Optimierung LED-basierter adaptiver Tageslichtsysteme unter Berücksichtigung der Beobachtermetamerie

Eissfeldt, Adrian (2023)
Optimierung LED-basierter adaptiver Tageslichtsysteme unter Berücksichtigung der Beobachtermetamerie.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024053
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24053

Kurzbeschreibung (Abstract)

Natürliches Tageslicht besitzt eine signifikante Relevanz für das Wohlbefinden und die Gesundheit des Menschen, jedoch ist es in vielen Innenräumen nicht ausreichend vorhanden. Stattdessen kommen dort künstliche Lichtquellen zum Einsatz, welche zunehmend mit mehrkanaligen LED-Systemen realisiert werden. Dadurch besteht die Möglichkeit Farbe und Helligkeit des Lichts dynamisch zu variieren und somit das Tageslicht zu simulieren beziehungsweise zu imitieren. Hieraus leitet sich die Motivation dieser Arbeit ab, Verfahren, Metriken und Algorithmen zu entwickeln, mit deren Hilfe die Farbgenauigkeit und weitere spektrale Qualitätsmerkmale von LED-Licht optimiert werden können. Dies geschieht im Hinblick auf eine Anwendung in der adaptiven Beleuchtung, welche sich an das vorherrschende Tageslicht anpassen kann. Eine dabei implizierte Anpassung der LED-Lichtfarbe an das natürliche Tageslicht kann aufgrund der Beobachtermetamerie zu wahrnehmbaren Farbdifferenzen zwischen den beiden Lichtarten führen. Die Beobachtermetamerie – der Effekt, dass Spektren zwar für den Normalbeobachter farblich identisch sind, ein realer Beobachter jedoch einen Farbunterschied wahrnimmt, aufgrund der individuellen spektralen Empfindlichkeit seiner Sehzellen – wird hier in Bezug auf die Tageslichtreferenz untersucht. Es werden mit einem individuellen Beobachtermodell 1000 unterschiedliche Beobachter simuliert, um Farbdifferenzen zwischen Metameriepaaren zu berechnen. Hierfür werden anhand von Spektrometermessungen und verschiedener Tageslichtmodelle 1568 Referenzspektren generiert. Mittels acht verschiedener 3-Kanal-LED-Systeme werden für jeden individuellen Beobachter zu jeder Tageslichtreferenz Metameriespektren gemischt. Anhand dieser Daten wird gezeigt, welche LED-Spektren welche durchschnittliche individuelle Farbdifferenz hervorrufen. Da solche Berechnungen für echtzeitfähige Optimierungen auf den begrenzten Ressourcen des Mikrocontrollers einer adaptiven Leuchte nicht gut geeignet sind, werden drei Varianten eines Beobachtermetamerie-Index definiert. Basierend auf einer Korrelationsanalyse wird dabei die Variante mit der höchsten Korrelation zu der Referenzberechnung als Beobachtermetamerie-Index vorgeschlagen. Der hierbei definierte Abweichungsbeobachter wird zusätzlich verwendet, um einen Beobachtermetamerie-Koeffizienten zu definieren. Anhand dieses Koeffizienten lässt sich die Variabilität des individuellen Farbstimulus von einem einzelnen Spektrum berechnen. Es wird gezeigt, dass sich dieser Koeffizient eignet, um die Beobachtermetamerie eines LED-Spektrums zu optimieren, wenn aufgrund von fehlenden Spektraldaten der Tageslichtreferenz der Beobachtermetamerie-Index nicht verwendet werden kann. Das individuelle Beobachtermodell, auf dem diese Simulationen basieren, wird mit einem Probandentest verifiziert. Hierbei führen die Testpersonen einen farblichen Abgleich von LED-Licht und natürlichem Tageslicht durch. Die zur Generierung eines Metameriespektrums nötigen Farbmischberechnungen werden für ein 3- und 5-Kanal-System vorgestellt. Hierbei wird die nicht-ideale Dimmkennlinie von realen Systemen berücksichtigt und durch eine iterative Farbmischberechnung kompensiert. Dadurch wird die Farbgenauigkeit sowie die Genauigkeit der Leuchtdichte signifikant gesteigert, verglichen mit Berechnungen, welche eine lineare Dimmkennlinie implizieren. Durch die Verwendung von mehr als drei LED-Kanälen können bei konstanter Lichtfarbe unterschiedliche Lichtqualitätsmerkmale variiert werden. Die dazugehörigen spektralen Berechnungen eignen sich jedoch oft nicht für echtzeitfähige Implementierungen auf dem Mikrocontroller einer adaptiven Leuchte. Zusätzlich besteht bei der Farbmischung mit mehr als drei LED-Kanälen das Problem eines unterbestimmten Gleichungssystems. Um dieses Problem zu lösen wird ein neues Verfahren vorgestellt, bei dem die Lichtqualität zum Zeitpunkt der Farbmischung optimiert werden kann. Hierbei werden jeweils zwei physische LED-Kanäle zu einem virtuellen LED-Kanal zusammengefasst, wodurch ein eindeutig lösbares 3-Kanal-System simuliert werden kann. Die Farbvalenz eines virtuellen LED-Kanals wird aus dem Leuchtdichteverhältnis der beiden zugrunde liegenden physischen Kanäle bestimmt. Anhand solcher Leuchtdichteverhältnisse wird der unterbestimmte Lösungsraum der Farbmischung parametrisiert und gleichzeitig deren Einfluss auf verschiedene Lichtqualitätsmetriken untersucht. Dadurch können die gegenseitigen Abhängigkeiten unterschiedlicher Qualitätsmetriken analysiert werden und die Parametrisierungswerte, welche für ein Optimum sorgen, identifiziert werden. Die so bestimmten Parametrisierungswerte lösen das Problem der Unterbestimmtheit und ermöglichen es die Farbmischberechnung des hier verwendeten 5-Kanal-Systems in Echtzeit durchzuführen. Dabei können die verschiedenen Qualitätsmetriken dynamisch priorisiert und optimiert werden. Da die Farbmischberechnungen hierbei erst zum Zeitpunkt der gewünschten Farbeinstellung durchgeführt werden, eignet sich der Algorithmus für weitere Entwicklungen, bei denen beispielsweise eine alterungsbedingte Farbverschiebung der LEDs kompensiert werden soll.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2023

Autor(en):

Eissfeldt, Adrian

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Optimierung LED-basierter adaptiver Tageslichtsysteme unter Berücksichtigung der Beobachtermetamerie

Sprache:

Deutsch

Referenten:

Khanh, Prof. Dr. Tran Quoc ; Dörsam, Prof. Dr. Edgar

Publikationsjahr:

2023

Ort:

Darmstadt

Kollation:

XVI, 130 Seiten

Datum der mündlichen Prüfung:

9 November 2022

DOI:

10.26083/tuprints-00024053

URL / URN:

https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24053

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

Natural daylight has a significant relevance for the well-being and health of humans. However, it is not sufficiently available in many indoor spaces. Instead, artificial light sources are used which are increasingly realised with multi-channel LED systems. Varying the light’s colour and brightness dynamically, and thus simulating or mimicking daylight, is made thereby possible. To enable the realisation of an LED system that adapts to the prevailing daylight, this research proposes methods, metrics and algorithms for the colour mixing process. Such an adaptation of the LED light’s chromaticity to natural daylight can lead to perceptible chromaticity differences between the two types of light due to observer metamerism. The observer metamerism effect – two different spectra are identical in terms of chromaticity for the standard observer, yet a real observer perceives a chromaticity difference due to the individual spectral sensitivity of his photoreceptors – is investigated here in relation to the daylight reference. An individual observer model is used to calculate metameric pairs of spectra for 1000 simulated observers and to investigate their resulting chromaticity differences. For this purpose, 1568 reference spectra are generated using spectrometer measurements and various daylight models. Using eight different 3-channel LED systems, metameric spectra are mixed for each individual observer and daylight reference, respectively. Based on this data, the average individual chromaticity differences are shown as a function of the LED spectrum, which is compared to daylight. Since such calculations are not well suited for real-time optimisations on the limited resources of an adaptive luminaire’s microcontroller, three variants of an observer metamerism index are defined. The variant with the highest correlation to the reference calculation is identified by performing a correlation analysis and is proposed as the observer metamerism index, including a newly defined deviation observer. Additionally, the deviation observer is used to develop an observer metamerism coefficient, which measures the variability of the individual colour stimulus from a single spectrum. Comparing the coefficients of LED spectra and the observer metamerism effect between LED light and daylight, this coefficient is shown to be suitable for optimising an LED spectrum when the observer metamerism index cannot be used due to missing spectral data of the daylight reference. However, the observer metamerism prediction’s accuracy using the observer metamerism coefficient is less accurate than using the proposed observer metamerism index. The individual observer model, on which these simulations are based, is verified with an empirical study of participants matching the chromaticity of LED light to the chromaticity of the natural daylight in the outer environment. The colour mixing calculations necessary to generate metameric spectra are presented as part of an algorithm for a 3- and 5-channel system. Non-ideal dimming characteristics of real systems are hereby considered and compensated by performing an iterative colour mixing calculation. Using this algorithm significantly increases chromaticity accuracy as well as luminance accuracy compared to calculations that imply a linear dimming characteristic. Different light quality characteristics can be varied by using more than three LED channels while maintaining a steady chromaticity. However, the associated spectral calculations are often not suited for real-time implementations on embedded systems used to control multi-channel LED luminaires. Additionally, colour mixing with more than three LED channels involves the problem of an underdetermined system of equations. Therefore, a new method is presented in which the light quality can be optimised at the stage of colour mixing. For this purpose, two physical LED channels are combined into one virtual LED channel, thus simulating a uniquely solvable 3-channel system. The chromaticity of a virtual LED channel is determined by the luminance ratio of the two underlying physical channels. Based on such luminance ratios, the underdetermined solution space of colour mixing is parameterised and at the same time, their influence on various light quality metrics is investigated. The different quality metric’s mutual dependencies are analysed with this strategy and the parameterisation values which lead to their optimum are identified. Hence, the problem of underdetermination is solved and the colour mixing computations of a 5-channel system can be carried out in real-time. Thereby, the distinct quality metrics can be prioritised and optimised dynamically. The algorithm is suitable for further enhancements, since the colour mixing calculations are performed at the time of the requested colour setting. For example, an age-related colour shift of the LEDs could be compensated in such a way.

Englisch

Status:

Verlagsversion

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-240539

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 621.3 Elektrotechnik, Elektronik

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Adaptive Lichttechnische Systeme und Visuelle Verarbeitung

Hinterlegungsdatum:

01 Aug 2023 12:03

Letzte Änderung:

02 Aug 2023 14:06

PPN:

Referenten:

Khanh, Prof. Dr. Tran Quoc ; Dörsam, Prof. Dr. Edgar

Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung:

9 November 2022

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