舞臺影視燈具光度數(shù)據(jù)照相測試法

柳得安，俞世熊

（1. 上海戲劇學院，上海 200040；2. 上海程韻網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，上海 200540）

舞臺影視燈具光度數(shù)據(jù)照相測試法

柳得安1，俞世熊2

（1. 上海戲劇學院，上海 200040；2. 上海程韻網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，上海 200540）

光度數(shù)據(jù)照相測試法是自主研發(fā)的一種全新的舞臺影視燈具光度數(shù)據(jù)測試方法，能替代復(fù)雜煩瑣的手工測試和昂貴的分布光度計測試。本文介紹照相測試法的測試項目、測試方法、基本原理、技術(shù)關(guān)鍵、準確性和其獨特的優(yōu)點。

舞臺燈具；光度數(shù)據(jù)；照相測試法；分布光度計測試

1 光度數(shù)據(jù)照相測試法誕生的背景

舞臺燈光是一種藝術(shù)照明，照明效果通常以人的感覺為準，因此，在早期的舞臺燈光設(shè)計中，對燈具要求也是以人眼主觀判斷為主。電視燈光的誕生對照明提出了色溫、照度、均勻度等要求，人們開始對燈具自身的光學物理參數(shù)有所重視。近年來，隨著舞臺和影視燈光藝術(shù)要求的提高和燈具技術(shù)的發(fā)展，特別是LED燈具在發(fā)光效能上的要求，業(yè)內(nèi)對燈具的光度物理參數(shù)越來越重視。

為了規(guī)范光度參數(shù)的測試，文化部制定頒布了文化行業(yè)標準WH/T 26-2007《舞臺燈具光度測試與標注》?！段枧_燈具光度測試與標注》標準的制定，對指導和規(guī)范舞臺影視燈具的生產(chǎn)和應(yīng)用起了很大作用。

在此基礎(chǔ)上，中國演藝設(shè)備技術(shù)協(xié)會自2008年開始在行業(yè)內(nèi)開展了舞臺影視專業(yè)燈具優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的評定活動。筆者有幸參與了標準的制定和專業(yè)燈具評優(yōu)的全過程，在評優(yōu)過程中深感燈具的光度參數(shù)測試的艱難。燈具光度參數(shù)通常采用分布光度計測試或手工測試。分布光度計測試需要專業(yè)的大型測試設(shè)備，還要根據(jù)燈具的不同形狀，設(shè)計、加工專門的夾具，同時需要支付昂貴的委托測試費。而手工測試需要人工測試100多個點，并有大量的數(shù)據(jù)計算以及曲線繪制，工作量大，耗費時間長。2008年第一次評優(yōu)正是采用手工測試方式，數(shù)據(jù)采集和處理環(huán)節(jié)影響了整個評優(yōu)工作的進度。經(jīng)調(diào)研，得知美國有一家公司研制了光度參數(shù)照相測試法，并在美國演藝燈具行業(yè)中有所應(yīng)用，但是其不僅價格昂貴，而且不能完全符合我國行業(yè)標準的要求。因此，迫切需要尋找一種高效快速、適合中國演藝設(shè)備行業(yè)專業(yè)燈具的光度測試方法。在廣州市珠江燈光科技有限公司的支持下，經(jīng)過數(shù)年的探索、實踐，照相測試法的檢測精度不斷提升、檢測過程不斷精簡，最終形成了完善的光度數(shù)據(jù)照相測試法。該測試法已成功地應(yīng)用在舞臺影視燈具光度測試領(lǐng)域。

2 光度數(shù)據(jù)照相測試法測試的項目

光度數(shù)據(jù)照相測試法的開發(fā)是完全依據(jù)文化行業(yè)標準WH/T 26-2007《舞臺燈具光度測試與標注》，能測試該標準規(guī)定的全部光度參數(shù)。具體可測試以下參數(shù)和曲線：

（1）光斑角（θ）

圓形有效光斑的直徑兩端與出光口中心點連線所形成的夾角。

注：硬光斑的全部為有效光斑。柔（軟）光斑中照度值不小于最高照度值10%的范圍為有效光斑。

（2）光束角（θ1/2）

圓形半峰值光斑的直徑兩端與出光口中心點連線所形成的夾角。

注：光斑中照度值不小于最高照度值50%的范圍為半峰值光斑。

（3）有效光通量（Fe）

有效光斑范圍內(nèi)的總光通量。

（4）平均照度值（Ea）

有效光斑內(nèi)照度的平均值。

（5）照度均勻度（ξ）

有效光斑內(nèi)平均照度值與最高照度值的比值。

（6）燈具效率（ηl）

燈具的有效光通量與所用光源總光通量的比值。

（7）燈具發(fā)光效能（ηe）

燈具的有效光通量與光源及保證光源正常工作所必需的全部電器附件消耗的總電功率的比值。

（8）光斑射距系數(shù)（K）

圓形有效光斑的直徑與射距的比值。

（9）等照度曲線圖

將一系列表示不同照度值的等照度曲線繪制在一起的圖（見圖1）。

（10）光強分布曲線圖

光強度隨方向變化的關(guān)系曲線圖（見圖2）。

注：光強分布曲線也稱配光曲線，在民用照明行業(yè)內(nèi)通常采用極坐標形式。由于舞臺專業(yè)燈具與民用燈具不同，極大多數(shù)是聚光類燈具，其光斑角較小，只有在直角坐標系統(tǒng)才能更好地表現(xiàn)其光分布特性。

（11）射距、光斑直徑與照度關(guān)系圖

圓形光斑中心照度或平均照度與有效光斑直徑隨射距變化的關(guān)系圖（見圖3）。

除此之處，照相測試法還能獲得光斑中心照度、光斑內(nèi)最高照度及最高照度偏離光斑中心的位置等輔助參數(shù)。

3 光度數(shù)據(jù)照相測試法的測試方法及其基本原理

圖1 等照度曲線圖

圖2 光強分布曲線圖

圖3 射距、光斑直徑與照度關(guān)系圖

將燈具調(diào)整至正常工作狀態(tài)，在暗室中將光束投射到漫反射的測試面（通常可以是平整的亞光墻面），調(diào)整投射距離，在測試面形成直徑為3 m或2 m的光斑（具體按行業(yè)標準WH/T 26要求），照相機在計算機控制下，拍攝光斑照片（見圖4-1）1張、尺寸比對照片（見圖4-2）1張以及照度比對照片（見圖4-3）5張，輸入射距、功率等原始數(shù)據(jù)，即可在計算機中完成分析運算，生成上述光度測試報告（見圖5）。

圖4-1 光斑照片

圖4-2 尺寸比對照片

圖4-3 照度比對照片之一

圖5 舞臺燈具光度測試報告

光度數(shù)據(jù)照相測試法是運用計算機對光斑的數(shù)碼照片進行數(shù)據(jù)分析，將燈具光斑影像的灰度數(shù)值轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的照度值，并形成一系列光度數(shù)據(jù)與圖表的一種測試方法。其中，尺寸比對照片是計算機采集光斑物理尺寸的過程；照度比對照片是用于采集光照面實際照度與照相機相片灰度之間的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系。5張照度對比照片中應(yīng)包括在最高照度和最低照度點附近采集的數(shù)據(jù)，其他3張照度對比照片應(yīng)在最高照度和最低照度之間的均分值點（即3/4、1/2和1/4）附近采集。據(jù)此，計算機程序建立起相應(yīng)的擬合曲線，提供灰度和照度轉(zhuǎn)換時的對應(yīng)依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，計算機對光斑照片逐點掃描并轉(zhuǎn)譯成照度值，獲得光斑的照度數(shù)據(jù)集。然后再將各點的照度值乘以該點微面積即得到各點的微光通量，有效光斑內(nèi)各點微光通量的合計值即為光斑的有效光通量。最后一步光通量的計算原理與分布光度計或手工測試是完全相同的。

4 光度數(shù)據(jù)照相測試法的技術(shù)關(guān)鍵

光度數(shù)據(jù)照相測試法是一種全新的測試技術(shù)，在研發(fā)中需要解決很多技術(shù)難點，主要的技術(shù)難點包括以下內(nèi)容。

4.1 照片灰度等級與實際光照度間對應(yīng)關(guān)系的確立

不同燈具光斑亮度的幅度差極大，數(shù)碼相機在采樣拍攝時光圈大小、快門速度、感光度高低等選項的變動，都直接影響著數(shù)碼成像結(jié)果；且數(shù)碼相機本身感光器件的特性并非線性，而是半導體器件固有的S型曲線。通過大量的數(shù)據(jù)測試和研究，最后找到和確定了它們的相互對應(yīng)關(guān)系，建立了特定函數(shù)的擬合曲線，解決了照片灰度與照度間的非線性對應(yīng)關(guān)系。

4.2 海量數(shù)據(jù)運算速度

光斑照片的像素點高達數(shù)百萬、甚至上千萬，經(jīng)去毛刺、柔化等處理，最后用于計算光通量的數(shù)據(jù)點也近85萬，海量的數(shù)據(jù)計算，對計算機的運算速度是極大的考驗。如果用原始的計算方法，在一般的家用或商用筆記本計算機中運算，將需幾十分鐘，這將嚴重影響軟件的使用和推廣。經(jīng)過反復(fù)的算法分析，優(yōu)化了算法，極大地提高了運算速度，將運算時間壓縮到1分鐘以內(nèi)，為測試法的使用和推廣創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)。

4.3 光斑影像變形問題

為了使光斑內(nèi)的光分布盡可能接近舞臺上實際應(yīng)用的情況，《舞臺燈具光度測試與標注》標準的要求，一般燈具的測試光斑直徑為3 m。對于如此大的光斑，照相機鏡頭通常處于中、廣角狀態(tài)，變形就很難避免。為了盡可能地減少變形對測試的影響，取景時盡量使光斑的影像位于取景框的中央部位，四周留出一定的空間，這樣可以很大程度上減小成像的變形程度?？s小了成像面積，光斑的有效像素雖然有所降低，但目前照相機的像素非常高，即使以光斑面積占整個相片面積的1/3計算，也有百萬數(shù)量級像素，作為光通量的計算并不需要如此多的計算點，實際上光斑相片經(jīng)處理后，用作計算的單元近85萬個。此外拍照時相機的位置盡可能靠近燈具出光口，以減小圖像變形失真。

4.4 反射面的漫反射特性

為使光斑在照相機內(nèi)的成像盡可能真實地反映光斑的實際情況，燈具投光的反射面必須具有理想的漫反射特性，此漫反射面理論上應(yīng)該是當光照射時向不同方向的反射特性均勻一致的朗伯面。但在實際測試中，不可能達到如此高的要求，否則照相測試法就難以進行實際應(yīng)用和推廣。經(jīng)研究，并在軟件上采取適當措施后，在一個平整、稍作處理的墻面上涂上亞光的涂料，即可作為拍照的反射面使用。在這樣的墻面上拍出來照片難免會產(chǎn)生一些光的突變點，這就需要在圖像處理中予以識別和處理，排除干擾。在軟件編制時采用了一些特殊的計算和處理，既保證了測試的準確性，又降低了對照片拍攝測試面的要求。

5 光度數(shù)據(jù)照相測試法準確性分析

光度數(shù)據(jù)照相測試法的有效光通量計算方法與手工測試法和分布光度測試法都是相同的，都是采用先計算光斑中一個微區(qū)域內(nèi)的光通量，即微區(qū)域內(nèi)的平均照度乘以此微區(qū)域的面積，然后將整個有效光斑的各微光通量相加獲得總有效光通量。因此，從計算原理上看，照相測試法不會在這個環(huán)節(jié)上影響測試準確性。相反，照相測試法有85萬的采樣計算點，用作計算單元的微區(qū)域更多、面積更小，應(yīng)該能更準確地反映光斑的實際情況。相比之下，手工測試只有一百多個采樣點（按《舞臺燈具光度測試與標注》標準的要求計算），分布光度計測試時燈具旋轉(zhuǎn)的步進角度通常為1°或0.5°，因此，一般也只有幾百個采樣點，遠遠少于照相測試法。

那么，相片的成像質(zhì)量和影像的灰度與照度間的轉(zhuǎn)換將成為影響測試準確性的關(guān)鍵，正如前面所述，準確的擬合曲線保證了計算的準確性，照片拍攝中影像變形的控制，計算軟件中對照度突變點的識別和處理等技術(shù)措施都有效地保證了測試的準確性。

表1是對3個燈具分別用照相測試法和分布光度計測試結(jié)果的比對表：

表1 照相測試法和分布光度計測試結(jié)果比對表

根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)對比，照相法均為正偏差，但測試誤差均在3%左右。誤差在可以接受的范圍內(nèi)，能夠勝任對舞臺燈具光度參數(shù)的測試工作。

6 光度數(shù)據(jù)照相測試法的特點

燈具的光度數(shù)據(jù)測試長期以來一直是一件比較麻煩的事，特別是光的分布數(shù)據(jù)測試更為困難，以至于一些燈具企業(yè)對生產(chǎn)的燈具幾乎不作光度測試，這在很大程度上阻礙了行業(yè)的發(fā)展和進步。舞臺燈具光度數(shù)據(jù)照相測試法就是針對這些問題開發(fā)的，使燈具的光度數(shù)據(jù)測試變得簡單、可行，有利于推廣應(yīng)用，促進行業(yè)進步。與光度數(shù)據(jù)手工測試和分布光度計測試相比，光度數(shù)據(jù)照相測試法有以下獨特的優(yōu)點。

6.1 測試速度快

照相測試法測試一個燈具只需拍攝7張照片，即可在計算機中運算得出所有的光度數(shù)據(jù)，總共只需要幾分鐘時間。而在手工測試中需以手工方式測度100多個點，并手工記錄，再數(shù)據(jù)處理和曲線繪制，測試一個燈具前后共需要幾個小時，費時費力。分布光度計測試時燈具需在x、y兩個方向旋轉(zhuǎn)測試，步進角通常為1°或0.5°，大致共測試數(shù)百個點，耗時也需幾十分鐘至一個多小時。

6.2 不固定占用場地

照相測試法只需一面平整的漫反射墻面和能滿足燈具一定投射距離的空間，在不測燈具時，該場地仍可用作原有用途。而分布光度計則需永久性占據(jù)較大的空間，對于一般的燈具廠和研究單位，燈具測試的頻度不可能很高，因此空間的利用率很低。

6.3 不需要專用的夾持裝置

照相測試法只要將燈具放置到1.6 m～1.7 m高度（測試光斑直徑為3 m時）即可，因此只需一個普通的立式燈架就能解決，甚至用桌子、箱子等也能將就。但分布光度計測試時，必須加工專用的夾持裝置才能將燈具固定在分布光度計上進行測試。不同規(guī)格、不同外形的燈具都需配用不同的專用的夾持裝置，前期準備工作時間長，需要花費材料及加工方面的費用。由于燈具的品種很多，夾持裝置也相應(yīng)很多，因此還需占用空間存放和保管。

6.4 對測試燈具種類適應(yīng)性好

照相測試法對被測燈具的外形、重量等均無要求。一些外形龐大、重量極大的燈具根本無法夾持在分布光度計上測試，但對照相測試法而言毫無困難。特別是在燈具開發(fā)研制時，無燈殼的實驗燈具、甚至在光具座臨時組成的試驗光路也完全可用照相法測試，這對燈具生產(chǎn)商研發(fā)新燈具非常有益。

6.5 費用投入少

相對于購置分布光度計的幾十萬元費用而言，照相測試法的資金投入就相當之少。分布光度計還需要有日常的維護保養(yǎng)費用，而照相測試法則無這方面的要求，且軟件的升級維護是免費的。

6.6 便攜性好

照相測試法全套設(shè)備只有幾千克，隨身攜帶非常方便。筆者在承擔“LED舞臺燈具通用技術(shù)條件”標準編制課題時，曾帶著照相測試法的設(shè)備在各燈具廠實地測試，順利地完成了LED燈具的調(diào)研工作。在這方面，分布光度計是望塵莫及的。

6.7 操作簡便、易于學習

照相測試法易學、易用，操作人員只要稍加學習或培訓就可上手操作。燈具廠一般的研發(fā)人員都可使用，這樣研發(fā)和測試直接相關(guān)聯(lián)，研發(fā)人員能直接、快速獲得燈具的光度數(shù)據(jù)，對新燈具的研發(fā)大有好處。分布光度計需要由專門的技術(shù)人員操作和管理，局限性較大。

“舞臺燈具光度數(shù)據(jù)照相測試法”是經(jīng)文化部批準立項的科技創(chuàng)新計劃項目，并由文化部文化科技司驗收。驗收報告認定：照相測試法能替代復(fù)雜、煩瑣的人工測試方法，具有先進性和創(chuàng)新性；對文化行業(yè)標準《舞臺燈具光度測試與標注》的貫徹推廣提供了一種可靠、便捷、實用的測試方法；該成果具有實際應(yīng)用價值及推廣前景；該項目填補了國內(nèi)舞臺燈具光度照相測試法的空白，為規(guī)范舞臺燈具行業(yè)對舞臺燈具光度檢測，提供了一種新穎、便捷、可靠的科學手段，具有現(xiàn)實意義?！拔枧_燈具光度數(shù)據(jù)照相測試法”在中國演藝設(shè)備技術(shù)協(xié)會主辦的歷屆演藝設(shè)備行業(yè)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品評定中得到全面的應(yīng)用，并在測試實踐中不斷改進和完善，使測試更方便快捷。該方法也在一些燈光相關(guān)的研究單位和企業(yè)中應(yīng)用，在舞臺影視燈具的科研、新品開發(fā)和產(chǎn)品檢測等方面起到了積極的作用，將促進舞臺影視燈具行業(yè)的發(fā)展更加理性、科學、規(guī)范。

（編輯 張冠華）

Photographic Test Method of Photometric Data for Luminaires Used in Stage, Film and Television Lighting

LIU De-an1, YU Shi-xiong2
(1. Shanghai Theatre Academy China, Shanghai 200040, China; 2. Shanghai Chengyun Network Technology Co., Ltd., Shanghai 200540, China）

The photographic test method of photometric data is a new method of the determination of photometric data for luminaires. It can replace the complicated manual testing and expensive test meter distribution photometer. In this paper, the writer introduced the test items, test methods, basic principles, technical key accuracy and the unique advantages of the photographic test method.

luminaires; photometric data; photographic test method; distributed photometric test

10.3969/j.issn.1674-8239.2016.03.001