LED 光效應用自動控制系統改變空間光源之變化
林美婷 蔡哲民 蔡濟鴻 陳永軒
崑山科技大學 資訊傳播系 崑山科技大學 資訊傳播系 崑山科技大學 資訊管理系 崑山科技大學 資訊管理系 Mei-Ting Lin Jer-Min Jsai Chi-Hung Tsai Yung-Hsuan Chen Kun Shan Universty Kun Shan Universty Kun Shan Universty Kun Shan Universty
Key Words: LED 燈光控制、代理人、光效變化
摘要
科技日新月異，LED 光源的應用漸漸整合進入室內照明 與情境營造的應用中。依目前 LED 燈光控制系統而言，是使 用專屬的協定利用網路介面與控制軟體，使得需要整合 LED 燈光控制與其他情境感知系統時變得顯得困難。本論文以改 變室內光效變化為研究方向，利用程式來控制 LED 色光反 應，已達到空間的色光改變。本研究提出一套使用 Java 撰寫 的燈控代理人程式，與專屬的 LED 燈控軟體一同執行在連接 燈控網路與正常網路上的燈控伺服器，以經由程式控制來改 變空間之色光效果變化。
為了驗證該燈控代理人可行，我們製作了一套執行在 Client 端偵測電腦畫面的程式，用來控制該燈控代理人，動 態改變 LED 燈光顯示與電腦畫面同顏色的光源。該系統由電 腦畫面改變到 LED 燈光變化，最長僅需 3 秒鐘的時間。未來 可結合其他情境偵測設備，進行更智慧舒適的光源控制。
Abstract
Technology is progressing. The applications of LED lighting source are integrated into the interior lighting design for the atmosphere of space. So far, the control system of LED lighting is set up by special convention of net work and manipulative software. It makes the combination of the LED lighting control system and other emotional perception more difficult. This investigation is based on the variations of interior lighting effect.
We use the program to control the colors of LED lighting. In this study, we try to make a program of the lighting control with Java script and operate it with the LED lighting system by the server to change the colors of LED lighting in space.
For checking the program in the future, we have made another program to browse the client’s computers and use it to control the LED lighting system. The processing time from the computer to the LED lighting system is less than 3 seconds. We could also connect other equipments to create better lighting control of artificial intelligence in the future.
1.前言
隨著人們生活水準的提昇，對於居住環境的要求也越來 越高。除了安全與舒適要求之外，近年來更不斷地將許多技 術整合於住宅之中，除能夠追求便利與隨心所欲之外，更多 的人對於居住環境加入了屬於自己想要的個人風格或質感來 呈現屬於自己的空間，呼應自己心情的居住環境。
科技的發達、跨領域的整合、環保思維的響應等因素，
皆影響著消費者對居住空間的媒材選用，而光源的選用更是 空間分圍營造不可或缺的重要媒介。因此在光源的運用中，
日間光源的選用「太陽」引進室內空間的設計法，被建築師 大量使用著，而到了夜間「LED」則漸漸取代了傳統的人工 光源。這是由於 LED 具有省電、溫度低、高亮度、損壞率低 且色彩能多變化等特性，符合目前全球所推動「節能省碳」
的要求，因此 LED 被許多國家政府與民間組織大力推動的主 要因素。
LED 色彩多變、體積小、溫度低被許多不同領域的設計 師所注意，亦被大量使用於不同領域中，從產品到櫥窗到空 間設計到戶外廣告，LED 成為了人工光源的新寵兒，LED 除 了能做為照明，也能成為點綴空間的視覺設計，因此許多室 內設計師使用 LED 來敘述空間不同的感受變化。
在各樣的住宅配置元件中光源是最能影響心情的介面，
許多的色彩研究也開始針對不同色彩或色光對人的反應與情 緒變化加以測試，所得到的結果顯示，空間中不同的環境顏 色對人的情緒有著顯著的反應[1]，例如紅色環境令人感到不 安與焦躁，而白光則對人沒有太大影響，這些色彩的測試倘 若能找到能舒解壓力的光源色，並置入於生活空間中，也許 能藉此使現代人的工作壓力在空間的光源變化中得到紓解，
可惜目前色光研究對人的情緒反應尚無法達到那樣的功能。
雖說如此但光源的發展已能經由程式控制呈現豐富的變化效 果，隨著 LED 的技術日新月異，色彩與人之間的研究就更加 多元，近年來許多燈光的研發都著重於適性調控，能隨著心 情、時間、空間來任意調整光效變化，這是傳統光源無法呈 現的效果。在傳統的住宅中所使用之燈具，通常所發出的光 源色彩種類有限，甚至只有一種，難以滿足人類多變的心情 與各樣的需求。即使使用混色的方式來強調光線的變化，但 所混出來的色彩數目也有限或乏味。這個問題隨著近年來 LED 產品的開發已經逐漸被解決，LED 光源能調配出 1677 萬種顏色，能滿足不同的情境需求與光效設計，因此 LED 已 逐漸進入日常應用之中[1][2][5]亦影響著空間的變化。
為了控制數量龐大的 LED 燈具，燈控系統使用網路來控 制 LED driver，並提供一套軟體介面用來設定幾個事先設定
的情境按鈕，也提供使用者透過電腦直接設定每個 LED 燈光 的 RGB 色彩值。但目前的 LED 燈效控制並沒有一套公認的 標準可依循，都依賴專屬的軟硬體進行控制，甚至連燈控系 統與 LED driver 之間聯繫的網路，也都使用無法更改的網路 IP 區段。使得燈控系統與 LED 燈光系統的網路，必須獨立於 一般正常的 TCP/IP 網路之外。以致整個系統雖然功能強大，
但卻很難與情境偵測系統整合，無法真正配合情境的改變調 整燈光系統。
本研究將 LED 燈具整合進入居家生活之中，配合台灣崑 山科技大學優質家庭生活科技(U-HOME)計畫，將 LED 燈具 放入該計畫所屬的「明日體驗屋」內，作為其情境照明的光 源選用，並選用美國 COLOR KINETICS 公司（簡稱 CK）[3]
的 LED 燈具。CK 公司具有獨創技術的高亮度 LED 照明系 統，是該領域的先鋒，且該公司致力將數位智慧技術使用於 高亮度 LED 的數百萬顏色的產生與控制上，CK 公司的 LED 產品於色光變化時具有柔順的變化效果，適合運用於室內的 光源適性變化場合中，因此我們選用該公司的產品作為明日 體驗屋內的光源，並配合該公司專屬的 Light System Manager 軟體做燈控。
為了解決目前 LED 燈控系統使用專屬軟硬體難以接受情 境偵測系統指揮，且無法與其他網路系統銜接的問題，我們 使用一台電腦裝設兩片網路卡，連接一般網路與燈控專屬網 路，並利用 Java 的 Robot 類別[4]製作了一套控制代理人系 統，接受外界的情境輸入，並即時配合該情境控制專屬的燈 效軟體改變燈光。在其他情境偵測系統與 LED 燈效之間的關 係尚未完全釐清前，我們先製作了一個 Client 端的系統，用 來擷取使用者目前電腦畫面的顏色作為燈效控制的基準，使 得使用者在簡報或者利用電腦看電影時，LED 燈光都可以配 合改變顏色。
此系統已經實際在崑山科技大學的「明日體驗屋」測 試，運作良好，且可應用在其他受專屬軟體控制的 LED 燈效 系統中。本論文將陳述此系統的軟硬體架構、實驗結果與討 論。
2.系統架構
本系統的系統架構圖如圖一。為了解決 LED Driver 網路 使用專屬 IP address，無法與其他網路溝通的問題，我們使用 一台 PC 作為 Light Control Server，該 Server 用來跑專屬的燈 控系統與本研究群設計的燈控代理人程式。該 PC 使用兩張 網路卡，一張使用燈控專屬 IP address 銜接 LED 燈具網路，
另一張使用明日科技屋的內部 IP address 銜接其他的情境偵測 設備。
燈控代理人程式透過網路卡 2 取得情境偵測裝置的輸 入，進而控制廠商提供的專屬燈控系統，該燈控系統透過網 路卡 1 去改變 LED 燈光的狀態。
圖一 系統架構圖。
3.系統運作原理與流程
由於 LED 燈具的解析度比起電腦螢幕小很多，但又比一 般燈具高很多，怎樣有效運用 LED 燈具的優勢並降低運算資 源的消耗，是本研究關注的焦點。
一般燈具通常只顯示單一色光，但是 LED 可以同時顯示 幾種色光（以本實驗環境來說，可以同時顯示 500 種以上的 色光），不過如果每一個 LED 光源都顯示不同色光，對處於 環境中的人而言並非是最舒適的狀態。綜合考量這些因素，
我們就將使用者電腦畫面分為上、中、下三個部份，取每部 份的主要顏色作為光源顏色送入燈控代理人程式中。
為了降低對使用者操作電腦的影響，且達到跨平台的目 的，我們使用 Java 語言開發 Client 端的畫面偵測系統。透過 Java 提供的 Robot 類別[4]，以背景執行的方式偵測使用者的 畫面顏色變化，進而控制燈光顏色。另外為了降低網路流 量，我們不將使用者畫面直接傳送給燈控代理人程式，乃是 在 Client 端先將畫面資料處理成上、中、下三個主要部份的
RGB 值之後，再將該三個 RGB 值送入燈控代理人程式進行 燈光控制。
由於本系統使用的專屬燈控系統僅能執行於 Windows 2000、XP 與 Mac OS X 底下 ，因此我們的 Light Control Server 也僅能選擇此三種作業系統之一。不過為了未來能夠 適應其他環境，我們還是使用 Java 來開發燈控代理人程式。
由於我們無法直接透過專屬的協定去控制 LED Driver，所以 我們就用 Java 提供的 Robot 類別模擬外部鍵盤跟滑鼠輸入，
操作該專屬的燈控系統去控制 LED 燈光。被 Robot 控制的專 屬燈控系統畫面如圖二所示。
圖二 利用 Robot 類別控制專屬燈控系統。
由於專屬的燈控系統運作時佔據不少運算資源，且為了 減少不必要的燈光改變頻率，燈控代理人程式會記憶目前燈 光 RGB 的狀況，當 Client 端送進來的 RGB 值與上次資料一 致時，就會省略該次的燈控運作。
4.實驗結果與討論
我們利用一台具有 Intel Pentium M 1.6G CPU、 512M RAM 的筆記型電腦，執行電腦畫面偵測系統。透過 802.11G 無線網路連接到具備 Intel Core2 Quad Q9300 CPU、2G RAM 的 Light Control Server，上面執行專屬燈控軟體與燈控代理 人，實際運作的狀況如圖三所示。筆記型電腦螢幕變更後，
經過最多 3 秒鐘 LED 燈光即會隨之變更。
系統延遲主要是肇因於我們希望不要佔用太多 Client 端 的運算量，所以設定系統每隔一秒鐘才去偵測一次筆記型電 腦的畫面變更，且控制 LED 燈光得要模擬滑鼠與鍵盤去操作 專屬燈控軟體，導致延遲增長。
如果使用雙核心以上的筆記型電腦，則可增加畫面偵測 頻率，就能有效降低畫面變更到燈光改變的延遲。目前這樣
的反應速度，已經能夠應用在簡報或場景變化較慢的電影之 上了。本系統運用於筆記型電腦來設定空間之光效，透過畫 面顏色來設定室內燈光的顏色，現階段首先運用簡單的色彩 基本色來作為初步的測試如圖三、圖四所示，爾後將再加入 更多的色彩來進行測試來改變環境空間的色彩營造其他不同 情境，甚至能利用電腦播放電影時，影像投射於布幕，環境 光源也能同時隨著影像一幕一幕播放跟著針對影像的色彩改 變環境色光，營造出具有身歷其境的家庭劇院，未來也希望 能進一步研究怎樣與其他情境感知設備結合，透過分析如：
CCD、麥克風等輸入，感知使用者的姿態、衣著、活動等情 境參數，給予使用者一個最舒適的燈光環境。
5.結論
本研究利用 Java 開發一燈光控制代理人系統，並利用一 台連接專屬燈控網路與外部網路的伺服器作為橋樑，有效解 決目前 LED 燈光控制缺乏標準，使用專屬網路與專屬軟體的 問題與限制，使得外面的情境偵測裝置可以透過本系統控制 LED 燈光，使室內光源能經由控制代理人系統方便達到環境 光效控制，進一步對室內光源的應用與實驗能更加豐富與多 元化。
本裝置已經在崑山科技大學的「明日科技屋」中實驗成 功，未來將近一步結合其他情境偵測裝置進行燈光控制，以 實現更為智慧舒適的照明環境。
6.參考文獻
1.李厚強著，2002，《人工光源之照度及色溫對視覺感知影 響與照明方式調查研究》，中原大學室內設計學系。
2.張欽鵬著，2000，《光影表現於自然空間與展演空間之關 係方式的探討》，私立文化大學藝術研究。
3.COLOR KINETICS,
http://www.colorkinetics.com/。
4.http://java.sun.com/javase/6/docs/api/java/awt/Robot.html 5.Jeremy Myerson ， 1996 ， 《 INTERNATIONAL Lighting
DESIGN》，Laurence King。
圖三 利用電腦畫面控制 LED 燈光。
圖四 經由程式控制創造出的情境光效。
