面向新型智能光組件的多維色彩質(zhì)量評(píng)價(jià)體系及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廣東省標(biāo)準(zhǔn)化研究院□覃耀青

1 引言

二十一世紀(jì)以來(lái)，人們對(duì)生活品質(zhì)提出了更高的要求，對(duì)照明系統(tǒng)的要求也不再局限于照明功能，換言之，現(xiàn)代照明系統(tǒng)除了提供日常生活所必須的照明功能之外，還應(yīng)該具備滿(mǎn)足人類(lèi)審美觀(guān)念、氛圍調(diào)節(jié)、健康需求等功能，諸如睡眠環(huán)境下燈光柔和度調(diào)節(jié)、娛樂(lè)場(chǎng)所下燈光效果調(diào)節(jié)、彩燈變換以及氛圍鼓動(dòng)等方面的調(diào)節(jié)。照明不僅用來(lái)照亮生活，更需要滿(mǎn)足人們生理及心理上的感受，照明將從單純的“取光”變?yōu)闋I(yíng)造應(yīng)用需求的 “光環(huán)境”?，F(xiàn)代照明系統(tǒng)功能已經(jīng)不僅僅局限于提供基本照明，還應(yīng)該能夠滿(mǎn)足不同人群、不同環(huán)境下對(duì)照明氛圍、照明亮度、照明效果及節(jié)能要求等方面的需求。

隨著近年來(lái)，LED光源和芯片技術(shù)不斷發(fā)展，它憑借高光效、長(zhǎng)壽命、低功耗、豐富的色彩特性、便于靈活地進(jìn)行控制以及環(huán)境友好等諸多優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)占據(jù)了照明市場(chǎng)的半壁江山，LED智能照明產(chǎn)品更是層出不窮。照明行業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)、家電行業(yè)及消費(fèi)電子產(chǎn)品行業(yè)都推出各種能夠調(diào)光調(diào)色的LED照明產(chǎn)品及相關(guān)控制解決方案。但是目前的解決方案多以系統(tǒng)功能為研究目標(biāo)開(kāi)發(fā)組網(wǎng)模式、無(wú)線(xiàn)通信等相關(guān)技術(shù)，在最終控制策略上，則更偏向于用戶(hù)自定義，缺少應(yīng)用端信息的采集和科學(xué)的理論支持，更缺少各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信和處理，仍停留在 “控制系統(tǒng)”的層面。

基于多維色彩質(zhì)量模型開(kāi)發(fā)新型智能光組件與控制系統(tǒng)，根本目的是以健康、舒適、人性化的照明為目標(biāo)，利用傳感技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)等手段，對(duì)照明進(jìn)行全方位調(diào)節(jié)，營(yíng)造最為舒適的環(huán)境。

2 面向新型光組件的色彩質(zhì)量評(píng)估研究框架

基于色度學(xué)、色貌學(xué)理論，開(kāi)展多維色彩質(zhì)量評(píng)價(jià)模型研究，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；開(kāi)展三種以上光環(huán)境色彩質(zhì)量需求分析研究，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重；開(kāi)發(fā)新型智能光組件及控制系統(tǒng)，基于多維色彩質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，開(kāi)發(fā)自動(dòng)調(diào)節(jié)光組件光譜組成控制算法，并開(kāi)發(fā)集中供電控制系統(tǒng)軟/硬件開(kāi)發(fā)，最終形成一整套光環(huán)境智能控制解決方案。

針對(duì)視覺(jué)對(duì)于照明環(huán)境的色彩質(zhì)量需求，研究照明色彩質(zhì)量評(píng)價(jià)基礎(chǔ)理論。重點(diǎn)研究視覺(jué)色彩感知的量化方法和可用于評(píng)價(jià)照明光源光譜照明色彩質(zhì)量的評(píng)價(jià)指數(shù)集以及相關(guān)權(quán)重；基于視覺(jué)心理實(shí)驗(yàn)，研究視覺(jué)對(duì)于物體色彩的偏好差異，建立色彩偏好向量，并且根據(jù)視覺(jué)心理實(shí)驗(yàn)結(jié)論驗(yàn)證評(píng)價(jià)模型可靠性。最終形成照明色彩質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，并開(kāi)發(fā)新型光組件與智能控制系統(tǒng)，應(yīng)用于光環(huán)境的智能檢測(cè)與控制。具體包括：

1）視覺(jué)色彩特性量化基礎(chǔ)框架研究。在國(guó)內(nèi)外照明色彩質(zhì)量研究的基礎(chǔ)上，分析照明色彩對(duì)于視覺(jué)存在的效應(yīng)；基于測(cè)試樣品位移法，對(duì)存在的重要的視覺(jué)色彩特性進(jìn)行抽象量化；建立總體研究框架，明確各模塊研究路線(xiàn)及目標(biāo)。

2）量化模型各計(jì)算模塊影響因素分析。對(duì)于均勻色空間、色樣集合、色適應(yīng)變換、色差計(jì)算公式、參考光源選擇、折扣光源及視覺(jué)尺度線(xiàn)性化等量化模型中存在的計(jì)算模塊進(jìn)行影響程度分析，綜合考慮模型的可靠性和計(jì)算復(fù)雜度，選擇合適的計(jì)算模塊，將抽象量化模型具體化。

3）色彩偏好方向和位移距離研究?；贘udd在奉承指數(shù) （Flattery Index）中的研究，基于視覺(jué)色彩實(shí)驗(yàn)，并且以中國(guó)人為研究樣本，分析人們對(duì)于色彩的偏好方向與位移大小，得到色彩偏好向量集。并且將此向量集應(yīng)用于色彩偏好指數(shù)中，在計(jì)算測(cè)試樣品色彩位移時(shí)考慮偏好向量對(duì)于評(píng)價(jià)指數(shù)的影響。

4）光環(huán)境色彩質(zhì)量需求權(quán)重研究?；谝曈X(jué)心理學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，分析影響光環(huán)境整體照明色彩質(zhì)量的各視覺(jué)色彩特性之間的重要性程度，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得到各指數(shù)的權(quán)重。

5）視覺(jué)心理學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。擬將視覺(jué)實(shí)驗(yàn)分為光箱視覺(jué)實(shí)驗(yàn)和光環(huán)境視覺(jué)實(shí)驗(yàn)。借鑒國(guó)內(nèi)外視覺(jué)心理學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究精確控制自變量方法和反應(yīng)視覺(jué)色彩特性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和量表設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)主要分為：光源色彩保真實(shí)驗(yàn)、色分辨能力實(shí)驗(yàn)、色彩偏好實(shí)驗(yàn)等，主要通過(guò)語(yǔ)義分化法設(shè)計(jì)視覺(jué)心理問(wèn)卷。

6）高光效高色彩質(zhì)量新型光組件光譜設(shè)計(jì)。根據(jù)以上研究得到的照明色彩質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，在Matlab平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)模型計(jì)算函數(shù)，然后結(jié)合LED發(fā)光光譜仿真函數(shù)，通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法，設(shè)計(jì)各類(lèi)白光LED技術(shù) （熒光粉、三基色、四基色）的高色彩質(zhì)量高光效的光譜。

7）智能控制系統(tǒng)檢測(cè)模塊、終端控制、控制中心、通信模塊、集中供電模塊開(kāi)發(fā)，及控制系統(tǒng)協(xié)議開(kāi)發(fā)。

3 多維色彩質(zhì)量評(píng)價(jià)模型研究

多維色彩質(zhì)量模型是新型智能控制系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)終端控制策略上從用戶(hù)自定義轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)自動(dòng)控制的核心算法，其主要特點(diǎn)在于：

1）模型基于色度學(xué)和色貌學(xué)理論出發(fā)，提出多維色彩質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)集。重點(diǎn)研究視覺(jué)色彩感知的量化方法和可用于評(píng)價(jià)照明光源光譜照明色彩質(zhì)量的評(píng)價(jià)指數(shù)集。

2）結(jié)合不同照明應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于光色質(zhì)量的需求差異，全面評(píng)價(jià)照明光源、光環(huán)境的色彩質(zhì)量，為智能控制提供科學(xué)、合理可靠的理論基礎(chǔ)。

多維色彩質(zhì)量評(píng)價(jià)模型研究的技術(shù)路線(xiàn)，如圖1所示。

圖1 多維色彩質(zhì)量評(píng)價(jià)模型研究技術(shù)路線(xiàn)圖

（1）視覺(jué)色彩特性量化模型

視覺(jué)對(duì)于照明光環(huán)境色彩的感受可分為：保真、分辨、清晰、偏好、自然、多彩、和諧及生動(dòng)，從這些分類(lèi)中又可以歸納為主要的四種色彩感受，即：保真、偏好、分辨、和諧；使用測(cè)試色彩樣品比較法，比較參考光源和待測(cè)光源下色彩樣品在均勻色空間下的色位移，利用這些位移量化視覺(jué)色彩感受，例如：保真，位移越小則渲染的色彩與參考光源越接近，反之則偏大；偏好，位移沿著偏好向量正交分解，對(duì)于與偏好向量同向的分量不應(yīng)考慮到色差計(jì)算中，并且應(yīng)該增加偏好數(shù)值等。抽象模型建立后，選擇合適的計(jì)算模塊具化模型，初步擬定選用CAM02均勻色空間，CAT02色適應(yīng)變換，CIEDE2000色差計(jì)算公式，這些模型和公式廣泛應(yīng)用在印刷、數(shù)字圖像處理等領(lǐng)域。

（2）視覺(jué)色彩偏好機(jī)理及向量模型

首先選取一個(gè)包含大部分色相的色樣集合，初步選擇使用麥克貝斯24色卡。通過(guò)顯示器直接顯示的方法或者調(diào)節(jié)RGB混光照明的方法，使得色卡的顏色能夠連續(xù)的變化。實(shí)驗(yàn)者以色卡色坐標(biāo)為初始點(diǎn)，調(diào)節(jié)偏好的色彩位移，得到偏好的位移向量。在偏好指數(shù)的計(jì)算模型中，測(cè)試樣品色彩偏移將考慮偏移方向與色彩偏好位移向量的關(guān)系。

（3）光環(huán)境照明色彩模型各評(píng)價(jià)指數(shù)權(quán)重

設(shè)計(jì)視覺(jué)心理實(shí)驗(yàn)，讓被試者在一系列照明環(huán)境中對(duì)于光環(huán)境的自然、分辨、和諧、偏好等心理感受做出主觀(guān)評(píng)價(jià)，并且根據(jù)整體印象記下每個(gè)照明環(huán)境的總體評(píng)價(jià)得分，評(píng)分采用七級(jí)量表。然后使用層次分析法，要求被試者對(duì)于光環(huán)境的自然、分辨、和諧、偏好的重要性進(jìn)行兩兩比較，得到判斷矩陣，將矩陣按列歸一化后計(jì)算其最大特征根所對(duì)應(yīng)的特征向量，特征向量中的值則代表了四個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)的影響程度。然后對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性驗(yàn)證，如果判斷矩陣不符合一致性則需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。然后評(píng)價(jià)指數(shù)集配合權(quán)重計(jì)算光環(huán)境照明色彩質(zhì)量的整體得分與之前的心理學(xué)主觀(guān)評(píng)分進(jìn)行相關(guān)性分析。

（4）視覺(jué)心理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及模型可靠性驗(yàn)證分析

照明色彩質(zhì)量評(píng)價(jià)模型最終是評(píng)價(jià)視覺(jué)感受，因此需要通過(guò)視覺(jué)心理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證 （如圖2所示）。

圖2 視覺(jué)心理試驗(yàn)顯色效果對(duì)比試驗(yàn)

模型主要由保真指數(shù)、分辨指數(shù)、偏好指數(shù)與和諧指數(shù)組成，因此需要對(duì)四類(lèi)指數(shù)分別設(shè)計(jì)視覺(jué)心理實(shí)驗(yàn)，主要思路步驟如下：

1）保真指數(shù)驗(yàn)證：被試者首先觀(guān)察參考光源環(huán)境，然后要求記住環(huán)境中物體與色樣的顏色，然后再觀(guān)察熒光燈和LED光源下物體的顏色，要求與記憶中參考光源下物體的顏色進(jìn)行比較，使用標(biāo)準(zhǔn)量表評(píng)價(jià)感覺(jué)色差。每次更換光源都要進(jìn)行色適應(yīng)然后進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2）分辨指數(shù)驗(yàn)證：本實(shí)驗(yàn)采用顏色行業(yè)廣泛使用的FM-100色棋測(cè)試方法 （如圖3所示），此方法主要用于測(cè)試顏色工作者對(duì)于顏色的分辨能力，因此也可以用于同一人在不同光源下顏色分辨能力的變化，從而反應(yīng)光源的照明效果的色分辨能力。采用的評(píng)估指標(biāo)為總錯(cuò)誤分?jǐn)?shù)，分?jǐn)?shù)越低表面當(dāng)前光環(huán)境對(duì)工作者的色彩分辨能力更好。見(jiàn)公式 （1）。

圖3 FM-100色彩分辨能力視覺(jué)工效試驗(yàn)

3）偏好指數(shù)驗(yàn)證：隨機(jī)選取熒光燈和LED光源，然后按色溫分類(lèi)，同一色溫檔下，對(duì)光源進(jìn)行兩兩比較。采用語(yǔ)義分化法，選取幾組描述色彩偏好的反義詞組，并且對(duì)照明環(huán)境內(nèi)的物品一一進(jìn)行色彩偏好主觀(guān)評(píng)價(jià)。

4）和諧指數(shù)驗(yàn)證：從孟塞爾色彩樣品中選取幾組色彩相對(duì)較和諧的兩色組合和三色組合。選擇光源具有相似的色貌，即光源直接出光的色彩坐標(biāo)應(yīng)控制在二階麥克亞當(dāng)橢圓內(nèi)。被試者進(jìn)行比較試驗(yàn)和視覺(jué)評(píng)估試驗(yàn)：比較試驗(yàn)中，所有測(cè)試光源與參考光源進(jìn)行比較，被試者要求選擇更和諧的一邊，選中的+1分；視覺(jué)評(píng)估試驗(yàn)中，被試者直接對(duì)于色樣組的和諧程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用-5（代表完全不和諧）到+5（代表完全和諧）的11級(jí)量表。每一位被試者均進(jìn)行所有光源和所有色樣組合的實(shí)驗(yàn)，減少組間誤差。

得到以上視覺(jué)心理實(shí)驗(yàn)后，需要對(duì)所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的整理和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，即對(duì)視覺(jué)感受數(shù)據(jù)與評(píng)價(jià)指數(shù)集得到的評(píng)價(jià)指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析與方差分析。相關(guān)性分析能夠得到評(píng)價(jià)指數(shù)與視覺(jué)感受之間的相關(guān)程度，從而反應(yīng)模型的可靠性。方差分析得到視覺(jué)實(shí)驗(yàn)中由各自變量和非可控變量對(duì)于視覺(jué)感受的影響，從而優(yōu)化評(píng)價(jià)指數(shù)模型或權(quán)重，或者改進(jìn)視覺(jué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

4 一種新型智能光組件結(jié)構(gòu)

因光組件需要實(shí)現(xiàn)照明光環(huán)境的色溫、照度、色彩變化，因此需選用至少三種顏色的LED芯片組成的發(fā)光模組，如果為了實(shí)現(xiàn)色彩不變的情況下，達(dá)到顯色性按需求變化則發(fā)光模組必須包含四種不同顏色的LED芯片。例如，假設(shè)新型光組件包含紅、綠、藍(lán)、白四種顏色的芯片，當(dāng)場(chǎng)景所需的顯色性要求不高時(shí)，可只開(kāi)啟白光芯片節(jié)省能源，當(dāng)需要高顯色質(zhì)量時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景需求計(jì)算光譜配比，開(kāi)啟紅、綠、藍(lán)芯片，達(dá)到白光照明效果的同時(shí)，提升物體的色彩飽和度和保真度，達(dá)到更加優(yōu)質(zhì)的照明效果。除此之外還需設(shè)計(jì)新型光組件芯片驅(qū)動(dòng)芯片及控制接口，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)光組件的直接驅(qū)動(dòng)和控制。新型光組件結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 新型光組件結(jié)構(gòu)示意圖

5 光組件智能控制系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能控制系統(tǒng)主要由探測(cè)模塊、控制中心、設(shè)備節(jié)點(diǎn)和控制終端四大部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 新型光組件智能控制系統(tǒng)總體框架

智能照明系統(tǒng)控制中心由以太網(wǎng)模塊、移動(dòng)通信模塊、集中供電模塊和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模塊組成，是系統(tǒng)的核心部分。系統(tǒng)控制中心與控制終端以及各設(shè)備節(jié)點(diǎn)通信時(shí)都采用固定的通信協(xié)議。各項(xiàng)工作的具體實(shí)施由系統(tǒng)各設(shè)備節(jié)點(diǎn)來(lái)完成。系統(tǒng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)與控制中心通信，完成設(shè)備節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息匯報(bào)和系統(tǒng)控制命令具體操作的實(shí)施，結(jié)合照明環(huán)境的監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)照明的動(dòng)態(tài)控制，依據(jù)前期研究得到的光譜配比策略，將新型光組件的各芯片功率組成發(fā)給集中供電模塊，通過(guò)恒流驅(qū)動(dòng)發(fā)光模組。系統(tǒng)控制終端采通過(guò)網(wǎng)絡(luò)完成與系統(tǒng)控制中心的通信，從而獲取系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)信息、各設(shè)備節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，以及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制等。通過(guò)友好的交互體驗(yàn)完成對(duì)照明系統(tǒng)的控制與管理。

該智能光組件控制系統(tǒng)具有以下三個(gè)特點(diǎn)：

1）控制系統(tǒng)采用集中直流供電的方式為L(zhǎng)ED照明光組件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這樣的方式將簡(jiǎn)化新型光組件的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，不必為每一個(gè)光源配備一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。

2）系統(tǒng)的控制光組件的色彩變換是基于多維色彩質(zhì)量模型計(jì)算得到，能夠智能地根據(jù)設(shè)定場(chǎng)景控制照明環(huán)境的色溫、照度、顯色性等參數(shù)。

3）采用集中供電的方式，系統(tǒng)能有效地監(jiān)控照明場(chǎng)景的耗電情況，并且根據(jù)動(dòng)態(tài)的場(chǎng)景需求，調(diào)節(jié)照明效果，達(dá)到節(jié)能與舒適度的平衡。

6 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，半導(dǎo)體照明面臨著新的機(jī)遇，白熾燈禁限令正在全球多個(gè)國(guó)家推進(jìn)，國(guó)內(nèi)外政策環(huán)境日趨優(yōu)化，半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了黃金發(fā)展期。半導(dǎo)體技術(shù)將與微電子技術(shù)、傳感技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)照明智能化、人性化；而智能照明終端將與物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)融合，成為智慧家庭、智慧社區(qū)、智慧城市不可或缺的組成部分。研發(fā)多維色彩質(zhì)量模型的新型智能光組件及控制系統(tǒng)，是LED照明下游應(yīng)用中的核心技術(shù)，將極大促進(jìn)智能照明的發(fā)展。同時(shí)在提升產(chǎn)業(yè)技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量、光環(huán)境改善、節(jié)能減排等方面帶來(lái)巨大效果。