[논문]방송용 LED 조명의 광색과 조도 제어 알고리즘에 대한 연구

신동석; 박철형; 박종연

doi:10.5207/jieie.2015.29.11.006

방송용 LED 조명의 광색과 조도 제어 알고리즘에 대한 연구
A Study for Color and Illuminance Control Algorithm of Broadcast LED Lighting 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.29 no.11, 2015년, pp.6 - 17

신동석 () , 박철형 (엘투) , 박종연

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, colors of broadcast lightings composed of Red, Green, and Blue LED(Light Emitted Diode) can be linearly and quantitatively controlled in low illuminance. Because LED cannot emit uniform illuminance in low illuminance, the colors of RGB LED are unmixable. Furthermore, the illuminances are nonlinear with the dimming values of the RGB LED due to the nonlinearity of the output illuminance with the current through the LED. This nonlinearity generated errors of the target colors and illuminances. The proposed algorithm set up the target colors, which is expressed by the color coordinates in CIE 1931 color space, and the target illuminances. Then the illuminances of RGB LED were calculated using color mixing theory. The calculated illuminances determined the dimming values of the RGB LED for transmission via DMX512 communication. After the broadcasting lighting received the dimming values of the RGB LED via DMX512 communication,.RGB LED can emit target color and illuminance, and be controlled by calculating the PWM(Pulse Width Modulation) duty ratio of the hybrid LED driver which be considered the nonlinearity for the illuminances of the LED. As a result, the proposed algorithm can linearly and quantitatively control the colors and illuminances in full range of illuminance. Then we verify experimentally that the errors of the emitted color coordination x, y and illuminance are 2.27%, 3.6% and 1.5%, respectively.

주제어

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문제 정의

기존 방송용 LED 조명은 사용자의 시감각에 의해 광색과 조도가 제어되므로 광색 오차가 발생하며, 정량적으로 제어하기 위해서는 색도계로 출력 광색과 조도를 매번 측정해야 한다. 본 논문에서는 방송용LED 조명기기의 출력되는 광색과 조도를 정량적으로 제어하는 방법을 제안한다.
본 논문은 방송용 LED 조명기기에 하이브리드 디밍 제어방법과 구동회로[9]를 적용하여 RGB LED를 저 조도까지 제어하므로 광색 표현의 범위를 넓혔으며, 색 혼합이론에 LED의 비선형 조도 특성을 고려하여 목표 광색과 조도를 정량적으로 제어하는 알고리즘을 제안하였다. 이 알고리즘은 광색을 정량적으로 제어하기 위해 목표 광색을 CIE 1931 색공간의 색도좌표로 수치로 설정한다.

제안 방법

그림 9은 제안된 조도제어 순서도이다. LED 조명기기에서 DMX512 통신으로 RGB LED의 디밍 레벨을 수신 후 각각 LED의 목표 조도를 계산한다. 계산된 목표 조도 E_n과 E_n-100mA(n=R,G,B) 비교하여 목표 조도가 작으면 PWM 1 듀티비를 계산하고 크면 PWM 2 듀티비를 계산한다.
방송조명은 DMX512 통신에 의해 제어되므로 기존에 연구된 색제어 알고리즘과 같이 목표 색도좌표와 조도를 직접 조명기기에 입력할 수 없다. 그러므로 본 논문에서는 목표 색도좌표와 조도를 출력하기 위한 RGB LED의 조도를 계산하고 이 조도를 출력하기 위한 DMX512 통신의 RGB 디밍 레벨을 계산하여 조명기기로 송신한다. 디밍 값을 구하는 과정은 다음과 같다.
기존 방송용 LED 조명은 DMX 512 통신을 이용하여 RGB LED출력 조도를 256 디밍 레벨로 사용자가 광색을 보면서 각각 LED의 디밍 레벨을 결정하였다. 이는 사용자의 감각에 따라 광색을 표현하게 되므로 출력되는 광색과 조도에 대한 정량적인 값을 알 수 없으며 정확한 광색 재현이 어려운 문제점이 있다.
디지털 제어를 위해 Atmel 社 ATmega2560 컨트롤러를 사용하였으며 PWM1과 PWM2 모두 3kHz의 주파수를 갖으며 2666 해상도로 듀티비를 제어하였으며 제안된 알고리즘을 프로그램하였다.
방송용 조명을 제어하기 위해 사용되는 DMX 512A통신으로 제안된 시스템을 제어하기 위하여 DMX512콘솔인 MARTIN 社 Light Jockey를 사용하였으며 RGB LED의 출력된 빛만 혼합하고 외부의 빛의 영향을 제거하기 위하여 차폐된 상자를 통해 출력되는 광색과 조도를 KONICA MINOLTA 社 CL-200A를 사용하여 측정하였다.
본 논문에서는 DMX512 통신의 RGB 디밍 값에 비례한 듀티비를 적용하는 기존 방식과 다르게 LED의 듀티비에 대한 비선형 출력조도의 데이터를 이용하여 목표 조도를 출력하기 위한 듀티비를 계산하여 LED구동회로에 적용한다.
본 논문에서는 방송용 LED 조명기기를 DMX 512A통신을 응용하여 정량적으로 광색과 조도를 출력하며 선형적으로 조도제어 가능한 알고리즘을 제안하였고, 방송에 적합한 하이브리드 LED 구동회로로 RGB LED를 저 조도에서도 제어가 가능하게 함으로써 광색 표현 범위가 확장됐으며, 하이브리드 조도제어 방법으로 플리커가 발생하지 않는다.
본 논문에서는 하이브리드 LED 구동회로가 RGB LED를 각각 구동한다. 그림 5은 하이브리드 LED 구동회로의 블록도이다.
본 장에서는 방송용으로 적합한 하이브리드 LED구동회로에 제안된 광색과 조도 제어 알고리즘을 구현 및 실험하였으며 이 결과를 통해 제안된 알고리즘의 타당성을 검증한다.
이 알고리즘은 광색을 정량적으로 제어하기 위해 목표 광색을 CIE 1931 색공간의 색도좌표로 수치로 설정한다. 색 혼합이론으로 목표 광색과 조도를 출력하기 위한 RGB LED 각각의 조도를 계산한다. 이 조도 값으로부터 DMX512 통신의RGB LED의 디밍 레벨을 결정하였으며, 이 값을DMX512 콘솔을 이용하여 LED 조명기기에 송신한다.
제안된 알고리즘을 다른 제조사의 컬러 LED를 사용한 조명기기에 적용하더라도 동일한 광색과 조도를 출력하도록 제어할 수 있으며, 정밀하고 정략적으로 광색과 조도제어가 가능하다. 그러나 제안된 알고리즘을 구현하기 위해서는 기존 RGB LED 조명기기에 비해 PWM 출력이 더 많은 6개가 필요하며 광색 제어연산을 실시간으로 처리하기 위해 고속의 컨트롤러가 요구된다.
이 조도 값으로부터 DMX512 통신의RGB LED의 디밍 레벨을 결정하였으며, 이 값을DMX512 콘솔을 이용하여 LED 조명기기에 송신한다. 조명기기는 DMX512 통신으로 수신된 RGB LED의 디밍 레벨을 수신하여 LED의 비선형 조도특성을 고려한 조도제어 알고리즘으로 목표 색도좌표와 조도를 출력하였으며, 모든 광색에 대해 선형 조도제어를 실현하였다.
그림 2는 일반적으로 LED 조명기기를 방송환경에서 제어하는 원리를 보여준다. 조명기기의 광색과 조도는 사용자가 DMX 조명 콘솔을 사용하여 RGB LED 디밍 레벨을 조절하여 조명기기에서 출력되는 광색을 눈으로 확인하며 목표 광색과 조도를 만들거나, 색도계로 LED에서 출력되는 컬러와 조도를 매번 측정하면서 목표 광색과 조도를 만든다. 이와 같은 방법으로 무대의 광색을 제어하면 다른 LED 조명장비에서 출력되는 광색과 동일한 광색을 만들지 못하고 광색과 조도에 오차를 발생시키며, 제어되는 광색과 조도를 정량적인 값으로 알기 위해서는 계측기의 측정을 통해서만 알 수 있다.

대상 데이터

그림 10은 제안된 광색과 조도제어 알고리즘의 성능을 확인하기 위한 실험 구성도이며 실험에 사용된 장비는 표 1에 정리하였다. RGB LED은 PHILLIPS 社LUEXEON REBEL SERIES 사용하였으며 9개의 RED LED, 9개의 GREEN LED, 9개의 BLUE LED로 구성하였다.
우선 하이브리드 구동회로로 각 RGB LED에 인가되는 전류에 대한 출력 조도 또는 듀티비에 대한 출력조도 데이터를 구한다. 하이브리드 구동회로의 PWM 1의 듀티비를 가변하면서 저 조도영역에서 출력되는각 LED 조도와 PWM 2의 듀티비를 가변하면서 고 조도영역에서 출력되는 각 LED 조도를 측정한 데이터는 각각 그림 7과 그림 8에 보여진다.

이론/모형

조명기기의 광색과 조도를 정량적으로 제어하기 위해 목표 광색을 CIE1391 색 공간의 색도좌표 (x,y)로사용하며, 이 색도좌표와 조도를 출력하기 위한 RGB LED의 각각의 조도를 색 혼합이론에 의해 계산한다. 계산된 조도 값은 DMX512 통신으로 송신할 RGB 디밍 레벨로 변환하며 DMX 조명 콘솔을 통해 조명기기로 송신한다.

성능/효과

그리고 RGB LED 출력 조도와 RGB의 혼합된 광색의 조도가 DMX 512 통신에 의한 선형적으로 제어된다. 또한 기존의 LED 조명기기보다 저 조도에서 광색 표현 가능함으로써 광색 표현 범위가 확장되었음을 확인하였다.
94%로 목표 값과 차이가 있다. 반면 제안된 제어방법에 의해 발생하는 조도와 색도좌표 x와 y의 최대 오차는 각각 1.5%, 2.27%, 3.64%로 매우 정확하다.
제안된 알고리즘을 사용하여 LED 조명기기 출력되는 광색의 색도좌표와 조도를 예측할 수 있으며, 예측된 색도좌표와 조도는 실제 측정된 색도좌표와 조도가 상대백분율 오차가 수 % 이내로 기존 제어방법보다 매우 정확하다. 그리고 RGB LED 출력 조도와 RGB의 혼합된 광색의 조도가 DMX 512 통신에 의한 선형적으로 제어된다.
이 계산된 듀티비를 적용하여 RGB LED의 출력되는 조도를 측정한 결과가 그림 13과 같다. 제안된 조도제어 방법으로 LED를 제어했을 때 0에서 최대 조도까지 모두 선형적으로 제어됨을 알 수 있다. 그림 14는 조도제어 시 RGB LED의 출력되는 광색의 색도좌표를 측정한 결과이다.

후속연구

제안된 알고리즘을 다른 제조사의 컬러 LED를 사용한 조명기기에 적용하더라도 동일한 광색과 조도를 출력하도록 제어할 수 있으며, 정밀하고 정략적으로 광색과 조도제어가 가능하다. 그러나 제안된 알고리즘을 구현하기 위해서는 기존 RGB LED 조명기기에 비해 PWM 출력이 더 많은 6개가 필요하며 광색 제어연산을 실시간으로 처리하기 위해 고속의 컨트롤러가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방송용 조명에서 LED가 기존의 광원인 고압 방전등을 대치하는 이유는?	LED 광원은 제조 기술의 발달에 의한 광효율(luminous efficiency)이 향상됨에 따라서 실내·외 조명뿐만 아니라 방송용 조명에도 적용되고 있다. 방송용 조명에서 LED가 기존의 광원인 고압 방전등을 대치하는 이유는 광 효율의 지속적인 상승뿐만 아니라내구성이 우수하고 다양한 색상 및 조도제어가 용이하며, 특히 타 광원에 비해 매우 우수한 수명 특성을 갖고 있기 때문이다[1-4].
	LED 광원이 실내·외 조명뿐만 아니라 방송용 조명에도 적용되는 이유는?	LED 광원은 제조 기술의 발달에 의한 광효율(luminous efficiency)이 향상됨에 따라서 실내·외 조명뿐만 아니라 방송용 조명에도 적용되고 있다. 방송용 조명에서 LED가 기존의 광원인 고압 방전등을 대치하는 이유는 광 효율의 지속적인 상승뿐만 아니라내구성이 우수하고 다양한 색상 및 조도제어가 용이하며, 특히 타 광원에 비해 매우 우수한 수명 특성을 갖고 있기 때문이다[1-4].
	한국정보통신기술협회에서 정한 LED 조명의 KS, KC를 포함한 방송용LED 조명에 대한 인증 기준은 무엇인가?	한국정보통신기술협회(TTA, Telecommunications Technology Association)에서2013년에 일반 LED 조명의 KS, KC를 포함한 방송용LED 조명에 대한 인증 기준을 제정되었다. 이 기준에따르면 방송용 LED 조명기기는 카메라로 조명을 촬영한 영상에 플리커(Flicker)가 없어야 하며DMX512A 통신에 의한 조도제어가 선형적으로 제어돼야 한다[5].

참고문헌 (15)

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상세보기
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ITU-R, "Recommendation BT.709-5", Apr. 2002.
ITU-R, "Recommendation BT.2020-0", Aug. 2012.
Phillips Lumileds, "LUXEON Rebel General Purpose Datasheet DS64", 2011.
Phillips Lumileds, "LUXEON Rebel General Purpose Datasheet DS68", 2012.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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