李訓(xùn)智，李 靜，胡韻萩，侯 磊

(1.北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100086；2.北京清控人居光電研究院有限公司， 北京 100086；3.北京清城品盛照明研究院有限公司，北京 100086)

引言

近年來，在國內(nèi)外重大活動(dòng)的推動(dòng)下，各城市涌現(xiàn)大量的大尺度媒體立面照明，推動(dòng)建筑景觀照明由靜態(tài)、單一的形象向動(dòng)態(tài)、豐富的情境快速轉(zhuǎn)變，既提升區(qū)域活力、豐富夜間活動(dòng)，也為城市的信息傳播與媒體溝通提供新的窗口。然而，大尺度媒體立面的建筑數(shù)量多、建設(shè)周期長、參與單位多、燈具品牌與批次多、設(shè)計(jì)要求不一、產(chǎn)品參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差異，以致不同時(shí)期、不同位置的實(shí)施效果普遍存在光色差異，在整體聯(lián)動(dòng)中表現(xiàn)出不協(xié)調(diào)的畫面。為了校正媒體立面的光色差異，本文從軟硬件層面分析主要影響因素，并從流程和技術(shù)上初步探究色差校正方法。

1 大尺度媒體立面照明的現(xiàn)狀特征

1.1 建設(shè)特征

大尺度媒體立面一般由十幾棟至上百棟高層建筑立面組成，主要分布在沿江、河、湖、海、廣場(chǎng)、十字路口等視野開闊的位置，允許市民游客在近(約200 m)、中(500 m)、中遠(yuǎn)(1 000 m)、遠(yuǎn)(1 500 m以上)視點(diǎn)觀看幾十至幾百棟建筑立面統(tǒng)一聯(lián)動(dòng)的燈光表演。

由于建筑數(shù)量多、建設(shè)規(guī)模大，當(dāng)前各城市普遍采取分期、分主體、分標(biāo)段的建設(shè)方式，各期的建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理單位不全相同，設(shè)計(jì)效果與參數(shù)要求、質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)也存在明顯差異，燈具品牌、類型、參數(shù)也差異明顯，最終統(tǒng)一表演的效果也不甚理想。

1.2 產(chǎn)品現(xiàn)狀

當(dāng)前LED行業(yè)在燈具上缺少統(tǒng)一嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，不同品牌、不同類型、不同批次的燈具在光色、亮度、功率、光通量、控制等參數(shù)存在明顯差異，批量安裝后效果差異較大，即使經(jīng)過長時(shí)間、細(xì)致的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，建筑間的光色、亮度的差異仍不可消除。

2 光色偏差的校正原理和影響因素

本文研究的大尺度媒體立面光色偏差僅針對(duì)LED直射光源如點(diǎn)光源、自發(fā)光線條燈等，不含建筑立面各類反射光。此外，還基于以下五個(gè)假設(shè)：

1)燈具處于穩(wěn)態(tài)下，不存在因溫度等導(dǎo)致的色漂移[1]；

2)彩色燈具的RGB在任何混合比例下，混色均勻；

3)應(yīng)用環(huán)境暫不考慮霧霾、水汽、距離、角度等影響；

4)視覺觀察處于明視覺范圍內(nèi)；

5)計(jì)算采用CIE1931-XYZ標(biāo)準(zhǔn)觀察者三刺激值，忽略個(gè)體差異[2]。

2.1 同色異譜原理

根據(jù)經(jīng)典色度學(xué)與光度學(xué)理論[3-5]，對(duì)于特定標(biāo)準(zhǔn)觀察者和特定照明體，具有不同光譜功率分布且有相同三刺激值的顏色，稱為同色異譜顏色。其中，由光源直接產(chǎn)生的，為光源色同色異譜；經(jīng)過材料反射產(chǎn)生的，為物體色同色異譜；因此，本文研究的光色偏差的校正原理為光源色同色異譜。

互有同色異譜的不同光源對(duì)人眼的三刺激值比例相同，且各刺激值與其對(duì)應(yīng)的總刺激值的比值為該光源顏色的色度空間坐標(biāo)(即色坐標(biāo))。由式(1)、式(2)可知，在同一色度空間中，兩個(gè)光源的三刺激值比相同，色坐標(biāo)相同，則光的顏色相同；在不同色度空間中(如CIE1931-XYZ、CIE1976-Luv等)，即使三刺激值相同，色坐標(biāo)數(shù)值相同，光色也不一致。

(1)

k為比例系數(shù)。

(2)

其中：xC、yC、zC為光源的色坐標(biāo)，且xC+yC+zC=1。

2.2 基色光

LED光源的基色是由不同材料芯片激發(fā)電子躍遷或P-N結(jié)電子與空穴復(fù)合而輻射出特定顏色的光[6]，其光色差異主要與芯片材料、封裝工藝、透鏡材質(zhì)等有關(guān)。

戶外照明LED燈具的三基色一般為紅光、綠光、藍(lán)光，對(duì)應(yīng)的主波長分別集中在625 nm、530 nm、470 nm/450 nm波長段(如表1)，其中藍(lán)色有兩個(gè)典型波長段。由于藍(lán)光段波長越長，光譜光視效率越高，視覺亮度相對(duì)越亮；反之，視覺亮度相對(duì)越暗，但紫紅色段表現(xiàn)更好，視覺上顏色更豐富；因此，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景與效果需求，LED芯片供應(yīng)商提供兩個(gè)典型波段供應(yīng)用選擇：

表1 國內(nèi)外主要品牌LED基色光芯片主波長統(tǒng)計(jì)表(單位：nm)

a)光效較高、色彩混合相對(duì)豐富的(湖)藍(lán)色470 nm，多用于戶外景觀照明等大場(chǎng)景；

b)光效偏低、色彩混合更豐富的寶石藍(lán)色450 nm，主要用于室內(nèi)外舞臺(tái)等小場(chǎng)景。

此外，人眼對(duì)不同光譜顏色的敏感性不相同，紅色與綠色的寬容量遠(yuǎn)大于藍(lán)色(如圖1)，在相同偏差數(shù)值下，藍(lán)光偏差比紅、綠色光明顯很多[4,7]。根據(jù)項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)，藍(lán)光主波長偏差大于3 nm就可被明顯察覺，而紅綠光大于6 nm尚不明顯。由于應(yīng)用需求與敏感性差別，基色光偏差主要集中在藍(lán)色光段，偏差校正重點(diǎn)也在藍(lán)光(如圖2)。

圖1 CIE1931-XYZ色品圖(麥克亞當(dāng)橢圓)Fig.1 CIE1931-XYZ chromaticity diagram (MacAdam’s Ellipse)

圖2 藍(lán)色光偏差示例(深圳前海)Fig.2 Example of blue light deviation (Qianhai, Shenzhen)

2.3 混合光

混合光指各種基色光按一定比例均勻混合后呈現(xiàn)的光的顏色，目前LED燈具多采用紅光、綠光、藍(lán)光進(jìn)行混合?；旌瞎獾娜碳ぶ悼捎墒?3)計(jì)算，與“基色光的絕對(duì)光譜功率分布”及“各基色光的參與混合的比例”相關(guān)；其中絕對(duì)光譜功率分布函數(shù)SR(λ)、SG(λ)、SB(λ)與芯片的類型、功率有關(guān)；參與混色的比例系數(shù)α、β、γ與目標(biāo)光的顏色與亮度、基色光參數(shù)、燈具/控制設(shè)備的伽馬校正函數(shù)、程序算法等有關(guān)，同時(shí)透鏡、面罩等也會(huì)產(chǎn)生一定影響。

(3)

其中：SR(λ)、SG(λ)、SB(λ)為紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)的絕對(duì)光譜功率分布函數(shù)；

α·SR(λ)+β·SG(λ)+γ·SB(λ)為混合光SC(λ)的絕對(duì)光譜功率分布函數(shù)；

α、β、γ為紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)參與混合的比例系數(shù)。

綜上，混合光的光色與基色芯片、燈具構(gòu)造、控制設(shè)備都相關(guān)，主要為芯片的類型、功率，燈具的構(gòu)造、發(fā)光效率(含透鏡、面罩等影響)與伽馬值，控制設(shè)備的程序算法、伽馬值等。

由此，要使一國自主走向法律趨同的道路，就需要一國的法律文化發(fā)生相應(yīng)的變化。促使一國在法律制度上趨同于另一個(gè)國家的法律，首先需要一國在觀念、原則、價(jià)值體系上與另一國家相接近，歷史上具有相近文化背景的國家往往更容易走向自發(fā)地法律趨同道路。不過，全球化浪潮、“地球村”范圍的擴(kuò)大使得法律趨同只局限于具有相似法律文化背景的國家已經(jīng)不現(xiàn)實(shí)，法律趨同必須擴(kuò)大到具有不同法律文化背景的國家才能真正適應(yīng)全球化帶來的“地球村”經(jīng)貿(mào)合作。而要使法律文化相異的國家自主地在國內(nèi)法層面相互趨同法律，就只能通過推動(dòng)兩國在觀念、原則、價(jià)值體系上相互接近的方式進(jìn)行，對(duì)此，我們只能借助法律認(rèn)同的方式實(shí)現(xiàn)。

3 光色控制與偏差校正

3.1 流程控制

項(xiàng)目中，LED燈具的芯片類型與功率、燈具構(gòu)造與發(fā)光效率等在出廠后就已經(jīng)確定；如果燈具批量到場(chǎng)后發(fā)現(xiàn)存在光色偏差，很難通過返廠整改或替換達(dá)標(biāo)產(chǎn)品來校正；一般只能通過調(diào)整燈具設(shè)備或控制系統(tǒng)的伽馬值、程序算法等，也可從動(dòng)畫片源上進(jìn)行彌補(bǔ)，盡量縮小色差對(duì)畫面的影響。

鑒于此，在項(xiàng)目流程的不同階段需進(jìn)行先行量化控制，盡量降低調(diào)試難度。在技術(shù)深化階段，盡量對(duì)燈具的芯片類型與各色功率、燈具的構(gòu)造與發(fā)光效率、燈具內(nèi)控制設(shè)備等軟硬件參數(shù)進(jìn)行細(xì)致嚴(yán)格設(shè)定；在產(chǎn)品遴選及批量進(jìn)場(chǎng)階段，通過現(xiàn)場(chǎng)試燈與官方檢測(cè)機(jī)構(gòu)的效果、光學(xué)、控制的復(fù)檢，避免下單采購不合格燈具；施工安裝完成后，燈具與控制設(shè)備提供方分別設(shè)定燈具與控制系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)于會(huì)影響效果的程序和算法進(jìn)行二次開發(fā)，確?？刂葡到y(tǒng)指令的解析效果一致；整體聯(lián)動(dòng)調(diào)試時(shí)應(yīng)確保上墻動(dòng)畫正確，而對(duì)于部分樓宇的光色偏差明顯且燈具、控制系統(tǒng)無法解決的，進(jìn)行動(dòng)畫片源修正。

3.2 光色差異校正

3.2.1 基色光偏差

當(dāng)LED燈具的基色光偏差時(shí)，可加入同一燈具中其他合適基色光進(jìn)行適當(dāng)校正；但此方法一般無法實(shí)現(xiàn)光源色同色異譜的完全匹配，校正后的光色比目標(biāo)基色光的色純度偏低(如圖3左)。在實(shí)際應(yīng)用中，紅/綠光可明顯識(shí)別的偏差相對(duì)較少，藍(lán)光的偏差非常普遍，本文以藍(lán)光偏差為例解釋基色光偏差的校正方法。

采用現(xiàn)場(chǎng)目視校正時(shí)，設(shè)定以470 nm為目標(biāo)藍(lán)光，當(dāng)待校正藍(lán)光的主波長低于470 nm時(shí)，可加入綠色光適當(dāng)校正(如圖3右)；高于470 nm時(shí)，理論上可加入紅色光校正，但在要求不嚴(yán)格時(shí)可適當(dāng)降低藍(lán)光亮度來近似匹配。

圖3 基色光偏差校正示意圖(藍(lán)光)Fig.3 Schematic diagram of color deviation correction for primary light (blue light)

采用程序內(nèi)算法校正時(shí)，首先由官方檢測(cè)機(jī)構(gòu)實(shí)測(cè)目標(biāo)藍(lán)光B與待校正燈具紅(R1)、綠(G1)、藍(lán)(B1)光的色坐標(biāo)、色純度、絕對(duì)光譜功率分布函數(shù)值(從380～780 nm，按1 nm取值)等光度參數(shù)；其次依據(jù)實(shí)測(cè)的色坐標(biāo)運(yùn)用立體幾何法計(jì)算校正后藍(lán)光B2的色坐標(biāo)；再結(jié)合絕對(duì)光譜功率分布值計(jì)算R1、G1、B1參與混光的比例系數(shù)α、β、γ，應(yīng)注意當(dāng)采用R1、G1、B2進(jìn)行混光時(shí)，應(yīng)對(duì)比例系數(shù)進(jìn)行修正，避免綠光的功率超出上限(如圖4)；最后計(jì)算控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的控制指令值(R/G/B或r/g/b)，在計(jì)算中需考慮伽馬校正函數(shù)的影響，應(yīng)確保燈具或控制系統(tǒng)僅設(shè)置一端伽馬校正值。

圖4 比例系數(shù)修正示意圖Fig.4 Schematic diagram of proportional coefficient correction

本例中，目標(biāo)藍(lán)光(470 nm)在待校正燈具的基色三角形之外，所以校正結(jié)果只能盡量接近但無法完全匹配。如圖3所示，在色度圖上分別連線“目標(biāo)藍(lán)光B與等能白光E”和“待校正藍(lán)色B1與綠色G1(稱為校正線)”，在校正線上有兩個(gè)特殊的點(diǎn)，分別為“與BE的交叉點(diǎn)(簡(jiǎn)稱交叉點(diǎn))”和“與目標(biāo)藍(lán)光B最近點(diǎn)(簡(jiǎn)稱最近點(diǎn))”。交叉點(diǎn)的主波長與目標(biāo)藍(lán)光B一致，但色純度比最近點(diǎn)更小，當(dāng)設(shè)計(jì)參數(shù)只規(guī)定主波長時(shí)，更容易達(dá)標(biāo)；最近點(diǎn)的主波長介于目標(biāo)藍(lán)光B與待校正藍(lán)光B1之間，色純度比交叉點(diǎn)大且更靠近目標(biāo)點(diǎn)。經(jīng)驗(yàn)證，在基色光單向校正且目標(biāo)光色在待校正燈具基色三角形之外時(shí)，最近點(diǎn)是校正線上相對(duì)最優(yōu)的點(diǎn)，但視覺上偏白，依舊不太理想。如果要進(jìn)一步校正，可通過降低目標(biāo)藍(lán)光B的色純度來匹配校正后藍(lán)光B2，以實(shí)現(xiàn)整體光色一致(即基色光雙向校正)，也可通過動(dòng)畫片源來修正。一般而言，基色光偏差的算法校正只適用于光色偏差的燈具類型較少或用于靜態(tài)畫面的情況。

3.2.2 混合光偏差

媒體立面的混合光偏差是非常普遍的現(xiàn)象，主要由“燈具的基色光偏差”和“各燈具RGB輸出光通量比不一致”引起，當(dāng)前主要通過現(xiàn)場(chǎng)目視修正。但隨著LED產(chǎn)業(yè)與智能技術(shù)的發(fā)展，算法校正會(huì)逐步成為混合光偏差的主要解決方案，在智慧城市或數(shù)字孿生的照明表現(xiàn)中逐漸得到更廣泛的應(yīng)用。

圖5 RGB色域交集示意圖Fig.5 Schematic diagram of RGB color gamut’s intersections

圖6 混合光的光色偏差校正原理圖Fig.6 Schematic diagram of color deviation correction for mixed light

混合光偏差的算法校正相對(duì)比較復(fù)雜，需通過編程進(jìn)行批量數(shù)據(jù)處理；同時(shí)校正算法模型比較多，但核心是計(jì)算“新基色光R′、G′、B′的光譜三刺激值(比)”與“燈具基色光Ri、Gi、Bi轉(zhuǎn)換到新基色光R′、G′、B′對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)”；以下的理論模型僅供參考：

1)由官方檢測(cè)機(jī)構(gòu)實(shí)測(cè)所有燈具Ri、Gi、Bi的色坐標(biāo)、色純度、絕對(duì)光譜功率分布數(shù)值等光度參數(shù)，即光學(xué)檢測(cè)的數(shù)據(jù)。

2)計(jì)算每款燈具i三基色光Ri、Gi、Bi所對(duì)應(yīng)的三刺激值[XiYiZi]T；

(4)

其中：SiR(λ)、SiG(λ)、SiB(λ)為燈具i三基色Ri、Gi、Bi的絕對(duì)光譜功率分布值(列矩陣)；

xλ、yλ、zλ為CIE1931-XYZ標(biāo)準(zhǔn)觀察者三刺激值(行矩陣)。

3)根據(jù)各燈具i的實(shí)測(cè)色坐標(biāo)，運(yùn)用立體幾何法計(jì)算色域交集的新三基色R′、G′、B′的色坐標(biāo)分別為(xR′,yR′,zR′)、(xG′,yG′,zG′)、(xB′,yB′,zB′)。

4)通過每款燈具i的三刺激值[XiYiZi]T計(jì)算燈具i基色光Ri、Gi、Bi轉(zhuǎn)換到新基色光R′、G′、B′對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為(αiR，βiR，γiR)、(αiG，βiG，γiG)、(αiB，βiB，γiB)；計(jì)算方式如下：

a)計(jì)算Ri轉(zhuǎn)換到R′的轉(zhuǎn)換系數(shù)(αiR，βiR，γiR)：

(5)

(6)

其中：XR′、YR′、ZR′分別為新基色紅(R′)的三刺激值；

TiR、TiG、TiB分別為燈具i的三基色Ri、Gi、Bi對(duì)應(yīng)三刺激值的和；

同理計(jì)算Gi轉(zhuǎn)換到G′與Bi轉(zhuǎn)換到B′的轉(zhuǎn)換系數(shù)(αiG，βiG，γiG)與(αiB，βiB，γiB)。經(jīng)過式(5)、式(6)計(jì)算得到的三組轉(zhuǎn)換系數(shù)，每組內(nèi)三個(gè)數(shù)值的比例關(guān)系確定，但三組之間的關(guān)系相對(duì)獨(dú)立性，需通過式(7)、式(8)建立三組間聯(lián)系。

b)計(jì)算R′、G′、B′對(duì)應(yīng)的Y刺激值分別為YR′、YG′、YB′滿足：

(7)

(8)

聯(lián)立式(5)～(8)，當(dāng)式(8)等于1時(shí)，計(jì)算出組間關(guān)聯(lián)的比例系數(shù)(αiR，βiR，γiR)、(αiG，βiG，γiG)、(αiB，βiB，γiB)。由于所有燈具i在新三基色R′、G′、B′的三刺激值比相同，即YiR′：YiG′：YiB′=YR′：YG′：YB′，因此可計(jì)算出所有燈具i的轉(zhuǎn)換系數(shù)，但不同的燈具的轉(zhuǎn)換系數(shù)不同；如果某些燈具轉(zhuǎn)換系數(shù)代入式(8)大于1，需等比例縮小。

5)計(jì)算各燈具Ri、Gi、Bi的Y刺激值(3個(gè)值)的總和TSi，以亮度合適燈具b的TSb為基準(zhǔn)，計(jì)算各燈具調(diào)節(jié)到燈具b亮度水平的比例系數(shù)ki；當(dāng)部分燈具的亮度低于設(shè)計(jì)要求時(shí)，可設(shè)置ki為1。

7)控制系統(tǒng)輸入的指令為新三基色R′、G′、B′的比例系數(shù)(r′，g′，b′)，各燈具i內(nèi)Ri、Gi、Bi參與混合的比例系數(shù)(r，g，b)按照式(9)進(jìn)行換算；當(dāng)燈具或控制系統(tǒng)設(shè)定伽馬校正值時(shí)，需納入計(jì)算。

(9)

通過上述方法從理論上實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)輸入相同的指令，媒體立面的燈具呈現(xiàn)相同的光色與亮度水平，降低調(diào)試的工作量，避免控制差異問題。但該方式技術(shù)要求較高，需要燈具與控制系統(tǒng)廠家技術(shù)人員配合編程開發(fā)，也要求燈具有客觀的實(shí)測(cè)光學(xué)數(shù)據(jù)、可修改儲(chǔ)存的IC芯片等。

4 結(jié)論

本文針對(duì)大尺度媒體立面普遍存在光色偏差情況，初步分析產(chǎn)生光色色差的原因和主要影響因素，建議從技術(shù)深化、現(xiàn)場(chǎng)試燈、產(chǎn)品檢測(cè)等層面進(jìn)行細(xì)致嚴(yán)格的先行把控，盡量避免具有明顯差異的燈具進(jìn)場(chǎng)安裝。對(duì)于不可避免的光色偏差，基于光源色同色異譜和加色法的原理[3-5]，針對(duì)基色光和混合光分別構(gòu)建光色偏差校正的理論模型。當(dāng)基色光存在色差時(shí)，可混入同一燈具中其他合適基色進(jìn)行適當(dāng)校正，但一般是無法實(shí)現(xiàn)完全匹配，且校正后的光色比目標(biāo)基色光的色純度偏低；而混合光的色差通過建立統(tǒng)一的新三基色光，舍棄少量差異光色，實(shí)現(xiàn)畫面光色一致?；旌瞎獾乃惴ㄐＵ募夹g(shù)復(fù)雜，難度較大，但符合數(shù)據(jù)時(shí)代的技術(shù)路線，在智慧城市或數(shù)字孿生的照明表現(xiàn)中會(huì)逐步得到更廣泛的應(yīng)用。

以上論述僅針對(duì)LED直射光源，對(duì)于部分媒體立面中參與表演的立面反射光，由于材質(zhì)的多樣性與復(fù)雜性，不含在本次研究范圍內(nèi)；文中的前四個(gè)假設(shè)在實(shí)際項(xiàng)目中無法忽略，霧霾、水汽、視看距離與角度、燈具的各色光輸出比、芯片排布比都會(huì)影響混合色的均勻性，以致影響畫面的光色一致，需要在后續(xù)進(jìn)一步研究。