研究概覽
"Real-Time Closed-Loop Color Control of a Multi-Channel Luminaire Using Sensors Onboard a Mobile Device" 係一篇2018年9月27日刊登於IEEE Access嘅研究論文。該論文提出創新方法，利用智能手機鏡頭作為反饋傳感器，實現智能家居環境中多通道LED照明系統嘅實時閉環色彩控制。
關鍵創新： 本研究通過利用現代智能手機已有嘅鏡頭，為LED照明裝置提供咗一種經濟便捷嘅精準色彩控制方案，無需額外購置昂貴嘅外部傳感器。該算法能夠以高顯色指數，實現任意色彩及指定相關色溫下白光嘅多通道混光控制。
關鍵性能指標
主要研究洞察
智能手機相機作為高效能顏色感測器
研究證明現代智能手機相機可有效充當顏色感測器，用於LED照明系統的閉環控制，無需配置昂貴的專用感測器
多通道混色演算法
嶄新梯度下降演算法能透過在CIELUV色彩空間中判定最短路徑，實現任意LED通道數量的光源對目標色彩的收斂。
經濟型智能家居照明方案
此方法證實極具經濟效益且方便，因無需外加感應器，並可透過任何Android智能手機於兼容的LED燈具上操作。
實現高色彩精準度
該系統實現多通道混色時色差（Δu'v')低至0.003，在10通道混色情況下更可獲得高達94的顯色指數
對外部光源具強韌性
閉環反饋控制系統有助於維持對外部干擾的強韌性，例如從窗戶透入的日光等其他光源造成的影響
實際應用
該算法在真實模擬客廳環境（5.8米×3.4米）中進行測試，配備六組無線控制的10通道研究原型燈具。
內容概覽
文件目錄
摘要
智能家居同物聯網係現代社會嘅新興概念，智能照明作為其中重要一環。除咗透過顯色特性提供視覺滿足之外，照明對人嘅身心健康仲有其他影響。要充分發揮智能照明家居嘅潛力，照明系統除咗傳統開關同調光控制外，仲需要配備能夠精準控制光譜同顏色特性嘅控制器。
不過，目前具備呢類功能嘅商用智能照明產品需要採用昂貴感測器，而且仍然缺乏對發光二極管（LED）燈具實現精準色彩控制不可或缺嘅閉環反饋。本文提出一種創新方法，利用現代智能手機已有嘅鏡頭，為智能家居照明系統執行閉環色彩控制。
該演算法能夠為任何色彩進行多通道混色，同時亦可產生具備高顯色指數、符合指定相關色溫嘅白光。由於無需外加感應器，並且可以透過任何Android智能手機喺兼容嘅LED照明裝置上操作，此方法被證實非常經濟同便捷。
引言
發光二極管（LEDs）在全球照明應用領域正穩步拓展。據報告顯示，僅在美國，由2014年至2016年間，所有照明應用中LED產品的安裝量已增長超過四倍。美國能源部更預測，到2035年，基於LED的照明裝置在通用照明應用中的滲透率將急劇上升至約86%。
許多消費者轉向選用LED，是因為其耗電量較傳統光源如鹵素燈和熒光燈為低。此外，基於LED的照明裝置不僅具節能優勢，更提供多種光譜組合且易於調控，從而實現可調節的照明系統。
光譜可調燈具被視為照明嘅未來發展方向，研究證實光線係影響人體生理時鐘嘅重要刺激源，光譜組成會對人類生理同心理產生顯著影響。可調光系統嘅吸引之處在於能夠縮窄人造光源與自然光線之間嘅差距，為人類健康帶來巨大益處。
光譜控制方法
用於測試所提出控制算法嘅燈具原型包含10個通道，其中7個係具有不同峰值波長嘅原色LED，其餘3個通道為螢光粉轉換白光LED。每個LED通道均採用脈衝寬度調變（PWM）技術進行亮度控制，由裝設於燈具上嘅Arduino微控制器透過ZigBee無線傳輸技術向LED驅動器發送信號。
開發了Android應用程式來執行照明控制算法。用戶首先透過顏色選擇器揀選目標照明顏色；算法將該顏色轉換為一組u'v'座標（稱為目標設定點）。房間照明狀況嘅資訊由智能手機鏡頭捕捉，並轉換為室內光線嘅u'v'顏色座標。
透過計算目標與量測顏色座標之間嘅歐幾里得距離來產生誤差。PI控制器接收此誤差，並綜合LED嘅顏色座標，透過ZigBee無線生成發送至燈具各LED通道嘅PWM控制信號。
LED 燈槽規格
| 通道 | CIE 1931 xy x | CIE 1931 xy y | 1976 CIELUV u' | 1976 CIELUV v' |
|---|---|---|---|---|
| 紅色 (637 nm) | 0.7020 | 0.2975 | 0.5436 | 0.5183 |
| Amber (625 nm) | 0.6817 | 0.3178 | 0.5003 | 0.5247 |
| 黃色 (596 nm) | 0.5899 | 0.4093 | 0.3505 | 0.5472 |
| Lime (538 nm) | 0.4087 | 0.5601 | 0.1836 | 0.5662 |
| Green (523 nm) | 0.1804 | 0.7281 | 0.0634 | 0.5760 |
多通道色彩控制演算法設計
本文提出的新型多通道色彩控制演算法屬於梯度下降演算法的一種，能收斂至目標色度。所有運算均在具均勻色度標度的1976 CIELUV色彩空間中進行。此演算法首次運行時，須先獲取每個LED通道的(u', v')座標數據。
演算法會逐一遍歷燈具中所有LED通道，同時以相機讀數作為輸入運算色彩座標。透過閉環控制設計，演算法主要目標係為LED燈具發出嘅色彩，於CIELUV色彩空間建立最快最短嘅移動路徑，從而收斂至目標色彩。
基於「兩種顏色混合後產生嘅新色彩，必定位於色度圖上連接兩色嘅直線」此特性，演算法透過迭代運算逐步得出每個LED通道嘅最終強度。
演算法實現
演算法的第一步是將從相機獲取的影像尺寸進行縮放，分別將影像的寬度和高度縮減10倍，最終得到比原始影像細100倍的影像。然後計算影像中的平均RGB值。
隨後使用RGB值計算量度得的色度座標(u', v')。誤差訊號是透過目標座標與量度座標之間的歐幾里得距離公式計算得出。
反饋控制算法採用比例積分(PI)控制器設計，以達至零穩態誤差。系統透過著名的齊格勒-尼科爾斯方法進行調諧，計算每次迭代的步長，令算法具備自適應步長能力。
實驗結果與討論
實驗系統設置於一個模擬客廳內，該空間尺寸為5.8米×3.4米，配備六盞無線控制可調式10通道研究原型燈具。其中七組純色LED通道覆蓋可見光波長範圍，可混合調製出具有多種色彩特性的白光。
智能手機透過朝上的副鏡頭擷取照明狀況，即拍攝手機放置表面所受光照的RGB數值與照度。為驗證色彩控制演算法，在手機旁放置了Konica Minolta CL-500A照度分光光度計進行對照測量。
Bi-Channel Mixing Results
| 實驗 | 平均 Δu'v' | CCT範圍 | 平均絕對CCT誤差 | 平均CRI |
|---|---|---|---|---|
| Warm white & cool white | 0.0103 | 2700K 至 5600K | 4.45% | 77.7 |
| Cool white & yellow | 0.0089 | 2700K 至 5600K | 3.62% | 59 |
Multi-Channel Mixing Results
顏色控制算法已透過多種場景進行測試，包括：
- 七種原色合成白光
- 十組LED通道產生白光
- 七種原色產生彩色光
- 十組LED通道產生彩色光
對於多通道混色，反饋演算法設定為當檢測到色差Δu'v'小於0.003時停止，此數值較雙通道混色更為嚴格。智能手機鏡頭檢測的每種選定顏色均達到此目標。
使用純色LED進行七通道混色時平均CRI達82.76，十通道混色時更達94，數值相當高。通過優化燈具中LED原色的選擇，可進一步減少產生更大色域及高CRI光源所需的LED通道數量。
在時序表現方面，閉環控制中的每個步驟約需658毫秒，而演算法需進行約10次迭代，才能將燈具的輸出顏色從隨機色彩收斂至目標色彩。這相當於約6至7秒。此演算法的收斂速度在實際應用中既合理亦可接受。
結論
本文提出一種創新方法，在智能家居環境中透過現代Android智能手機的內置鏡頭作為主要反饋傳感器，實現多通道LED照明系統的色彩控制。該演算法能優化燈具的輸出光譜，產生具可調色溫、精準色彩及高顯色指數的光線。
閉環反饋控制系統有助維持對外部干擾的穩健性，例如從窗戶透入的日光等其他光源。若採用定制化的鏡頭校準數據，該算法可在合理精度下運作，並具備潛在改進空間。
將智能手機同時用作傳感器與處理單元的方案，證實極具經濟效益與便利性，因無需安裝額外傳感器。未來工作可包含基於用戶偏好的情境照明，以及重現用戶從不同地點於手機拍攝的照明場景等功能。
References
全文共包含39篇参考文献，涵盖LED照明、色彩控制演算法、智能手机在物联网中的应用及智能家居技术等范畴。重要参考文献包括以下著作：
- 美国能源部对LED采用率的预测报告
- 光譜對人體生理節律影響嘅研究
- 過往對LED系統色彩控制方法嘅研究
- 智能手機應用於家居自動化與物聯網
- 色彩恆常性算法與灰色世界假設
- 控制器調校方法包括Ziegler-Nichols
注意： 以上為研究論文內容摘要。完整文件包含大量實驗數據、演算法虛擬碼、數學公式及詳細結果分析，建議下載完整PDF檔案以進行深入技術閱讀。