发光设备和方法

发光设备和方法
【专利摘要】发光元件设置在发光元件阵列中。在发光元件处，感测至少一个邻近发光元件的发光状态。独立于任何其他发光元件，通过将感测到的发光状态应用于预定规则来确定针对发光元件的发光调节。将发光调节应用于发光元件以调节发光元件的照度。
【专利说明】发光设备和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请是2010年12月3日提交的美国专利申请N0.12/959,551的继续申请，并要求该美国专利申请的优先权，该美国专利申请的内容通过该引用全部并于此。
【技术领域】
[0003]本申请涉及发光系统，更具体地讲，涉及发光元件阵列。
【背景技术】
[0004]多年来，已使用各种发光配置来照亮区域和/或向用户提供信息。ー种这样的发光方法涉及使用发光二极管。除了使用単独的ニ极管之外，可将发光二极管按照阵列一起使用，举几个例子来说，以提供一般照明、舒适照明、建筑照明和光雕塑。例如，在机动车应用中常常使用LED阵列。
[0005]之前的LED阵列根据集中式控制方法来控制。更具体地讲，中央计算机或控制器确定阵列中的每个LED的状态。使用状态确定软件来确定所述状态，并且中央计算机发出命令以控制阵列中的各个LED。还使用众多控制器来将所述命令中继到阵列中的各个LED。
[0006]遗憾的是，之前的系统有各种缺点。例如，在几万个LED的阵列中，需要几千个单独的控制器来控制各个LED。除了众多控制器以及所需的其他硬件元件之外，需要用于控制信号的大量布线以将命令从中央计算机传送到所有控制器。大量布线的设置花费高，安装繁琐，维修复杂，会引起传输和/或电干扰问题。
[0007]由于上述局限，之前的系统花费高，安装和维护复杂。结果，用户常常不满意这些方法。
【专利附图】

【附图说明】
[0008]图1包括根据本发明各种实施方式的灯器具(light fixture)的顶层和底层的示图；
[0009]图2包括根据本发明各种实施方式的沿着图1的顶层的线A-B和底层的线A’-B’截取的剖视图；
[0010]图3包括根据本发明各种实施方式的包括多个灯器具的发光阵列；
[0011]图4-28包括根据本发明各种实施方式的包含多个灯器具的灯阵列所产生的各种光图案；
[0012]图29包括根据本发明各种实施方式的发光器具的框图；
[0013]图30包括示出根据本发明各种实施方式的操作发光器具(如，图29的器具)的一种方法的流程图；
[0014]图31包括示出根据本发明各种实施方式的LED阵列中的LED器具的示图；
[0015]图32包括示出根据本发明各种实施方式的LED阵列中的LED器具的示图。
[0016]技术人员将理解，图中的元件为了简明和清晰而示出，未必按比例绘制。例如，图中一些元件的尺寸和/或相对位置可能相对于其他元件被夸大，以帮助提高对本发明各种实施方式的理解。另外，商业上可行的实施方式中可用的或必要的常见但容易理解的元件通常未示出，以便于不防碍对本发明各种实施方式的观察。还将理解，某些动作和/或步骤可能按照特定发生顺序来描述或示出，但本领域技术人员将理解，实际上不需要针对顺序的这种具体化。还将理解，本文所用的术语和表达具有针对其对应的相应调查和研究領域符合这样的术语和表达的普通含义，除非本文中另外阐述了特定含义。
【具体实施方式】
[0017]提供分布和分散式方法来控制器具阵列中的各个LED器具，其中每ー器具包括一个或更多个单独的LED。本文所述的方法允许LED器具独立于所有其他器具来操作。結果，系统中所需的布线量显著減少。另外，不需要特殊的数据线来从中央控制器发送信息。在这方面，可使用现有电力线来从中央计算机到所有器具发送信息。在此初始化完成之后，器具可独立于其他器具操作。
[0018]在这些实施方式的许多实施方式中，发光兀件设置在发光兀件阵列中。在发光兀件处，感测至少ー个邻近发光元件的发光状态。独立于任何其他发光元件，通过将感测到的发光状态应用于预定规则来确定针对发光元件的发光调节。将发光调节应用于发光元件以调节发光元件的照度。
[0019]在一个示例中，发光状态可以是至少ー个邻近发光元件的光强度级。在ー个方面，感测到的光强度级指示至少ー个发光元件是开还是关。在这种情况下，将感测到的发光状态应用于预定规则生成光強度调节，应用发光调节包括调节发光元件的強度级。
[0020]光強度调节可包括各种类型的调节。例如，光強度调节可以是启动发光元件的调节或者关闭发光元件的调节。其他类型的调节也是可能的。
[0021]可感测任何数量的邻近发光元件。在一个示例中，使用八个发光元件。然而，基于(例如)阵列形式的发光器具的配置和尺度以及器具相对于其他器具的布局，其他数量也是可能的。
[0022]在这些实施方式中的其他实施方式中，一种灯元件器具包括:发光元件、被配置为感测至少ー个邻近光源的发光状态的至少ー个传感器、存储器和处理器。存储器被配置为存储预定规则。处理器连接到发光元件、该至少ー个光传感器和存储器。处理器被配置为通过将感测到的发光状态应用于预定规则来确定针对发光元件的发光调节。处理器还被配置为将发光调节应用于发光元件以调节发光元件的照度。发光元件、传感器、存储器和处理器设置在单个器具壳体中。
[0023]在ー些方面，至少ー个传感器被配置为感测光強度。在其他方面，至少ー个传感器被配置为感测顔色。在ー些其他方面，至少ー个传感器沿着壳体的周边设置。传感器的其他布局也是可能的。
[0024]在其他方面，规则生成光強度调节。在其他示例中，提供顔色调节。在一个示例中，发光元件是发光二极管。也可使用其他类型的发光元件。
[0025]在这些实施方式中的其他实施方式中，提供ー种发光阵列。该阵列包括阵列壳体以及设置在阵列壳体内的多个发光器具。每ー发光器具包括与其他发光器具分开的控制器和分开的发光元件。各分开的控制器独立于阵列中的任何其他器具中的任何其他发光元件控制分开的发光元件的启动。
[0026]在ー些方面，各发光器具还包括至少ー个传感器，该传感器被配置为感测光強度。在另ー些方面，该至少一个传感器被配置为感测顔色。在又ー些方面，该至少一个传感器沿着器具的壳体的周边设置。在再ー些方面，各分开的控制器被配置为通过将感测到的发光状态应用于预定规则来确定针对分开的发光元件的发光调节，各分开的控制器还被配置为将发光调节应用于发光元件以调节发光元件的照度。
[0027]在本文的示例中，使用的发光元件是发光二极管。然而，应该理解，也可使用其他类型的发光元件，并且本文所述的方法不限于利用LED。还应该理解，器具包括壳体，器具的元件(如，处理器、LED等等)设置在器具内、器具外部或器具处。器具壳体连接至阵列壳体，其他器具也连接到阵列壳体。举ー个例子，阵列壳体上的灯座可允许各个器具拧到阵列中。器具与阵列壳体之间的其他连接方式也是可能的。
[0028]在这些实施方式中的许多实施方式中，利用分布式控制方法来实现LED阵列的控制，以通过确定阵列中每ー LED的状态在阵列中生成图案。例如，对于白色LED，LED的状态可以是开或关、亮或暗、或者1或0。对于彩色LED，可使用不同的顔色或者由顔色代码或与顔色代码的等效编号指定的谱。
[0029]因此，本文所述的方法解决了之前的系统需要部署众多控制器并且布线繁重的问题。应该理解，本文所述的分布式控制方法用于控制LED阵列以及设置在阵列内的LED器具(包含ー个或更多个LED)。
[0030]各个LED可设置在LED器具处。LED器具是容纳LED以及驱动电路、控制电路、切换电路和/或色谱电路的机械壳体单元。多个LED器具可一起部署在LED阵列中。单个或多个LED可设置在单个器具中(连同驱动电路、控制电路、切换电路和/或色谱电路)。
[0031]在本文所述的方法，LED阵列控制系统被实现并安装在LED器具内。换言之，LED器具是根据驻留于存储器中的规则来控制的独立控制器。将感测的信息应用于该规则，从控制器输出此应用的结果以(可能)改变器具处的发光源(即，LED)的状态。
[0032]如本文所用，表述“感测邻近LED”是指针对每ー LED器具，利用光电传感器或顔色传感器(或其他传感器)或利用从邻近LED器具接收的有线(或无线)通信(或信号)获得发光状态(如，开、关、红色、蓝色、白色、暗、等等)。然而，在本文所述的示例中，仅使用光电传感器或顔色传感器示例，但应该理解，其他示例也是可能的。
[0033]如本文所用，表述“定时脉冲的生成”或“定时脉冲生成”是指LED器具从其自己的LED器具(利用定时脉冲发生器或其他方法)生成期望的定时脉冲，或者从包含定时脉冲生成设备的LED器具(或其他外部源)接收定时脉冲，而非生成其自己的定时脉沖。在ー维控制方法(本文所述)中，相同行中的LED根据相同的定时信息行动(S卩，它们同歩)。因此，如果相同行中的LED之一具有定时脉冲生成设备，则其可经由有线或无线信令或通信将相同的定时脉冲发送给行中的其他LED。如果不期望这样的定时脉冲的信令或通信，可确定使所有LED均包含脉冲发生器并使用由其自己的发生器生成的定时脉沖。
[0034]如本文所用，术语“规则选择”是指在给定规则下运行时，期望LED器具改变为另一规则。在ー个方法中，规则改变应用于阵列中的所有LED ;所有LED器具必须受规则改变影响。新规则的广播(按规则编号或规则逻辑本身的形式)可通过向LED驱动电路和LED本身供电的相同电カ线经由无线介质或电カ线通信来进行。[0035]如本文所用，术语“初始状态选择”是指特定LED器具以给定状态(如，1或0、或者亮或暗、或者红色或蓝色等等)开始。在ー维方法(本文所述)中，例如，第一行的一个或几个LED可以状态1开始，阵列中的所有其他LED以0开始。在ニ维方法(本文所述)中，当控制开始时，例如，中心LED或4个拐角的LED可具有状态1或红色，例如，所有其他LED具有状态0或蓝色。因此，阵列中需要初始状态选择方式的LED器具的数量限于1个或几个，或者可能若干个。因此，并非所有LED器具均需要设置有此功能。
[0036]现在參照图1和图2，发光器具100包括顶层102和底层104。顶层102包括LED106、光通道108和光传感器110。底层104包括电カ线通信电路(PLC)112、存储器114、微处理器116和驱动电路118。电源连接到PLC112。电源也可设置在器具100内。顶层102设置在底层104上方。各种线120将电组件连接在一起。壳体119容纳顶层和底层。在这方面，壳体可以是金属或塑料结构，以将其各种元件设置在壳体内(如，微处理器116)或沿着壳体的周边设置(如，传感器108)。壳体可在顶部和侧面开ロ，以允许来自LED106的光通过顶部发射(用于主要的照明目的)(如，作为显示器的一部分)以及经由光通道通过侧面发射(用于向邻近灯器具显不光状态信息)。
[0037]LED106包括一个或更多个发光二极管。举几个參数的例子，这些发光二极管可具有任何形状、颜色、构型、亮度。
[0038]光通道108允许光从LED106发射出，以使得邻近LED器具的传感器可感测到此光。光传感器110是感测光強度、颜色、频率或任何其他光參数的任何类型的传感器。在一个示例中，光传感器是光电传感器。其他光传感器示例也是可能。
[0039]存储器114为微处理器116存储操作指令和规则。微处理器116从存储器114执行指令。驱动电路118包括将来自微处理器116的指令转换为驱动LED106的电信号的硬件和/或软件。
[0040]LED 106 (或LED组)是LED器具100中的主发光源，其状态(如，开、关、颜色)由驱动电路118驱动，但可由微处理器116控制。当需要新的规则时，微处理器116经由电カ线通信电路112接收由计算机广播的规则，该电カ线通信电路112被应用于LED器具100以及器具100所在的整个LED阵列的所有其他器具中。附接到微处理器116的存储器114包含并存储由计算机提供的规则。依据给定规则，微处理器116经由安装在LED器具100中的传感器108读取近邻状态(即，邻近LED器具中的邻近LED的状态)井根据该规则控制LED单元。
[0041 ] LED器具100中的电カ线通信(PLC)电路112不但在中央计算机与微处理器116之间提供通信路径，还将数据耦合到向LED106和LED驱动电路118提供电カ的相同电カ线。通过经由向LED驱动电路118供电的相同电カ线121利用基于PLC的通信，无需从中央计算机到LED器具100的単独的数据线。
[0042]器具可被配置为提供各种功能。例如，一种类型的器具包含驱动单元，该驱动単元利用开关功能从电源到LED供应电流。另ー类型的LED器具提供顔色生成，并且包含用于此颜色生成的附加电路。另外，各LED器具可包含用干与上述微处理器116进行数据/控制信号传输以便于LED阵列控制的通信电路。LED器具被配置为将所有组件以机械和电的方式容纳到一个结构中，该结构将被连接到传统灯座或类似标准化端子，以接收来自主电源123的电力。[0043]如果需要，可与LED器具的电カ线通信电路112通信的単独的计算机(如，个人计算机125)可经由为LED器具供电的相同电源线向LED阵列中的所有LED广播新的规则。
[0044]如本文中别处所说明的，LED器具利用定时脉冲发生器(或某种其他方法)生成定时脉冲，或者从另ー LED器具(或某种其他源)接收定时脉冲。这些定时脉冲用作公共时钟以提供定时体制(framework),该体制允许各个器具中的LED被控制并在各种器具之间同步，从而可向用户呈现连贯的发光图案。
[0045]在ー些方面，本文所述的分布式控制方法在数学上基于元胞自动机(cellularautomata),它是离散数学建模基础。在对自然系统建模时，微分方程是可使用的建模基础的ー个示例。一般而言，微分方程适合于以连续方式演进的具有少量连续自由度的系统。元胞自动机是系统的数学模型的Fn迭代、互补基础。元胞自动机描述了具有大量离散自由度的系统的行为。換言之，元胞自动机表示空间和时间离散的物理系统的数学理想化，物理量取自离散值的有限集。元胞自动机已应用于生物系统以利用局部生态相互作用来对生物或植物种群的生长建摸。
[0046]更具体地讲，元胞自动机由位点(“元胞”)的离散点阵(“阵列”)组成。每一位点取自可能值的有限集，每一位点的值根据相同的确定性规则按照离散时间步长同时演进。位点演进的规则仅取决于其周围位点的局部邻域。
[0047]元胞自动机可在每ー个位点利用相同的规则，并提供丰富且复杂的图案生成能力。在本文所述的当前LED阵列发光控制方法中，各LED对应于元胞自动机的“位点”。元胞自动机方法是系统行为的固有分布式控制，其通过检查邻近位点的条件(如，发光条件)并应用相同的规则来确定其自己的位点的下一时间步长状态来允许系统的各位点(即，各发光器具100)起作用。这样，各位点独立于其他位点来控制。換言之，此独立和分布式状态方法允许系统整体(即，器具100的阵列)的状态随着离散时间步长继续前进而演迸。
[0048]LED阵列发光控制中的状态对应于LED的光状态或条件。例如，该状态可以是开启或关闭的白色LED。对于彩色LED的情况，该状态可以是LED所生成的色谱上的颜色。LED阵列发光控制中的系统对应于LED阵列本身，系统的行为对应于LED阵列上生成的发光图案。
[0049]一旦(利用LED器具中的微控制器，如本文中别处所述)将规则发送给所有LED，则在没有来自其发光器具之外的任何元件的任何命令或控制的情况下，各LED根据该规则改变其状态。规则的属性是邻近LED的状态。规则的ー个示例是“如果8个近邻中的2个处于状态1，则器具的下一状态为1”。规则的另ー示例是:“如果左近邻LED的状态为1，右近邻LED的状态为1，器具的当前状态为1，则器具的下一状态为0”。在这些示例中，状态1可表示开启状态，状态0可表示关闭状态。
[0050]规则的又一示例是:“如果4邻域中的西近邻为红色，东近邻是黄色，北近邻为暗，则器具的下一状态为绿色”。此规则同时应用于阵列中的所有LED，以在阵列中形成由阵列中的LED的不同状态构成的图案。
[0051]在本方法中，“邻域(neighborhood)”可由操作者或用户定义。仅LED前面的2或3个LED可成为邻域。在另ー示例中，围绕LED的8个LED可形成邻域。在又一示例中，仅4个围绕的LED可形成中心的LED的邻域。规则的许多不同的示例是可能的，并可通过分析ー个LED可具有的不同的值以及用户可选择的不同的邻域来确定。通过不同的规则，用户可选择产生期望的图案。
[0052]因此，本方法的ー个优点在于，在阵列中的各LED处根据仅取决于其近邻的状态的规则来提供阵列中的每ー LED的分布式控制。还控制阵列中的所有其他LED中的每ー个，就像这些LED中的每ー个是阵列中的其状态通过相同的规则被确定的仅有LED—祥。因此，无需集中式控制方法，集中式控制方法需要众多控制器以及对LED阵列中的每ー LED的繁重布线。这样的对布线和控制器的消除显著減少了 LED阵列的安装时间和成本。
[0053]LED器具中的传感器被配置为识别排布在LED阵列中的邻近LED器具的状态。传感器可按照任何数量布置在器具中的任何地方，只要能够观测到需要通过给定规则感测的适当近邻。例如，如果邻域被确定为沿对角线在LED前面的两个邻近LED，则两个传感器可布置在器具的西北(NW)和东北(NE)以检测近邻LED的状态。然而，当邻域由点阵结构阵列中围绕中心LED的所有八个邻近LED构成时，对于正方形或矩形形态的LED器具，则有八个传感器布置在中心LED的北、南、东、西、NW、NE、东南和西南位置。如果LED器具的形状是(例如)六边形，则六个传感器可布置在六边形的每一条边处，以覆盖最大数量的近邻。
[0054]如果阵列中的LED为白色LED，则传感器的一个功能是通过观测穿过邻近LED器具的光通道出射的光来检测是否存在白光。如果LED阵列中使用彩色LED或者可产生不同的顔色的ー组LED，则传感器应该不仅能够检测开-关状态，而且能够检测邻近LED的不同颜色。因此，顔色传感器安装在LED器具中以用于彩色LED阵列应用。
[0055]多个光通道110 (如，狭缝形式)用于将从器具100透射的指示LED状态的光发送给邻近器具，从而其传感器可检测LED器具100的状态。光通道110的布置被排列成使得各光通道应该与邻近LED器具的传感器对齐。通过对齐，意味着光通道110和对应的传感器彼此靠近地相对设置，使得从通道发射出的光被传感器感测到，而很少或没有来自其他源(如，其他通道或器具)的杂散光被传感器感测到。因此，在一个示例中，传感器和光通道以这样的方式设置在相同或靠近的位置:使得LED器具中的传感器仅从邻近LED接收光，而不接收来自相同或任何其他器具的光。
[0056]自动-手动(开-关-顔色)模式切换按钮111(或IR的传感器、无线以及其他外部源)用于允许LED器具100以不同的模式操作:作为元胞自动机方法的一般位点LED，具有初始关闭状态(“自动模式”);作为一般位点LED自动机方法，具有初始开启状态(“初始开自动模式”)；作为一般元胞自动机方法，具有初始开启且具有某种颜色的状态(“具有顔色的自动初始开”);或者作为不改变其状态，而是永久地保持其初始状态的独立位点LED (“带有关或开模式的手动模式”)。如果为LED器具选择“具有关或开模式的手动模式”，则阵列中的LED脱离通过邻近状态的所述规则的图案生成，由此利用元胞自动机方法可获得另外的或更多的各种期望的光图案。切换按钮111可被按下(或者如果其为传感器，则信号被接收)，使得器具100以各种模式操作。換言之，可通过安装在LED器具中的被布置成用户能够触及的手推按钮或开关，或者通过具有针对用户的匹配的远程模式选择器的无线远程感测系统或传感器，来进行模式选择或者从ー个模式到另ー模式的改变。
[0057]现在參照图3，描述器具的阵列300的ー个示例。阵列包括多个器具302。各器具302包括LED304、传感器306和光通道308。器具302以阵列方式1，1; 1，2，等等来编号，其中第一个数对应于行，第二个数对应于列。阵列元件22进ー步标记有方向标签N (北)、S (南)、E (东)、W (西)、NE (东北)、SE (东南)、NW (西北)和SW (西南)。[0058]这里參照图3描述作为LED阵列的位点的LED器具的操作，其中多个LED的阵列排列以形成点阵。參照位于点阵的第二行第二列的LED (LED22)，描述利用LED (器具)的基于元胞自动机的分布式LED阵列控制的ー个示例。当LED22被设定为自动操作模式吋，LED22现在是光图案生成中的LED阵列的一部分。通过LED器具的PLC，从主计算机或控制器的广播消息接收特定规则，该规则指定邻域由8个邻近LED (N、S、E、W、NW、NE、S和SE)构成。然后，指定方向的所有8个传感器用于检测8个方向上的近邻的状态:N近邻LED12、NW近邻LED11、S近邻LED32等等。
[0059]在初始时间周期期间或在初始时间，从8个传感器将近邻状态读取到LED22的微处理器，在下ー离散时间，通过该规则确定LED22的状态，并通过该LED22中的驱动单元实现该LED22状态。在LED22中执行的这ー处理在每一时间步长同时发生于阵列中的所有LED器具中，阵列中的图案随着时间步长离散地向前移动而形成并演化。
[0060]现在參照图4,描述一维(l-D)LED阵列图案生成的一个不例，其中一行LED通过紧在前(如，上、左、下或右)的LED行的状态来控制。在该1-D阵列图案生成中，LED的近邻是紧在前的行中的LED (两个、三个或LED的感测能力允许的那么多)。由于1-D图案生成是逐行的定时操作，感测近邻并确定行的LED状态仅在感测并确定前一行的LED状态之后才进行。每一行的定时可由该行的各LED的脉冲发生器来完成。脉冲的高周期(或在其他示例中，低周期)用于进行感测。在脉冲的下降沿(或在其他示例中，上升沿)，LED用于确定将施加于LED的动作(如，开启或关闭)。
[0061]第一行的前置时间(lead time)最短,最后一行的前置时间最长。在最后一行被定时以感测并确定LED的状态之后，前置时间以及脉冲感测和确定的时序重复以继续图案生成步骤。前置时间、用于感测和确定的脉冲的持续时间以及从顶行到底行的ー个完整循环的周期可按照阵列的大小、图案形成转变速度和用户的偏好来选择。对于阵列中的每ーLED，可通过提供手动开关或实现于LED器具中的远程通信模块来调节对行号、前置时间、感测和确定的持续时间以及ー个完整循环的周期的选择。另外，LED的初始状态(开或关)或者顔色代码可由上述手动开关之一或由LED器具中的所述远程控制器模块来确定。
[0062]现在參照图5，描述光图案生成的另ー示例。为了简单和说明的目的，此示例(以及图6-28的示例)中的阵列大小为10X10 (10行和10列，因此总共100个LED)，此描述中的每ー LED由填充(全部填充或部分填充)或空白的正方形元胞或带数字的位置来指示。可针对10X10LED阵列如下执行从顶行至底行形成图案的垂直ー维LED阵列图案生成，其中暗(关)的状态编号为0，亮(开)的状态编号为1。第一行用作图案生成的初始条件。由于第一行中的10个LED中的每ー个可具有1或0状态，考虑从列0至列9的次序，可能的初始条件数为2X2X2X2X2X2X2X2X2X2=1024。出于说明的目的，可假设第一行初始条件通过开启第五列中的LED并通过关闭该行中剰余LED来设定。然后，在阵列重置或通电之后的第一行前置时间之后，阵列状态如下:除了行0列5中的LED之外,所有LED均为零，这可方便地表示为:LED (0, 5) =1，并且除r=0和c=5之外，对于所有r和c，LED (r, c) =0。在右侧通过对图5的阵列中状态为1的那些使用*标记来示出1/0状态阵列的图案。
[0063]现在描述白色LED的ー维LED阵列图案生成。当行1的前置时间(比行0的前置时间长)到期时，行1中的LED现在感测行0中的近邻并确定其状态。行中的LED的近邻可以是正上方(“北(N)方向”)的LED、或者分别左右45度向上(“西北(NW)方向”和“东北(NE)方向”)的两个LED、或者N、NW和NE方向上的三个LED。现在，必须在任何阵列图案生成可完成之前确定基于近邻状态的LED状态确定的适用规则。为了描述转变规则，例如，假设近邻是N、NW和NE方向上的三个LED，列0和9中的LED除外，列0和9中的LED仅在上一行中具有两个邻近LED。例如，LED(1, 1)具有如下邻近LED:LED(0，0)、LED(0，1)和LED (Ο, 2) ο 另ー方面，LED (2，5)具有 LED (1，4)、LED (1，5)和 LED (1，6)作为其近邻。通常，除了列0和9中的LED之外，LED(i, j)具有如下邻近LED:LED(i_l，j_l)、LED(i_l，j)和LED(r-l，c+l)，其中 r=[l，9]和 c=[l，8]。
[0064]LED (r, 0)具有如下邻近 LED:LED (r_l，0)和 LED (r_l，1)，其中 r=[l，9]。另一方面，LED (r，9)具有如下邻近 LED:LED (r-1, 8)和 LED (i_l，9)，其中 r=[l，9]。
[0065]现在描述白色LED的ー维LED阵列图案生成的一个示例的规则。在三个LED近邻的情况下，有八种可能的邻近LED状态，自左侧起的每ー数字指示NW、N和NE方向上的LED状态:000、001、010、011、100、101、110和111。对于八种近邻状态中的每ー种，主体LED (subject LED)的确定状态有两种:0和1，这使得状态确定规则的可能数量为2X2X2X2X2X2X2X2=256。可对规则进行编号，其可形成8比特图案，从左至右，针对从000至111的八种可能的邻近状态中每ー种的主体LED的状态(在圆括号内具有十进制规则编号)等同于被理解为ニ进制数的8比特的比特图案:从00000000(0)，被理解为LED的状态总为0 ;到00000001 (1)，被理解为仅在所有邻近LED均为1时LED的状态才为1，否则为0 ;到00000010⑵，被理解为如果NW和N邻近LED为1，NE邻近LED为0，则LED的状态为1，否则为0 ;到11111111 (255)，其使得主体LED状态总为1。假设选择规则编号72(图案01001000)，这里示出图案生成步骤。该规则说明，仅在其NW、N和NW邻近LED处于{001}或{100}的状态下时，下一行中的LED变为1，否则为0。在该示例中，每ー行中仅具有2个邻近LED的两个LED —直保持0状态。
[0066]从行1开始，LED(1, 0)=LED(1, 9)=0,因为其仅具有2个近邻。行1中的LED具有如下状态，其中对于除了 5之外的所有c，LED(0, c)=0。
[0067]LED (1,0)=0
[0068]LED (1，1) = {LED (0，0)，LED (0，1)，LED (0，2)} = {000} =0
[0069]LED (1，2) = {LED (0，1)，LED (0，2)，LED (0，3)} = {000} =0
[0070]LED (1，3) = {LED (0，2)，LED (0，3)，LED (0，4)} = {000} =0
[0071]LED(1, 4) = {LED (0, 3), LED (0, 4), LED (0, 5)} = {001}=1
[0072]LED (1，5) = {LED (0，4)，LED (0，5)，LED (0，6)} = {010} =0
[0073]LED (1，6) = {LED (0，5)，LED (0，6)，LED (0，7)} = {100} =1
[0074]LED (1，7) = {LED (0，6)，LED (0，7)，LED (0，8)} = {000} =0
[0075]LED (1，8) = {LED (0，7)，LED (0，8)，LED (0，9)} = {000} =0
[0076]LED (1,9)=0
[0077]因此，LED阵列的前两行现在如图6所示形成，开启的LED用*标记指示。
[0078]在第二行LED的前置时间之后，开始相似的状态确定处理。现在，行1中的LED具有如下状态:LED(1，4)=LED(1，6)=1，其他均为0。行2中的LED具有如下状态:
[0079]LED (2，0) =0
[0080]LED (2，1) = {LED (1，0)，LED (1，1)，LED (1，2)} = {000} =0[0081]LED (2，2) = {LED(1, 1)，LED(1, 2)，LED(1, 3)} = {000}=0
[0082]LED(2，3) = {LED(1, 2)，LED(1, 3)，LED(1, 4)} = {001}=1
[0083]LED (2，4) = {LED(1, 3)，LED(1, 4)，LED(1, 5)} = {010}=0
[0084]LED(2，5) = {LED(1, 4)，LED(1, 5)，LED(1, 6)} = {101}=0
[0085]LED (2，6) = {LED(1, 5)，LED(1, 6)，LED(1, 7)} = {010}=0
[0086]LED(2，7) = {LED(1, 6)，LED(1, 7)，LED(1, 8)} = {100}=1
[0087]LED (2，8) = {LED (1，7)，LED (1，8)，LED (1，9)} = {000} =0
[0088]LED (2，9) =0
[0089]然后，LED阵列的前三行现在如图7所示形成，开启的LED用*标记指示。
[0090]并且，继续执行处理，直到控制系统重置，断电，或者选择新的规则。如果针对少数示例选择规则图案01001100，则这使得如果邻近LED图案为{001}、{100}或{101}，则主体LED状态为1，否则为0，阵列的行0、1、2和3将具有如下不同的状态:
[0091]对于c=4 和 6，LED(1, c) = {LED(0, c_l), LED(0, c), LED(0, c+l)}=l ;否则为 0。
[0092]对于c=3、5 和 7，LED (2，c) = {LED(l, c_l), LED(1, c), LED(1, c+l)}=l ;否则为 0。
[0093]对于c=2、4、6 和 8，LED (3，c) = {LED(2, c_l), LED(2, c), LED (2, c+l)}=l ;否则为 0。图8示出如此生成的图案。
[0094]对于可能的1024种不同的初始化行0LED的方式以及可能的256种不同的LED状态确定规则，可能的图案生成数量可达到超过2百万。如果考虑彩色LED(仅R(红色)-G(绿色)-B (蓝色)单独组合)，一个邻近LED可具有八种不同的状态，这导致8 X 8 X 8=512种不同的近邻LED状态。考虑主体LED可具有的相同八种状态，仅对于给定初始条件，规则总数达到8的512次幂，这是非常大的数字(2后462个0)。
[0095]现在描述使用模2规则的白色LED的ー维LED阵列图案生成。在具体的白色LED阵列控制的情况下，可应用简单的规则，代替邻近图案的所有组合。在一个示例中，此规则称为模2规则，因为例如仅在从左至右，NW至N至NE方向的三个邻近LED状态(被理解为ニ进制数)为模2数时，主体LED的状态才为1 ;否则其值为0。例如，图案100 (十进制为4)可被2除尽，因此是模2数。在该示例中，所有包括0的偶数编号的图案，即，000、010、100和110，都是模2数。将模2规则应用于上述示例，前4行被确定为如图9所示。
[0096]模2规则下的图案的变化主要由第一行的初始条件来决定。其他模数规则(modulo numbered rule)也是可能的,例如,模8。在彩色LED阵列的情况下,另选的模数规则更可取，其中LED的状态可变得超过仅2种，0和1:可为8种(通过R-G-B的组合)。
[0097]现在描述彩色LED的ー维阵列控制。为了简单的目的，使用彩色LED的可能状态的进ー步简化来減少至3种，红色(状态2)、緑色(状态1)和蓝色(状态0)，并应用该规则。状态确定规则考虑3个邻近LED状态的最大和为6，最小和为0。示例规则可形成为如下:
[0098]如果{NW-LED(t)，N-LED (t)，NE-LED ⑴}之和为 0、3 或 6，则 LED (t+1) =0。
[0099]如果{NW-LED(t)，N-LED (t)，NE-LED (t)}之和为 1 或 4，则 LED (t+1) =1。
[0100]如果{NW-LED(t)，N-LED (t)，NE-LED (t)}之和为 2 或 5，则 LED (t+1) =2。
[0101]该示例的初始条件(t=0)设定LED(0, 5)=2,并且对除了 r=0和c=5之外的所有r和c，所有其他LED(r，c)=0。因此，在t=0，并且在前置时间期间，10X10阵列的状态具有如下表和图案。如图10所示，状态2用星形(*)标记，状态1用横线(-)标记，状态0空白。[0102]在行1中的LED处生成时间t=l脉冲时，同时开始感测三个邻近LED，在脉冲的下降沿，发生状态转变。然后，在t=l结束时，阵列图案达到如图11所示。
[0103]在时间t=2，类似于t=l时那样，在时间t=2结束之前发生感测和状态确定以及状态转变，这改变了阵列图案，如图12所示。时间t=3、t=4和t=5处的图案示出于图13、图14和图15。
[0104]描述ニ维图案生成方法。LED阵列的ニ维控制在每ー LED器具共同的相同定时脉冲处将LED状态的转变应用于阵列中的任何行任何列中的所有LED。对于阵列中的所有LED而言，前置时间、脉冲持续时间(其中脉冲周期高，用于感测，并且下降沿是改变LED状态的时间)和完整循环时间相同。并且，LED的近邻可以是所有八个周围的LED (如，在六边形元胞点阵，而非正方形的情况下，数量变为六个)，或者仅LED周围紧挨着的四个或任何数量的LED。在这里所取的示例中，假设的是正方形元胞LED阵列。然后，点阵中！.行c列的LED(除了四个边界处的那些LED，那些LED将保持在状态0或1)的8个邻近LED包括:N方向LED 或 N-LED，由 LED (r-1, c)表示；NE-LED,由 LED (r-1, c+1)表示；E-LED,由 LED (r, c+1)表示；SE-LED,由 LED(r+1, c+1)表示；S_LED，由 LED(r+1, c)表示；Sff-LED,由 LED(r+1, c_l)表示；W-LED，由 LED(r, c_l)表示；NW_LED，由 LED(r_l, c_l)表示。只要 LED 被视作 LED 的近邻，则将使用下面的4个:N-LED、E-LED、S-LED和W-LED。在LED阵列的ニ维控制中，LED在时间t处的状态LED(r，c，t)由近邻LED在时间(t_l)处的状态来确定。时间单位是在整个阵列中执行LED状态的感测和确定的两个连续脉冲之间的时间。
[0105]为了简单和说明的目，对于相同的10 X 10阵列，假设允许在N、E、S和W方向上具有四个LED近邻的每一 LED仅有两个状态(1和0、开或关、或者亮或暗)。初始条件可以任何方式设定:开启中心LED，或者开启所有四个拐角的LED，或者开启随机选择的LED。因此，可能的初始条件的数量理论上为2的100次幂，这是很大的数字。为了描述基于时间(t-Ι)处的邻近LED的状态的时间t处的LED状态的规则，时间(t-Ι)处的四个邻近LED状态被写为4位ニ进制数，每ー比特从左至右表示N-LED(t-l)、E-LED (t-1)、S-LED(t-l)和W-LED (t-1)。然后，总共有16种不同的近邻状态，其为4比特的ニ进制数，从0000至1111。对于其近邻在时间(t-Ι)处的这16种不同的状态中的每ー种，主体LED在时间t处的状态为2种。因此，有2的16次幂(超过6500万)可能的规则。
[0106]现在描述2-状态、4-近邻配置的ニ维图案生成方法。为了说明，考虑10X10的4-近邻、2-状态LED阵列的ニ维图案生成。2-状态LED表示LED为白色，仅具有开(1)或关(0)状态。另外，作为t=0处的初始条件，在处理开始之前，LED(5, 5)开启，所有其他LED(r, c)关闭，如图16所示。
[0107]在极其众多的规则当中，如果在时间(t-Ι)有至少ー个状态1的邻近LED，则示例规则为LED(t)=l。此规则应用于阵列中的具有N、E、S和W的4个邻近LED的所有LED。因此，阵列边界的LED —直保持其当前状态。
[0108]在时间t=l的第一脉冲处，除了边界LED之外的所有LED在脉冲处于高状态期间同时感测其4个邻近LED状态，如果有至少ー个LED处于状态1，则在脉冲的下降沿，这些LED基于该规则设定其状态。因此，在t=l脉冲之后，阵列将具有图17所示的状态。
[0109]然后，在时间t=2脉冲处，LED阵列改变为图18所示的状态。在t=3，图案现在进一歩向外扩展至图19的状态。此图案生成方法根据生成的脉冲以及前置时间和完整循环时间针对阵列中的LED继续进行。
[0110]所示示例仅示出具有ー种给定初始条件和极其众多的规则当中的一个规则的一种情况，各种图案非常丰富，因此，对于期望使用的图案，此发明的使用者可能想要在决定选择哪ー规则和哪ー初始条件之前尝试(优选利用计算机仿真)生成图案。然而，由于本文所述的方法提出了经由通信、无线或电カ线通信来改变将使用的规则，计算机仿真对于本文所述方法的实际使用而言不是強制的。
[0111]现在描述针对具有4-近邻的彩色LED的ニ维图案生成方法。如果考虑仅具有R (红色)-G (緑色)-B (蓝色)组合的彩色LED，则ー个邻近LED可具有8个种不同的状态，这导致8X8X8X8=4096种不同的近邻LED状态。考虑主体LED可具有的相同8种状态，仅对于给定初始条件，规则总数就达到另一天文数字。通过将彩色LED的可能状态进一歩简化至3种，红色(状态2)、緑色(状态1)和蓝色(状态0)，并应用简单的规则，可利用相同的10X10阵列示出阵列控制。
[0112]状态确定规则从4个邻近LED状态的最大和为8，最小和为0的观察开始。简单的示例规则可形成为如下:
[0113]如果{N-LED(t)，E-LED (t)，S-LED (t)，W-LED ⑴}之和为 1、2、3 或 6，则LED(t+1)=0。
[0114]如果{N-LED(t)，E-LED (t)，S-LED (t)，W-LED (t)}之和为 0 或 7，则 LED (t+1) =1。
[0115]如果{N-LED(t)，E-LED (t)，S-LED (t)，W-LED (t)}之和为 4、5 或 8，则 LED (t+1) =2。
[0116]该示例的初始条件(t=0)设定LED (5，5) =2，并且对于除了 r=5和c=5之外的所有r和c，所有其他LED(r，c)=0。因此，在t=0并且在前置时间期间，10X 10阵列的状态具有如下表和图案。在所附图案中，状态2用星形(*)标记，状态1用横线(_)，状态0空白，如图20所示。
[0117]当生成时间t=l的脉冲吋，阵列中的所有LED开始同时感测邻近LED状态，并且在脉冲的下降沿，执行针对所有LED遵循相同规则的状态转变。然后，在时间t=l结束吋，阵列图案达到如图21所示。在时间t=2结束时，将得到图22中的图案。随着时间推移，例如在t=20，图案发展为图23所示的图案。
[0118]现在描述可逆的图案生成。如上所述，LED阵列图案生成(无论是ー维还是ニ维的控制方法)严重依赖于两个因素:初始条件和规则的选择。換言之，利用本文所述的方法，提供期望的图案作为初始条件，该图案可重复或者至少周期性地在特定数量的定时脉冲之后再现。
[0119]一种识别可逆元胞自动机的方法需要两种主要的理解和创建图案的方式:机械式和直观式。第一点的方法假设任何图案可被分析为这样的因果，从该因果能够推断出与邻近状态的状态转变的关系以及复现有效性的关系。第二种方法给予机会进行大量的创造性活动，其接受小意外。然而，可从与ニ维控制方法的例示中所应用的那些规则类似的平凡规则来形成ー些非常简单的可逆元胞自动机。
[0120]现在描述在ニ维控制方法中应用于7X7白色LED阵列的可逆元胞自动机。用于例如4-近邻LED (尽管实际上仅使用1个邻近LED)的可逆元胞自动机看似足够简单以具
有如下规则:
[0121]
【权利要求】
1.ー种发光元件的照明方法，所述发光元件设置在发光元件阵列中，所述方法包括以下步骤: 在所述发光元件处: 感测至少ー个邻近发光元件的发光状态； 独立于任何其他发光元件，通过将感测到的发光状态应用于预定规则来确定针对所述发光元件的发光调节； 将所述发光调节应用于所述发光元件以调节所述发光元件的照度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，感测发光状态的步骤包括:感测所述至少ー个邻近发光元件的光強度级。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，感测到的光强度级指示所述至少ー个发光元件是开还是关。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，将感测到的发光状态应用于所述预定规则生成光強度调节，并且 其中应用所述发光调节的步骤包括调节所述发光元件的強度级。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述光强度调节选自由启动所述发光元件的调节和关闭所述发光元件的调节组成的组。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少ー个邻近发光元件包括八个发光元件。
7.—种灯元件器具，所述器具包括: 发光兀件； 至少ー个传感器，所述传感器被配置为感测至少ー个邻近光源的发光状态； 存储器，所述存储器被配置为存储预定规则； 处理器，所述处理器连接到所述发光元件、所述至少一个光传感器和所述存储器，所述处理器被配置为通过将感测到的发光状态应用于所述预定规则来确定针对所述发光元件的发光调节，所述处理器还被配置为将所述发光调节应用于所述发光元件以调节所述发光元件的照度； 其中，所述发光元件、至少ー个传感器、存储器和处理器设置在单个器具壳体中。
8.根据权利要求7所述的灯器具元件，其中，所述至少一个传感器被配置为感测光强度。
9.根据权利要求7所述的灯器具元件，其中，所述至少一个传感器被配置为感测顔色。
10.根据权利要求7所述的灯器具元件，其中，所述至少一个传感器沿着所述壳体的周边设置。
11.根据权利要求7所述的灯器具元件，其中，所述规则生成光強度调节。
12.根据权利要求7所述的灯器具，其中，所述发光元件包括至少ー个发光二极管。
13.ー种发光阵列，所述阵列包括: 阵列壳体； 设置在所述阵列壳体内的多个发光器具，每ー发光器具包括与其他发光器具分开的控制器和分开的发光元件，所述分开的控制器独立于所述阵列中的任何其他器具中的任何其他发光元件来控制所述分开的发光元件的启动。
14.根据权利要求13所述的发光阵列，其中，每ー发光器具还包括至少ー个传感器，所述传感器被配置为感测光強度。
15.根据权利要求14所述的发光阵列，其中，所述至少一个传感器被配置为感测顔色。
16.根据权利要求14所述的发光阵列，其中，所述至少一个传感器沿着所述器具的壳体的周边设置。
17.根据权利要求13所述的发光阵列，其中，每一分开的控制器被配置为通过将感测到的发光状态应用于预定规则 来确定针对所述分开的发光元件的发光调节，每一分开的控制器还被配置为将所述发光调节应用于所述发光元件以调节所述发光元件的照度。
18.根据权利要求13所述的发光,其中，姆一分开的发光兀件包括至少ー个发光二极管。
【文档编号】F21S2/00GK103460810SQ201180066736
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2011年11月29日 优先权日:2010年12月3日
【发明者】C·J·金 申请人:霍华德大学