。

次にRGB値を使用して測定色座標(u', v')を計算する。誤差信号は、目標座標と測定座標間のユークリッド距離公式を用いて算出される。

フィードバック制御アルゴリズムでは定常状態誤差ゼロを達成するためPI制御器を採用。ジーグラー・ニコルス法で調整された適応ステップサイズ機能により、反復ごとのステップ幅を動的に算出します。

Experimental Results and Discussions

実験システムは5.8m×3.4mの模擬リビングルームに設置され、6基の無線制御可能で調光可能な10チャネル研究用プロトタイプ照明装置を備えています。7つの純色LEDチャネルは可視波長域にわたり、多様な色特性を持つ白色光を混合生成することが可能です。

スマートフォンの前面カメラを上方に向けて設置し、机面に入射する光の照明状態（RGB値と照度）を計測します。色制御アルゴリズムを検証するため、スマートフォン近傍にKonica Minolta CL-500A輝度分光測色計を設置しています。

Bi-Channel Mixing Results

マルチチャネルミキシング結果

カラー制御アルゴリズムは以下のような多様なシナリオを用いてテストされました：

• Seven primary colors to produce white light
• 10個のLEDチャネルで白色光を生成
• Seven primary colors to produce a colored light
• 10個のLEDチャネルでカラー光を生成

マルチチャネル混合において、フィードバックアルゴリズムは色差Δu'v'が0.003未満を検知すると停止するようにプログラムされました。これはデュアルチャネル混合よりも厳格な値です。この目標はスマートフォンカメラが検出した全ての選択色で達成されました。

平均CRIは、純色LEDを用いた7チャネル混合で82.76、10チャネル混合で94と非常に高くなりました。照明器具のLED原色の選択を最適化することで、広色域かつ高CRIの光を生成するために必要なLEDチャネル数をさらに削減できます。

タイミング性能に関して、閉ループ制御の各ステップは約658msを要し、アルゴリズムがランダムな色から目標色まで照明器具の出力を収束させるには約10回の反復を要します。これは約6～7秒に相当します。この収束速度は、実用アプリケーションにおいて合理的かつ許容範囲内です。

Conclusion

本論文では、現代のAndroidスマートフォンに搭載されているカメラを主要なフィードバックセンサーとして活用し、スマートホーム環境における多チャンネルLED照明システムの色制御に関する新しい手法を提案した。このアルゴリズムは照明器具の出力スペクトルを最適化し、調節可能な相関色温度（CCT）、正確な色再現、高い演色評価数を兼ね備えた光を生成することができる。

閉ループフィードバック制御システムは、窓から差し込む太陽光などの外部光源による外乱に対するロバスト性を維持するのに役立つ。カスタマイズされたカメラキャリブレーションデータを使用すれば、アルゴリズムは合理的な精度で動作し、さらなる改善が可能である。

スマートフォンをセンサーと処理装置の両方として使用する提案手法は、追加のセンサー設置が不要なため、非常に経済的で便利であることが実証された。今後の課題としては、ユーザー設定に基づくムード照明や、異なる場所でスマートフォンに記録した照明シーンの再現などの機能が含まれる。

References

完全な論文は39件の参考文献を含み、LED照明、色制御アルゴリズム、IoTにおけるスマートフォンアプリケーション、スマートホーム技術などのトピックを網羅している。主な参考文献には以下の研究が含まれる：

• LED導入に関する米国エネルギー省の予測
• 光スペクトルが人間の概日リズムに与える影響に関する研究
• LEDシステムの色制御方法に関する既存研究
• スマートフォンアプリケーションにおけるホームオートメーションとIoT
• 色恒常性アルゴリズムとグレーワールド仮説
• Ziegler-Nicholsを含む制御器調整手法