실내 환경 집중 및 휴식상황에서의 뉴로-퍼지를 통한 LED 감성조명 시스템 설계 Design of Neuro-Fuzzy LED Emotional Lighting System for Concentration and Resting Situations in Indoor Environment원문보기
차세대 조명광원인 LED가 급격하게 발전하고 저 전력, 고효율, 장수명의 장점을 가지고 있어 LED를 이용한 조명에 관심이 높아지고 있다. LED를 이용하여 감성조명을 구현하게 되면 기존의 단색의 조명과는 다르게 빛의 3원색을 이용한 모든 색상을 구현할 수 있다. 이러한 장점으로 인간의 감정까지 다스릴 수 있는 LED 감성조명이 지속적으로 개발되고 있다. 본 논문에서는 실내 환경에서의 집중 및 휴식상황에 맞는 색상을 추출하고 사용자가 느끼는 온도의 색상과 배합하여 상황과 온도에 대한 LED 감성조명을 표현하기 위해 알고리즘을 설계한다. 그리하여 뉴로-퍼지시스템을 이용하여 설계된 LED 감성조명은 사용자에게 집중 및 휴식에 대한 감성에 효과적인 영향을 나타낼 수 있을 것이다.
차세대 조명광원인 LED가 급격하게 발전하고 저 전력, 고효율, 장수명의 장점을 가지고 있어 LED를 이용한 조명에 관심이 높아지고 있다. LED를 이용하여 감성조명을 구현하게 되면 기존의 단색의 조명과는 다르게 빛의 3원색을 이용한 모든 색상을 구현할 수 있다. 이러한 장점으로 인간의 감정까지 다스릴 수 있는 LED 감성조명이 지속적으로 개발되고 있다. 본 논문에서는 실내 환경에서의 집중 및 휴식상황에 맞는 색상을 추출하고 사용자가 느끼는 온도의 색상과 배합하여 상황과 온도에 대한 LED 감성조명을 표현하기 위해 알고리즘을 설계한다. 그리하여 뉴로-퍼지시스템을 이용하여 설계된 LED 감성조명은 사용자에게 집중 및 휴식에 대한 감성에 효과적인 영향을 나타낼 수 있을 것이다.
LED, the next-generation light source, rapidly develops and has advantages of low power, high efficiency, and long life. Accordingly, an interest in lightings by using LED rises. If emotional lighting is implemented by using LED, all colors can be represented by using 3 primary colors of light, diff...
LED, the next-generation light source, rapidly develops and has advantages of low power, high efficiency, and long life. Accordingly, an interest in lightings by using LED rises. If emotional lighting is implemented by using LED, all colors can be represented by using 3 primary colors of light, differently from the conventional single-color lighting. LED emotional lightings which can control human emotions continue to be developed thanks to these advantages. This study was conducted to design an algorithm for expressing LED emotional lighting in line with the situation and temperature by extracting colors for concentration and resting situations in indoor environment and mixing them with colors of the temperature felt by user. The LED emotional lighting designed with a neuro-fuzzy system was found to have effects on user's emotions during concentration and resting.
LED, the next-generation light source, rapidly develops and has advantages of low power, high efficiency, and long life. Accordingly, an interest in lightings by using LED rises. If emotional lighting is implemented by using LED, all colors can be represented by using 3 primary colors of light, differently from the conventional single-color lighting. LED emotional lightings which can control human emotions continue to be developed thanks to these advantages. This study was conducted to design an algorithm for expressing LED emotional lighting in line with the situation and temperature by extracting colors for concentration and resting situations in indoor environment and mixing them with colors of the temperature felt by user. The LED emotional lighting designed with a neuro-fuzzy system was found to have effects on user's emotions during concentration and resting.
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문제 정의
온도에 대한 색상 기준은 색온도를 기준으로 하였고, 선정된 감성언어와의 배색을 통하여 퍼지 규칙을 설정하고, 퍼지 규칙을 이용하여 색상을 정리한다. 뉴로-퍼지를 스스로 학습하여 상황에 맞는 최적의 색상을 발광할 수 있는 LED 감성조명 시스템 구현을 목표로 한다.
본 논문에서는 실내 환경에서의 사용자의 집중 및 휴식상황을 취할 때 뉴로-퍼지를 이용하여 상황에 맞는 색상을 발광하는 LED 감성조명 설계를 한다. 실내 환경 요소인 실내 온도를 기준으로 집중 상황과 휴식 상황을 목표로 하였다.
본 논문은 실내 환경에서 사용자의 집중 및 휴식상황에 대해 뉴로-퍼지 제어를 통하여 LED 감성조명 시스템을 구현하였다. I.
본 논문에서는 실내 환경에서의 사용자의 집중 및 휴식상황을 취할 때 뉴로-퍼지를 이용하여 상황에 맞는 색상을 발광하는 LED 감성조명 설계를 한다. 실내 환경 요소인 실내 온도를 기준으로 집중 상황과 휴식 상황을 목표로 하였다. 집중과 휴식에 대한 감성언어를 I.
가설 설정
LED로 구현하기 위해서 예시를 들어 설명하도록 한다. 온도와 집중 상황에서 실내 온도가 20℃이며, 수리영역의 집중을 한다고 가정하여 LED를 구현하였다.
LED로 구현하기 위해서 예시를 들어 설명하도록 한다. 온도와 휴식 상황에서 실내 온도가 24℃이며, 가볍고 상쾌한 휴식을 취한다고 가정하여 LED를 구현하였다.
첫 번째로 집중 상황에서의 감성 색상은 어떠한 상황의 집중을 하느냐에 따라 다르다. 본 연구에서 사용된 4가지의 집중상황은 미술/음악은 2200K~2600K, 언어영역은 4200K~4600K, 수리영역은 7600~8200, 컴퓨터 (업무)영역은 6000K로 각기 다른 색온도의 색을 가지고 있다.
제안 방법
본 논문은 실내 환경에서 사용자의 집중 및 휴식상황에 대해 뉴로-퍼지 제어를 통하여 LED 감성조명 시스템을 구현하였다. I.R.I 형용사 이미지 스케일을 통하여 감성언어를 선정하고, I.R.I 단색 이미지 스케일과의 비교를 통해 감성언어에 대한 색상을 선택하였다. 온도와 집중, 온도와 휴식에 대한 색상을 퍼지 규칙을 통해 배색하였다.
온도와 집중, 온도와 휴식에 대한 색상을 퍼지 규칙을 통해 배색하였다. 뉴로-퍼지를 이용하여 학습한 LED 감성 조명의 시스템을 구현하고, 퍼지 규칙의 감성조명과 비교를 하였다. 뉴로-퍼지를 이용한 결과 LED 감성조명 시스템은 스스로 학습하여 여러 상황에서의 최적의 LED 감성조명 색상을 선정하였다.
뉴로-퍼지를 이용하여 학습한 LED 감성 조명의 시스템을 구현하고, 퍼지 규칙의 감성조명과 비교를 하였다. 뉴로-퍼지를 이용한 결과 LED 감성조명 시스템은 스스로 학습하여 여러 상황에서의 최적의 LED 감성조명 색상을 선정하였다. 더 많은 상황에서 뉴로-퍼지 LED 감성조명을 사용한다면 상황에 따라 색상도 변경될 것이고 뉴로-퍼지는 항상 최적의 감성조명의 색상을 선택하였다.
두 번째로 온도와 휴식과의 상관관계를 통해 뉴로-퍼지 시스템을 설계한다. 온도에 대한 멤버쉽 함수는 온도와 집중 상황과 마찬가지로 온도 범위는 17~25℃, 온도 구간은 각 4℃로 설정하였다.
또한 주황색과 파란색이 결합되면 안정감, 고요함, 침착성 등의 감각이 발한다[7]. 따라서 휴식 상황은 부드러움의 영역과 동적인 영역 사이의 주황색 계열을 선택하였고, 5가지의 감성언어를 선정하였다. 선정한 감성언어로는 포근한, 부드러운, 감미로운, 가벼운, 상쾌한이다.
온도와 집중, 온도와 휴식의 2가지 상황에 대해 뉴로-퍼지 시스템을 설계하기 위해 퍼지 멤버쉽 함수를 설정하고 멤버쉽 함수에 대한 IF-THEN 규칙을 통해 기본 배색의 Fuzzy Lookup Table을 구성한다. 멤버쉽 함수에서 각각의 지시어의 간략함을 위해 온도 Temp (Temperature), 집중 Con(Concentration), 휴식 Rel(Relax) 로 정의하였다. 또한 온도에 대한 멤버쉽함수는 실내 환경이 동일한 경우로 진행하였다.
본 논문에서 사용된 뉴로-퍼지의 구조는 입력변수들의 상호 관계를 고려하여 퍼지 공간을 분할한 것으로 공정의 비선형 정도와 상호 입력 변수의 상관성을 찾아 공간을 분할하고 퍼지 규칙을 생성하였다.
본 연구를 통하여 뉴로-퍼지를 이용한 감성조명을 통해 학습이 가능한 LED 감성조명을 구현하였다. 학습을 통하여 기존의 감성조명과 다르게 실내조명으로 사용하기에 자연스러운 색상이 구현되었다.
두 개의 스케일을 비교하여 상황에 맞는 색상을 추출하고 추출된 색상을 CIE 색 좌표와 비교하여 뉴로-퍼지 알고리즘을 통하여 LED 감성조명으로 나타낼 수 있다. 본 연구에서는 온도/집중 상황과 온도/휴식상황에 대해 감성언어를 추출하였다.
선정한 감성언어로는 포근한, 부드러운, 감미로운, 가벼운, 상쾌한이다. 선정된 감성언어를 CIE 색 좌표를 기준으로 주황색에 근접한 색 좌표 값의 순서로 구분하였다.
먼저 온도에 대한 멤버쉽 함수를 정의한다. 온도에 대한 멤버쉽 함수는 총 5가지 단계로 구성하였고, 온도의 범위는 실내온도에서 주로 형성되는 17~ 25℃로 구성하였으며 각 상황의 온도 범위는 4℃로 설정하였다. 온도에 대한 멤버쉽 함수는 그림 4에서 보여 준다.
I 단색 이미지 스케일과 대조하여 색상을 선정한다. 온도에 대한 색상 기준은 색온도를 기준으로 하였고, 선정된 감성언어와의 배색을 통하여 퍼지 규칙을 설정하고, 퍼지 규칙을 이용하여 색상을 정리한다. 뉴로-퍼지를 스스로 학습하여 상황에 맞는 최적의 색상을 발광할 수 있는 LED 감성조명 시스템 구현을 목표로 한다.
I 단색 이미지 스케일과의 비교를 통해 감성언어에 대한 색상을 선택하였다. 온도와 집중, 온도와 휴식에 대한 색상을 퍼지 규칙을 통해 배색하였다. 뉴로-퍼지를 이용하여 학습한 LED 감성 조명의 시스템을 구현하고, 퍼지 규칙의 감성조명과 비교를 하였다.
온도와 집중, 온도와 휴식의 2가지 상황에 대해 뉴로-퍼지 시스템을 설계하기 위해 퍼지 멤버쉽 함수를 설정하고 멤버쉽 함수에 대한 IF-THEN 규칙을 통해 기본 배색의 Fuzzy Lookup Table을 구성한다. 멤버쉽 함수에서 각각의 지시어의 간략함을 위해 온도 Temp (Temperature), 집중 Con(Concentration), 휴식 Rel(Relax) 로 정의하였다.
온도와 집중과의 상관관계를 통해 뉴로-퍼지 시스템을 설계한다. 먼저 온도에 대한 멤버쉽 함수를 정의한다.
온도와 휴식에 대한 IF-THEN 규칙을 통하여 두 상황에 따른 배색을 진행하여 Fuzzy Lookup Table을 작성하였으며 표 3에서 볼 수 있듯이 Fuzzy Lookup Table 를 색상으로 나타내었다. 온도와 휴식의 관계에서는 영역별 색상의 구분이 온도와의 배색을 통해 Yellow색상을 기준으로 분포되어 있다.
실내 환경 요소인 실내 온도를 기준으로 집중 상황과 휴식 상황을 목표로 하였다. 집중과 휴식에 대한 감성언어를 I.R.I 형용사 이미지 스케일을 통하여 선정하고, 선정된 감성언어를 이용하여 I.R.I 단색 이미지 스케일과 대조하여 색상을 선정한다. 온도에 대한 색상 기준은 색온도를 기준으로 하였고, 선정된 감성언어와의 배색을 통하여 퍼지 규칙을 설정하고, 퍼지 규칙을 이용하여 색상을 정리한다.
집중에 따른 4가지 상황은 서로 중첩되는 부분이 없어 각각의 멤버쉽 함수로 구성한다. 집중에 대한 멤버쉽 함수로는 미술/음악, 언어영역, 수리영역, 컴퓨터 영역으로 구분하였다. 온도와는 다르게 싱글톤(Singleton) 멤버쉽 함수로 구현하였으며 그림 5에서 보여준다.
표 2에서 학습된 온도와 집중에 대한 퍼지 규칙을 LED로 구현하였다. LED로 구현하기 위해서 예시를 들어 설명하도록 한다.
대상 데이터
첫 번째로 집중 상황에서의 감성 색상은 어떠한 상황의 집중을 하느냐에 따라 다르다. 본 연구에서 사용된 4가지의 집중상황은 미술/음악은 2200K~2600K, 언어영역은 4200K~4600K, 수리영역은 7600~8200, 컴퓨터 (업무)영역은 6000K로 각기 다른 색온도의 색을 가지고 있다. 이러한 결과에 따라 집중상황에서는 각각의 색상을 가지고 온도의 색상과 배색하여 뉴로-퍼지 알고리즘 진행하였다[2].
정해진 퍼지규칙을 통하여 상황별 학습을 진행한 결과는 표 4에서 볼 수 있다. 학습을 위해 총 100개의 데이터를 사용하였으며, 학습된 색상에 대한 퍼지 규칙은 다음과 같다. 학습의 진행을 통해 전반적인 색상기준이 Orange 색상으로 바뀐 것을 알 수 있다.
정해진 퍼지규칙을 통하여 상황별 학습을 진행한 결과는 표 2에서 볼 수 있다. 학습을 위해 총 80개의 데이터를 사용하였으며, 학습된 색상에 대한 퍼지 규칙은 다음과 같다. 학습의 진행을 통해 감성조명은 색상의 구분이 사라지고 이어지듯이 분포되었다.
이론/모형
오차 Ep를 최소화하기 위한 연결가중치의 변화량∆W는 경사하강법을 이용하여 구할 수 있다.
본 연구에서 사용된 4가지의 집중상황은 미술/음악은 2200K~2600K, 언어영역은 4200K~4600K, 수리영역은 7600~8200, 컴퓨터 (업무)영역은 6000K로 각기 다른 색온도의 색을 가지고 있다. 이러한 결과에 따라 집중상황에서는 각각의 색상을 가지고 온도의 색상과 배색하여 뉴로-퍼지 알고리즘 진행하였다[2].
성능/효과
두 번째로 휴식 상황에서의 감성 색상의 기준은 주황색 색상을 기준으로 하였으며, 주황색은 식욕 조절 중추가 자극되고, 나른함이 유발되어 잠이 들 가능성이 증가하며, 혈류의 속도가 감소한다. 또한 주황색과 파란색이 결합되면 안정감, 고요함, 침착성 등의 감각이 발한다[7].
온도와 집중에 대한 IF-THEN 규칙을 통하여 두 상황에 따른 배색을 진행하여 Fuzzy Lookup Table을 작성하였으며 표 1에서 볼 수 있듯이 Fuzzy Lookup Table를 색상으로 나타냈고, 각 영역의 색상이 구분이 뚜렷한 것을 알 수 있다.
실제 LED를 구동한 결과 그림 6과 같이 White 색상과 가까운 Cyan의 색상이 배색되어 구현되었다. 이러한 결과는 학습을 통하여 단순하게 White와 Cyan의 배색이 아닌 White색상에 가깝도록 학습 된 것을 확인하였고, 실제로 조명을 사용할 때 자연스러운 색상으로 발광되는 것을 알 수 있다.
이러한 결과로 학습을 통해 구현된 뉴로-퍼지 LED 조명은 밝은 조명의 색상으로 구현되었다. 뉴로-퍼지를 이용하여 LED 감성조명을 통해 인간의 감성에 효과적인 영향을 줄 것으로 예상된다.
후속연구
이러한 결과로 뉴로-퍼지를 이용하여 학습할 수 있는 LED 감성조명이 대중화 된다면, 상황에 대에 색상이 최적화가 가능하게 되는 LED 감성조명이 가능할 것이다. 뉴로-퍼지를 이용한 LED 감성조명을 통하여 인하여 인간의 행동에 큰 감성적 영향을 줄 수 있을 것이다.
학습을 통하여 기존의 감성조명과 다르게 실내조명으로 사용하기에 자연스러운 색상이 구현되었다. 이러한 결과로 뉴로-퍼지를 이용하여 학습할 수 있는 LED 감성조명이 대중화 된다면, 상황에 대에 색상이 최적화가 가능하게 되는 LED 감성조명이 가능할 것이다. 뉴로-퍼지를 이용한 LED 감성조명을 통하여 인하여 인간의 행동에 큰 감성적 영향을 줄 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LED 감성조명 시스 템은 무엇을 통하여 감성언어와 그에 대한 색상을 선택하였는가?
본 논문은 실내 환경에서 사용자의 집중 및 휴식상황에 대해 뉴로-퍼지 제어를 통하여 LED 감성조명 시스 템을 구현하였다. I.R.I 형용사 이미지 스케일을 통하여 감성언어를 선정하고, I.R.I 단색 이미지 스케일과의 비교를 통해 감성언어에 대한 색상을 선택하였다. 온도와 집중, 온도와 휴식에 대한 색상을 퍼지 규칙을 통해 배색하였다.
뉴로-퍼지란 무엇인가?
뉴로-퍼지는 기존의 공학적인 문제의 해결을 위한 방법으로 CI(Computer Intelligence)를 도입하여 애매함과 부정확성 문제의 오차를 산술적인 방법으로 연산하여 학습에 의한 진단을 목적으로 만들어진 개념이다. 퍼지-뉴럴 구조의 복합성을 가미하여 분석용으로 사용하면 각각의 알고리즘의 특성을 접목하게 되는데 퍼지 이론은 실제로 명확한 판단을 내릴 수 없는 문제를 기본으로 한다[3].
LED의 장점은 무엇인가?
차세대 조명광원인 LED가 급격하게 발전하고 저 전력, 고효율, 장수명의 장점을 가지고 있어 LED를 이용한 조명에 관심이 높아지고 있다. LED를 이용하여 감성조명을 구현하게 되면 기존의 단색의 조명과는 다르게 빛의 3원색을 이용한 모든 색상을 구현할 수 있다.
참고문헌 (7)
J. Y. Shin, S. Y. Chun, and C. S. Lee, "Analysis of the effect on Attention and Relaxation Level by Correlated Color Temperature and Illuminance of LED Lighting using EEG Signal." Jourmal of korean Institute of Illumainating and Electrical Installation Engineers, Vol. 27, no. 5, pp. 9-17, 2013.
E. S. Lee, H. J. Suk, "The Emoyional Response to Lighting Hue Focusing on Relaxation and Attention." Journal of Korean Society of Design Science, Vol. 25, no. 2 2012.
S. J. Lim, S. K. Oh, "Design of RBFNN-based Emotional Lighting System Using RGBW LED." The Transactions of korean Institute of Engineers, Vol. 62 no. 5, pp. 696-704, 2013.
S. C. No. "Emotional Lighting System", Korean Society of Design Science, Vol. No.3, pp. 86-87, 2005.
C. H. Baek, S. O. Park, H. S. Kim, "The Analysis of Emotion Adjective for LED Light Colors by using Kobayashi scale and I.R.I scale" Journal of the Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 25, No. 10, pp. 1-13, 2011.
S. B. Lee, "A Study on the Implementation of Disaster prevention LED Warning Lighting Contral System Using Fuzzy", Korea Maritime and Ocean University, 2013.
Morton Walker, "Power of Color" Avery Publishing Group, 1996.
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