陈佳洲 曾 碧 何元烈

基于模糊控制的LED舞台灯自适应调节系统

陈佳洲 曾 碧 何元烈

(广东工业大学计算机学院 广东 广州 510006)

针对LED舞台灯在工作过程中，易受自身器械和外部环境因素影响，从而无法展现出原始舞台设计效果这一问题，有效地设计了模糊控制算法对LED舞台灯光色进行自适应调节，并在搭建的实际控制系统中进行实验验证和分析研究。系统首先通过照度计获取LED灯照射的灯光数据，然后由系统计算得出与原始效果的差值，最后采用模糊控制算法纠正误差。实验结果表明模糊自适应调节系统可以很好地还原原始舞台灯光设计效果，并且具有精度高、响应快、波动小的显著优点。

模糊控制 LED舞台灯 系统 自适应调节 舞台灯光设计

0 引 言

随着全球大力推广环保节能，低温度高效的潮流下，LED舞台灯已逐渐成为主流光源[1-4]。LED舞台灯光会根据舞台氛围，剧情的发展，演出的进度不断变化，不同的情景展现出不同的舞台效果，LED舞台灯的不断发展也使得人们对它的需求越来越大，对技术的要求越来越高[5-8]。然而，每个LED舞台灯会因使用过程中的电子和光学元件的老化、机械部件的磨损以及外部因素如光照、温度等的影响造成严重的误差，直接影响到舞台效果。

为了弥补误差，还原原始舞台设计的最佳效果，可以通过在舞台不同角度布置传感器，如照度计，动态采集舞台的LED舞台灯系统总体效果的反馈信息，将反馈信息与原始舞台设计进行比较，结合模糊控制算法，自适应调整灯光达到最佳效果。本文选择LED舞台灯的灯光作为被控对象，将模糊控制算法和灯色控制结合在一起，设计出一种基于模糊控制算法的LED舞台灯自适应调节系统，并将其与其他的一些控制方法作比较，体现出模糊控制算法的优越性。

1 LED舞台灯模糊控制系统设计

整个系统的工作可以概括为先选择颜色模板，使LED舞台灯发射预期光，然后传感器测量得到实际灯光值，再求出颜色模板值和实际灯光值的差值，最后通过设计模糊控制器，采用模糊控制算法修正误差值，使测量的灯光达到颜色模板值。图1为LED舞台灯模糊控制系统框图。

图1 LED舞台灯模糊控制系统框图

LED舞台灯模糊控制器主要包括3个功能环节：用于输入输出信号处理的模糊量化和反模糊化环节、建立模糊控制规制以及输出解模糊化后的的模糊控制表。

1.1 确定模糊控制器的输入输出变量以及变量的取值范围和隶属度

LED舞台灯灯光由三个通道红、绿、蓝混合产生各种颜色，颜色值在0～255之间，在本文中设定灯光误差e=单通道测量灯光值-单通道设定LED灯灯光值，其模糊变量为E，误差变化Δe=e1-e2，模糊变量为ΔE，系统的输出控制量为u，模糊变量为U，三个模糊变量都可以划分为7个变量等级{ NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。各个变量的论域范围为：

{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}；

输入输出模糊化的量化过程采用以下公式计算：

(1)

(2)

(3)

式(3)表示实际控制量是通过将输出模糊控制变量U归一化作为权值与灯光误差e的绝对值相乘得到的，该公式说明了当系统逐渐趋于稳态时，权值逐渐变小，调整幅度也逐渐变小，最后达到稳态。

最后确定各个变量的隶属度，如表1、表2所示，ΔE的隶属度量与E的相同。

1.2 建立模糊控制规则

模糊控制规则的确立一般采用经验归纳法以及大量的实验做验证。对于本文的LED舞台灯灯光的控制，有如下的模糊规则：如果测量到的单通道的灯光值大于LED灯设定的灯光值，则说明外界的灯光或者其他因素对光源有所补充，导致测量值过大，于是需要抑制LED灯灯光，降低灯光亮度；如果测量到的单通道的灯光值小于LED灯设定的灯光值，并且灯光的变化率为零，则需要提高灯光的亮度。由此可以得出一系列控制规制为：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，具体规格如表3所示。

表1 系统偏差E的隶属度量

表2 控制输出U的隶属度量

表3 模糊控制规制表

1.3 模糊推理与清晰化，建立模糊控制表

本文采用Mamdani推理法，经过模糊关系计算得出模糊关系矩阵，R=(E×ΔE)×U，然后可以计算模糊输出U=(E×ΔE)○R，清晰化方法采用重心法，得到清晰值后，整理汇总得到控制输出表，最后根据控制输出表的内容通过式(3)得到实际控制量。本文根据控制表的产生过程编写程序进行离线计算，由于模糊控制的离散性和预先规则的不确定性，有些计算可能与实际经验不太相符合[9]，所以经过多次的实际控制试验后，对控制输出表做出一些修改，最后结果如表4所示。将此表预先存入控制器中，实际控制时只需要根据灯光误差和误差变化查表就可以得到对应的控制值。

表4 模糊控制输出表

2 系统实现

2.1 系统实验环境

本系统采用的测量仪器即传感器是CL-200A照度计，如图2所示，该照度计可以测量灯光的XYZ值，并且测量精度高，速度快，方便实时测量。采用的灯具则是型号为OK12Q的LED舞台灯，如图3所示，灯具的控制协议是标准的DMX512协议，可以对灯光颜色，亮度，垂直/水平旋转进行控制，颜色值是通过R、G、B三种单色值混合而成的，单通道颜色值为0～255。系统还用到了OpenCV图像库，主要利用颜色空间变换函数将XYZ值转换为RGB值，计算测量值与设定值的差作为模糊控制量进行模糊控制，最后再转化为人们容易接受的HSI颜色空间，计算误差。

图2 照度计 图3 LED舞台灯

图4为系统控制界面，界面左边Control区域由一些滚动条组成，主要的功能分别是LED舞台灯水平旋转、LED舞台灯垂直旋转、RGB颜色调节；界面中间Button区域由一些按钮组成，主要功能有连接LED舞台灯、初始化灯具、选择颜色模板、自适应调节和计算误差；Display区域主要是用于显示颜色模板值、测量灯光值、达到稳态后LED舞台灯实际灯光值和误差值。

图4 LED舞台灯自适应调节系统

2.2 系统实验结果

系统同时对三个颜色通道进行自适应调整，当每个通道的颜色值变化量小于设定的阈值时，认为该系统已经趋于稳定。图5展示了灯光调节前与灯光调节后的效果图。

图5 系统调节灯光前、后效果图

图片展示了四种不同颜色的颜色模板、调节前效果、调节后效果，每行代表一种颜色，每行的第一幅图片代表颜色模板，第二幅图片代表调节前效果，第三幅代表调节后效果。

由图5灯光调节前效果可以看出，LED舞台灯受到自身内部结构和外部环境的影响，发射LED灯光与颜色模板存在很大差异，严重影响舞台灯光效果，通过模糊控制自适应调节，调节后的LED灯光可以很好地还原颜色模板灯光效果，如灯光调节后效果所示。

图6为颜色模板R=64，G=128，B=128自适应调整后得到的数据显示结果，由图可以看出经过调整后的测量结果为R=62，G=129，B=128，误差结果为H=0.56%,S=1.96%，V=0.39%，可以很好地还原预设效果，而达到稳态后LED舞台灯实际控制发射的灯光值为R=55，G=91，B=102，即系统的最终控制值，它与颜色模板的差距较大，这也进一步说明了LED舞台灯受各类因素影响造成严重误差，需要通过模糊控制系统进行自适应调节。

图6 界面数据显示

本文通过与相减法，即纯粹的将误差量作为控制量进行调节的方法进行比较，得出以下一些结果。

系统需要经过多次的调节才能达到稳态，本文设定20作为最大的调节次数，一旦调节次数达到20则终止调节。表5为模糊控制方法调节结果，表6为相减法调节结果。

表5 模糊控制方法调节结果表

表6 相减法调节结果表

表5和表6使用相同的四种颜色模板分析调节结果，通过对表5、表6的对比可以看出模糊控制法大大降低了调节次数；时间上，由于模糊控制法只需通过查表即可获取控制量，而且调节次数少，所以缩短了大量的时间；精度上，在HSV颜色空间上分析误差，可以看出模糊控制法在精度方面也得到了很大的提高。

为了更加直观、清晰地看到两种方法的不同，本系统在每次调整后都记录下LED灯单通道测量的颜色值，绘制成曲线图，如图7、图8所示。

图7 相减法单通道响应曲线图 图8 模糊控制法单通道响应曲线图

图7和图8为B通道颜色值为128的响应曲线，由图7、图8可以看出相减法的响应曲线波动较大，需要通过更多次的调节才能趋于稳态，而模糊控制法调节波动平缓，调节次数少，很快就找到稳定点。

3 结 语

本文采用模糊控制算法对LED舞台灯灯光进行自适应调节，为舞台提供更好的灯光效果。通过对以上两种方法的对比，以及系统的实际实验结果可看出，无论是从响应或者精度上，模糊控制算法都具有响应时间短，精度高，波动小的特点，系统遇到干扰时能很快恢复稳态，并且能很好地还原原始的舞台设计效果。因此，本文所设计的系统在LED舞台灯的应用上，具有很大的推广价值。

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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。广州市科技计划项目(2013J4300033)。陈佳洲，硕士生，主研领域：机器视觉，图像处理。曾碧，教授。何元烈，副教授。

TP273+.4

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2016.04.020