LEDall
Adaptiivinen LED-valaisin

Johdanto

 

LEDall (Light Emitting Diode Adaptive Luminance Lighting) on adaptiivinen LED-valaisinjärjestelmä, jolla kohteen valaistus saadaan konvergoimaan halutuksi takaisinkytkennän ja geneettisen algoritmin avulla. Valaistavasta kohteesta otetaan kuvia halutulla instrumentilla erilaisin valaistuksin. Käyttäjä valitsee syntyvistä kuvista parhaat. Niissä käytettyjä valaistuksia yhdistämällä luodaan uusia valaistuksia, joista osa on todennäköisesti vielä parempia. Lopulta haluttu valaistus saavutetaan, ja sitä voidaan käyttää kohteen tarkempaan tutkimiseen tai kuvaamiseen.

 

 

Järjestelmä

 

Laitteisto koostuu kamerasta, kuvankaappauskortista, tietokoneesta, IO-kortista ja LEDeistä. Kamera on harmaasävyinen Rainbow’n CCD-kameraa, kuvankaappauskortti Matrox Pulsar LC, IO-kortti National Instrumentsin 96-kanavainen FPGA-kortti.

 

Jotta valaistuksen säätö olisi helppoa ja nopeaa, LEDejä täytyy pystyä ohjaamaan suoraan tietokoneella, vieläpä samasta ohjelmasta. LEDien ohjaukseen oli käytettävissä useita vaihtoehtoja. Ohjaukselta vaadittiin vähintään 50 LEDin erillisohjausta ja yhteensä vähintään 5 W antotehoa, jotta adaptoitumiskyky ja valoteho olisivat riittävät.

 

Ratkaisuksi valittiin National Instrumentsin NIDAQmx FPGA-kortti, jossa on 96 IO-kanavaa. Kunkin kanavan jännite on korkeintaan 5 V ja suurin sallittu virta 24 mA. Näin ollen maksimivirta olisi noin 2 A ja teho 10 W. IO-kortissa on kuitenkin vain 1 A automaattivaroke, mutta kokemuksen mukaan lyhyt virtarajan ylitys ei aiheuta sen laukeamista. Kaikeksi onneksi kyseinen varoke on automaattisesti palautuva, jolloin käyttökatkoksen ei pitäisi kestää kauan.

 

 

GA

 

Geneettisten algoritmin (GA) kromosomi muodostuu LEDien tiloista. LEDin tila voi olla joko päällä (1) tai pois päältä (0). Näin ollen kromosomi voidaan tallentaa esimerkiksi pituudeltaan 96 olevaan kokonaislukutaulukkoon, jonka soluun sallitaan arvo 0 tai 1. Geneettisen algoritmin populaation muodostuu puolestaan yhdeksästä kromosomista, joista jokainen vastaa yhtä valaistusta eli kullekin yhdeksälle kuvalle käytetty valaistus on talletettu populaatioon. Seuraavassa on esitetty oleellinen osa GA-luokan määrittelyä.

 

Tässä sovelluksessa käytämme digitaalista ohjausta. Aluksi kaikki 96 kanavaa asetetaan digitaalisiksi ulostuloiksi alloc()-metodissa, jonka jälkeen kortti voi vastaanottaa digitaaliset arvot kullekin kanavalle. Arvot annetaan kokonaislukutaulukolla, jossa yksi solu vastaa yhtä linjaa. Luku 0 asettaa kyseisen linjan jännitteen nollaan volttiin ja 1 viiteen volttiin. Linjan asetus säilyy, kunnes se asetetaan uudelleen. Lopuksi allokointi puretaan, jolloin samalla kaikki tilat asetetaan nolliksi eli LEDit sammuksiin.

 

 

LEDit

 

LED (light emitting diode) on suomeksi loistediodi tai hohtodiodi. Päästösuuntaisen loistediodin erikoisrakenteisessa rajapinnassa elektronit luovuttavat energiaa, joka muuttuu valoksi. Valodiodi on rakennettu muovikoteloon, joka samalla toimii linssinä.

LEDien puolijohdemateriaalina on ns. GaAsP-puolijohdetta (Ga=gallium, As=arseeni, P=fosfori). Muuttamalla As:n ja P:n suhteellisia määriä voidaan LEDin lähettämän valon aallonpituutta muuttaa, ja siten saadaan eri värisiä LEDejä.

Sovellusalueet

Tässä raportissa esitellylle LEDall-valaisimelle tai vastaavan tyyppisille adaptiiviselle valaisimelle löytyy useita sovelluskohteita. Perusidea on luoda sopiva valaistus kuvausinstrumentin ja sitä käyttävän sovelluksen näkökulmasta. LEDall toteutettiin harmaasävy-CCD-kameralla, jolloin valaistus optimoidaan kameran kuvan perusteella. Valokuvauksessa musta-valkokuvia otettaessa on vaikea arvioida lopputulosta, koska ihminen näkee kaiken värikuvina. Lopputuloksen välitön näkeminen ja  sen avulla tapahtuva valaistuksen säätö on siis erittäin hyödyllistä. Kuvausinstrumentti voisi yhtä hyvin olla vaikkapa mikroskooppi, valokuvaukseen tarkoitettu digikamera, spektroskooppi tai pelkkä ihmissilmä. LEDit tulee valita sovelluksen mukaan.

 

Mikäli ei käytetä kameraa vaan kohde valaistaan ihmissilmää varten, voidaan eri valaistuksia pitää päällä käyttäjän haluama aika. Tällöinkin käyttäjä voisi valita parhaat valaistusasetukset seuraavien valaistusten vanhemmiksi. On kuitenkin huomattavasti nopeampaa käyttää kameraa, jolloin useita valaistuksia voidaan kokeilla silmänräpäyksessä. Jos valaistus tehdään ainoastaan ihmissilmää varten, kuten näyttelytilan tai näyttämön valaistusta haettaessa, voidaan käyttää kameroita, joiden värintoisto on huippuluokkaa.

 

Hyvyysfunktion määritykseen voidaan käyttää muitakin menetelmiä kuin parhaiden kuvien valinta. Lähi-infrapunaspektroskopiassa voitaisiin eri valaistuksia käyttäen mitata ja kalibroida samat näytteet ja verrata eri valaistuksin saatujen mallien ennustustarkkuutta. Esimerkiksi mallin antama keskivirhe voisi toimia geneettisen algoritmin hyvyysfunktiona. Työpaikoilla valaistusta voitaisiin valaistusvoimakkuusmittareista tehdä takaisinkytkentä, jolloin valaistusvoimakkuus ja tasaisuus saataisiin halutuksi. Myös muissa sovelluksissa voitaisiin eliitin valinnan sijasta antaa eri valaistuksen tuloksilla hyvyyspisteitä.

 

Taulukko 1 on lueteltu adaptiivisen valaistusjärjestelmän mahdollisia sovelluskohteita, ehdotuksia hyvyysfunktioiksi ja sovellukseen liittyviä erityisetuja. Kaikille sovelluksille yhteisiä etuja ovat valaistusten kokeilun nopeus ja helppous, optimaalisen valaistuksen löytäminen sovelluksen näkökulmasta, LEDien suuri hyötysuhde ja pieni lämmöntuotto. Lisäksi monissa sovelluksissa valoja käytetään salamavaloluontoisesti, jolloin suurenkaan valotehon tuottaminen ei aiheuta liiallista kohteen ja tilan lämpenemistä.

Taulukko 1 LEDall-valaisimen mahdollisia sovelluskohteita.