СВЕТОВОЙ МОДУЛЬ, СИСТЕМА ОСВЕЩЕНИЯ И СПОСОБ ВСТРАИВАНИЯ ДАННЫХ В ИЗЛУЧЕННЫЙ СВЕТ
LIGHT MODULE, ILLUMINATION SYSTEM AND METHOD OF EMBEDDING DATA IN EMITTED LIGHT

Область, к которой относится изобретение
Изобретение относится к световому модулю, содержащему по меньшей мере два первичных источника света, способных излучать первичный цветной свет, позволяющих световому модулю излучать свет, имеющий интенсивность (Y) и цветовые координаты (x, y), причем световой модуль дополнительно содержит модулятор, способный модулировать первичные источники света, позволяя внедрять данные в излученный свет. Кроме того, изобретение относится к системе освещения, содержащей такие световые модули. Более того, изобретение относится к способу внедрения данных в свет, излучаемый световыми модулями. Такие устройства, в частности, представляют интерес в усовершенствованном управлении системами освещения и передаче данных в свободном пространстве в ограниченных пространствах.
Уровень техники изобретения
Вариант осуществления системы освещения описанного вида известен из US2007/0008258. Этот документ раскрывает основанную на освещении коммуникационную сеть, использующую передачу в свободном пространстве данных, встроенных в свет, излучаемый световыми модулями системы освещения, как модуляций интенсивности. Модули освещения содержат множество светоизлучающих диодов (LED), каждый излучающий свет различных длин волн (первичные цвета) и обеспечивает освещение, которое обычно требуется от таких систем для того, чтобы обеспечить видимость объектов человеческому глазу. Более того, сеть содержит множество детекторов, каждый содержит множество избирательных по длине волны светопринимающих элементов (использующих полосовые фильтры), соответствующих первичным цветам, излученных посредством LED.
Световые модули передают данные посредством (i) деления последовательности входных сигналов на множество сигналов, соответствующих различным длинам волн LED, (ii) подачи каждого из сигналов к соответствующему LED, (iii) осуществления связи множественного доступа с кодовым разделением каналов посредством модуляции интенсивности испускания LED.
Прием такого модулированного света позволяет детектору: (i) генерировать сигналы от каждого из избирательных по длине волны светопринимающих элементов, (ii) коррелировать сигналы с кодом расширения, используемым для вещания данных световыми модулями, (iii) дескремблировать сигналы и восстанавливать данные в качестве выходного сигнала на порте вывода детектора.
Недостаток решения, описанного в US2007/0008258, состоит в том, что человеческий глаз очень чувствителен к изменениям интенсивности, в особенности, в некоторых частотных диапазонах. Таким образом, вторичное использование системы освещения как части коммуникационной сети посредством реализации данных в излученном свете как изменений интенсивности, может уменьшить первичную функцию системы как помощь человеческому зрению, особенно при использовании в частотных диапазонах высокой чувствительности человеческого глаза. Поэтому существует явная потребность в том, чтобы обеспечить альтернативную схему модуляции, позволяющую данным быть переданными без (или по меньшей мере за счет сильно сниженной стоимости) снижения имеющейся производительности первичной функции системы освещения в широких частотных диапазонах модуляции.
Сущность изобретения
Изобретение имеет цель обеспечить систему освещения и способ модуляции, который по меньшей мере частично решает потребность, описанную выше. Изобретение достигает этой цели согласно первому аспекту путем обеспечения системы освещения, содержащей множество световых модулей, каждый содержащий по меньшей мере два первичных источника света, способных излучать первичный цветной свет, позволяющих световому модулю излучать (объединенный) свет, имеющий интенсивность и цветовые координаты, при этом световые модули дополнительно содержат модулятор, способный модулировать первичные источники света, позволяя внедрять данные в излучаемый свет, заключающийся в том, что модулятор скомпонован для модулирования цветных координат излучаемого света.
Основанное на понимании того, что чувствительность человеческого глаза к изменениям цвета ниже, чем к изменениям в интенсивности, изобретение преимущественно позволяет внедрять данные в свет, излученный из системы освещения, без уменьшения эффективности ее первичной функции как помощи человеческому зрению (зрительному восприятию).
В варианте осуществления изобретения модулятор скомпонован для модулирования света согласно схеме модуляции расширения спектра. В варианте осуществления данные содержат код идентификационной информации светового модуля. Выгодно то, что это позволяет выполнить идентификацию индивидуальных световых модулей (и, следовательно, их управление) с помощью воспринимающего устройства, даже когда оно освещено светом, исходящим из множества световых модулей одновременно.
В варианте осуществления световой модуль дополнительно содержит детектор, скомпонованный так, чтобы определить цветовые координаты (x, y) света, излучаемого световым модулем, для того, чтобы калибровать излучаемый свет. Преимущественно, это помогает контуру обратной связи управлять и стабилизировать точку цвета излучаемого света.
0
0
1
1
0
0
1
1
т
т
т
т
В варианте осуществления модулятор скомпонован для того, чтобы использовать алфавит модуляции, определяющий по меньшей мере две координаты цветности (х, y) и (х, y), представляющие по меньшей мере логический "0" и логическую "1", для модуляции цветных координат. В варианте осуществления по меньшей мере две из координат цветности (х, y) и (х, y) алфавита модуляции скомпонованы, чтобы лежать на общей оси с целевой координатой цветности (х, y) излучаемого света. В еще одном варианте осуществления общая ось формирует большую ось эллипса MacAdam'а вокруг целевой координаты цветности (х, y) излучаемого света. Преимущественно, эта компоновка минимизирует видимость модуляции цветовой координаты для наблюдателя, в то же время одновременно это максимизирует способность обнаружения для воспринимающего устройства.
0
0
1
1
0
1
В варианте осуществления по меньшей мере две координаты цветности (х, y) и (х, y) представляют заранее определенное цветовое смещение Δxy и Δxy, соответственно. Этот вариант осуществления имеет преимущество при внедрении данных, используя модуляцию в более однородном неискаженном эталонном цветовом пространстве, таком как пространства CIE L*a*b* и CIE Luv.
Согласно второму аспекту изобретение обеспечивает систему освещения, содержащую множество световых модулей согласно изобретению. В варианте осуществления система освещения дополнительно содержит удаленное воспринимающее устройство, скомпонованное, чтобы определять цветовые координаты (x, y) света, излучаемого световыми модулями, для того, чтобы обнаружить данные, внедренные в излучаемый свет.
Согласно третьему аспекту изобретение обеспечивает способ внедрения данных в свет, излучаемый световым модулем системы освещения, содержащий этапы: (i) компонуют световой модуль, чтобы он содержал по меньшей мере два первичных источника света, способных излучать первичный цветной свет, позволяющих световому модулю излучать свет, имеющий интенсивность и цветовые координаты, (ii) модулируют первичные источники света, используя модулятор, (iii) компонуют модулятор, чтобы модулировать цветовые координаты излучаемого света.
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны и описаны в соответствии с вариантами осуществления, описанными ниже.
Краткое описание чертежей
Дополнительные детали, признаки и преимущества изобретения раскрыты в нижеследующем описании примерных и предпочтительных вариантов осуществления совместно с чертежами.
Фиг.1 показывает вариант осуществления системы освещения согласно изобретению.
Фиг.2 показывает диаграмму цветности CIE xy.
Фиг.3 показывает вариант осуществления модулятора в световом модуле согласно изобретению.
Фиг.4 показывает вариант осуществления воспринимающего устройства, имеющегося в системе освещения согласно изобретению.
Подробное описание вариантов осуществления
Фиг.1 показывает систему освещения 100 согласно изобретению. Система содержит множество световых модулей 110. Каждый модуль содержит по меньшей мере два первичных источника 111, 112, 113 света, способных к излучению первичного цветного света, позволяя световому модулю излучать комбинированный свет, имеющий интенсивность (Y) и цветовые координаты (x, y), посредством смешивания первичного цветного света, излучаемого источниками света, используя соответствующую оптику 114 смешения. Источники света могут, в принципе, иметь любой тип, такой как газоразрядные лампы, неорганические светоизлучающие диоды (LED), органические LED и лазерные диоды. Таким образом, как пример, световой модуль 110 может содержать три первичных источника 111, 112, 113 цветного света, излучающих красный, зеленый и синий свет, соответственно. Альтернативно, световые модули могут содержать больше, чем три источника света, такой как четвертый янтарный LED. Альтернативно, световые модули 110 могут даже содержать (пятый) покрытый фосфором LED, излучающий широкополосный, заранее заданный спектр, такой как белый свет. Световые модули 110 дополнительно содержат модулятор 115, способный модулировать первичные источники света, позволяя внедрять данные в излучаемый свет. В варианте осуществления световой модуль 110 дополнительно содержит детектор 116, скомпонованный определять цветовые координаты (x, y) света, излучаемого световым мощным модулем для того, чтобы калибровать излучаемый свет.
В варианте осуществления данные (включающие, например, код идентификации светового модуля, данные, касающиеся составляющих первичных источников 111, 112, 113 цветного света, световые характеристики излучаемого света, или касающиеся не-световых данных, таких как музыка или информация об объекте, картине или статуе, помещенных около светового модуля 110), реализованы, используя способ расширения по спектру. Такой способ известен как "мультиплексирование с кодовым разделением/множественный доступ" (CDM или CDMA). Каждому световому модулю 110 назначен уникальный код ID. Коды ID должны быть ортогональными, то есть значение автокорреляции кода должно быть существенно выше, чем значение кросскорреляции двух различных кодов. Воспринимающее устройство 190, например содержащее фотодатчик, затем в состоянии различить одновременные передачи модулированного света различными световыми модулями 110 так, чтобы воспринимающее устройство могло идентифицировать каждый из них. Кроме того, воспринимающее устройство 190 может измерять световые свойства (интенсивность, точка цвета и т.д.) модулированного света, принятого от идентифицированного светового модуля 110. Для каждой воспринятой эмиссии модулированного света воспринимающее устройство 190 передает данные (предпочтительно беспроводным образом, используя, например, протокол ZigBee), содержащие идентификационную информацию светоизлучающего модуля 110 и значение измеренных световых свойств, к основному контроллеру 200. Получение таких данных позволяет основному контроллеру управлять световыми модулями 110, изменять интенсивность или точку цвета излучаемого света, чтобы удовлетворить желательные световые эффекты в области вокруг воспринимающего устройства 190. Световой эффект формирует первичную функцию системы 100 освещения, в то время как внедрение и передача данных формируют вторичную функцию.
(Комбинированный) световой эффект, предполагая, что он имеет трехкоординатную систему значений XYZ, может быть охарактеризован в цветовом пространстве CIE xyY, используя хорошо известные отношения:
R
G
B
R
R
G
G
B
B
Фиг.2 схематично показывает плоскость xy этого цветового пространства, известного как диаграмма цветности. Примем для следующего объяснения, что световые модули 110 содержат три LED, излучающие в красной, зеленой и синей части видимого спектра с интенсивностью Y, Y, и Y, соответственно, и имеющие координаты цветности (x, y), (x, y), и (x, y), соответственно. Световой эффект, созданный аддитивным смешением цветов этих первичных источников света, может быть охарактеризован в терминах составляющих компонентов как:
Координаты xyY (объединенного) светового эффекта могут позже быть найдены, используя уравнение 1.
R
R
R
G
G
G
B
B
B
R
G
B
Схема модуляции согласно уровню техники реализовывает данные как ортогональные коды, использующие способ расширения по спектру посредством модуляции оптической выходной мощности каждого из первичных источников света 111, 112, 113. С каждым первичным источником света, соответствующим по существу различной длине волны (или каналу), каждый канал имеет специфические данные, относящиеся к ним. Таким образом, данные, специфические для канала R, соответствуют модуляциям в X, Y, Z и аналогично модуляциям в X, Y, Z и X, Y, Z для данных, специфических для канала G & B соответственно. Уравнение 2 затем показывает, что интенсивность Y=Y+Y+Y не остается постоянным значением, но сама обнаруживает модуляции, которые в зависимости от используемых частот, могут значительно снизить первичную функцию системы освещения 100. Изобретательная концепция, напротив, основана на понимании того, что данные могут быть реализованы альтернативно с помощью модуляции координат цветности (x, y) светового эффекта, в то же время сохраняя его интенсивность Y постоянной. Выгодно то, что поскольку человеческий глаз показывает более низкую чувствительность к модуляциям в координатах цветности светового эффекта, чем к модуляциям в его интенсивности, изобретение обеспечивает концепцию передачи данных для использования в системе освещения, не уменьшая воспринятую эффективность первичной функции системы освещения по широким частотным диапазонам модуляции.
T
T
T
Фиг.3 показывает вариант осуществления модулятора 115, содержащегося в световом модуле 110 согласно изобретению. В этом примере световой модуль содержит три первичных источника 111, 112, 113 света. Снова, однако, концепция внедрения данных настоящего изобретения функционирует для любого светового модуля, имеющего по меньшей мере два первичных источника света. Смешение излучаемого света от первичных источников 111, 112, 113 света создает световой эффект. Целевой световой эффект 122, выдаваемый основным контроллером 200 (см. фиг.1), задан координатами цветности (x, y) (см. точку T на фиг.2) и интенсивностью Y. Модулятор 115 содержит генератор 120 алфавита модуляции, (необязательный) кодер 130, блок 140 отображения и (необязательный) преобразователь 150.
0
0
1
1
0
0
1
1
2
2
3
3
0
0
1
1
T
T
Генератор 120 алфавита модуляции генерирует алфавит модуляции 123, основанный на индикаторе ввода размера 121 алфавита. Например, если размер алфавита равняется 2, логический "0" и логическая "1" могут соответствовать алфавиту модуляции 123, имеющему координаты цветности (x, у) и (х, у), соответственно. Альтернативно, размер алфавита, равный 4, позволяет создавать пары из 2 битов, имеющие логические значения "00", "01", "10" и "11" и соответствующие координатам цветности (x, у), (х, у), (х, y) и (x, y), соответственно. Подобные соответствия могут быть созданы для размеров 121 алфавита, равных 8, 16 и т.д. Таким образом, выгодно, что больший размер 121 алфавита допускает расширение алфавита 123 модуляции, разрешая существенно увеличенный диапазон частот передачи данных. Предпочтительно координаты (x, у), (х, у) и т.д. цветности алфавита созданы таким образом, что их среднее число соответствует целевой координате (x, y) цветности. Предпочтительно, это минимизирует видимость модуляции координат цветности человеческому глазу.
Сигнал 131 данных, который должен быть внедрен в (комбинированный) излучаемый свет, может быть подан от дополнительного кодера 130, чтобы создать закодированные данные 132. Кодер 130 может добавлять, например, избыточные биты для исправления ошибок. Предпочтительно, это делает передачу данных и прием более стойкими к ошибкам, вызванными, например, шумом. Примерами таких избыточных битов могут быть коды, использующие контрольную сумму, биты четности или проверку циклическим избыточным кодом.
T
T
T
R
R
G
G
B
B
Затем, подача целевого светового эффекта 122, алфавита 123 модуляции и закодированных данных 132 к блоку 140 отображения позволяет отображать данные в координаты цветности вокруг целевого значения (x, y). Это приводит к потоку 141 символов, определяющему создание светового эффекта (x, y, Y) световым модулем 110 и включающему передачу внедренных данных, при условии, что Y остается постоянным (то есть равным Y). Преобразователь 150 преобразовывает поток 141 символов в сигналы возбуждения LED 151 для индивидуальных первичных источников 111, 112, 113 света. Эта операция преобразования зависит от координат цветности (x, y), (x, y) и (x, y) фактических первичных источников света, имеющихся в световом модуле 110. Другими словами, преобразователь 150 коррелирует пространство CIE xyY с цветовым пространством "RGB", достигаемым посредством первичных источников света в этом варианте осуществления. Альтернативно, генератор 120 алфавита модуляции может быть сконфигурирован так, чтобы уже включать в себя знание относительно координат цветности первичных источников света. Такая конфигурация упрощает операцию преобразования преобразователя 150 до операции идентичности.
Фиг.4 показывает вариант осуществления воспринимающего устройства 190, содержащегося в системе освещения 100 согласно изобретению. Оно содержит датчик 160 цвета, (необязательный) преобразователь 170 цвета, детектор 180 символов и (необязательный) декодер 135. Кроме того, воспринимающее устройство может содержать соответствующий блок приемопередатчика и пользовательский интерфейс (оба не показаны), позволяющие ему связываться с основным контроллером 200 и оператором, соответственно.
T
Подобно преобразователю 150, преобразователь 170 цвета сопоставляет цветовое пространство датчика 160 цвета с цветовым пространством CIE xyY. Эта корреляция отождествляется с преобразованием идентичности в случае, если спектральная чувствительность датчика цвета равняется функциям согласования цвета CIE. Таким образом, преобразователь 170 цвета позволяет преобразовывать поток 141 символов, определяющий (комбинированный) световой эффект (x, y, Y), созданный световым модулем 110, и содержащий внедренные данные, которые будут переданы при условии, что Y остается постоянным (то есть равным Y).
T
T
0
0
1
1
T
T
T
T
0
1
Затем детектор 180 символов преобразовывает (закодированные) данные из потока 141 символов. Доступность алфавита 123 модуляции формирует предпосылку к этой реконструкции. В варианте осуществления алфавит 123 модуляции определен заранее и доступен в таблице поиска на носителе памяти, содержащемся в воспринимающем устройстве 190. Таблица поиска содержит список целевых координат цветности (x, y) и соответствующие координаты цветности (x, у), (х, у) и т.д. алфавита 123 модуляции. Альтернативно, информация об алфавите 123 модуляции может быть включена в свет, передаваемый световыми модулями 110, как преамбула к фактическим данным. Это позволяет детектору 180 символов обучаться интерпретировать поток 141 символов. В этом варианте осуществления преамбулу следует передавать каждый раз, когда целевые координаты цветности (x, y) светового эффекта, создаваемые с помощью системы 100 освещения, изменяются. В еще одном варианте осуществления алфавит 123 модуляции может генерироваться посредством осуществления фиксированного цветового смещения, независимо от целевой точки цвета (x, y). Таким образом, в этом варианте осуществления логический "0" соответствует цветовому смещению Δxy, а логическая '1' соответствует цветовому смещению Δxy. Этот вариант осуществления имеет значительное преимущество при внедрении данных, используя модуляцию в более гомогенном неискаженном эталонном цветовом пространстве, в таком как пространства CIE L*a*b* и CIE Luv (см. ниже).
Подобно необязательному кодеру 130 в модуляторе 115, декодер 135 в воспринимающем устройстве 190 является необязательным и позволяет восстанавливать данные их выходного сигнала 132 из детектора 180 символов.
Вышеупомянутое описывает цветовые координаты в терминах цветового пространства CIE 1931 xyY. Много других цветовых пространств существуют: такие как, например, цветовые пространства CIE 1960 Luv, CIE 1964 U*V*W *, CIE 1976 L*a*b * и HSL. Все эти пространства могут быть преобразованы друг в друга, используя известные отношения преобразования. Описание изобретения как модуляция/демодуляция цветовых координат излучаемого света не ограничиваются рамками пространства XYZ или xyZ. Объем (описания) распространяется на любые цветовые пространства.
0
0
1
1
T
T
T
T
В варианте осуществления координаты цветности (x, у), (х, у) и т.д. алфавита 123 модуляции скомпонованы так, чтобы лежать на общей оси 124 с целевой координатой цветности (x, y) излучаемого света (см. фиг.2). В варианте осуществления общая ось 124 формирует большую ось эллипса 125 MacAdam вокруг целевой координаты цветности (x, y) излучаемого света. Предпочтительно, эта компоновка минимизирует видимость модуляции координат цвета для наблюдателя, в то же время это максимизирует способность обнаружения для воспринимающего устройства. В то время как цветовое пространство CIE xyY показывает существенное искажение распознаваемых цветовых различий (то есть размер и ориентация эллипсов 125 MacAdam варьируются широко в зависимости от тестового цвета: большой для зеленоватых цветов, маленький для синеватых цветов и промежуточный для красноватых цветов), другие цветовые пространства, такие как CIE L*a*b* и CIE Luv, были разработаны, чтобы показывать значительно меньшее искажение. Соответствующие эллипсы в этих пространствах поэтому становятся значительно более круглыми, но остаются имеющими удлиненную ось.
Хотя изобретение было описано со ссылками на варианты осуществления, описанные выше, очевидно, что альтернативные варианты осуществления могут использоваться, чтобы достигнуть той же самой цели. Объем изобретения поэтому не ограничен вариантами осуществления, описанными выше. Соответственно, форма и объем изобретения ограничены только формулой изобретения и ее эквивалентами.