LED燈具的顏色控制

羅伯特·貝爾++施端

【摘 要】 解析LED燈具混色原理及顏色控制方式。

【關鍵詞】 LED；燈具；顏色；控制；DMX；HSL；HSV

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.04.003

近年來，固態LED照明燈具大量普及，筆者在此嘗試解析LED顏色技術的復雜性及其控制方式。

關于加法混色

LED燈具采用多個光源獲得各種色光和強度。對于演藝燈具行業，加法混色已是老生常談了。多年來，從業者采用帶濾色片的燈具來投射天幕上的同一區域，這種方式控制起來并不容易。筆者使用的首臺智能型燈具是一臺采用3個MR16光源的聚光燈，它們分別帶有紅色、綠色和藍色濾色片。早期，這類燈具只有3個DMX512控制通道，沒有獨立的強度控制通道。所以很難在調光過程中保持顏色不變。通常，電腦燈程序員還會設置一個“滅光換色”，以便輕易地熄滅燈具。當然，還有更好的方法，此處不再一一列舉。

顏色的控制與定義

如果使用者不用純粹的DMX值來控制智能型燈具，而用某種抽象的控制方式，就可以采用一個虛擬的強度值。即使制造廠家規定燈具使用3個DMX通道，抽象的控制方式也可分配4個手柄來控制：強度值和3個顏色參數。

此處筆者寫的是“3個顏色參數”，而非紅色、綠色和藍色，因為RGB只是描述顏色的一種方式。另一種描述方式是色調（hue）、飽和度（saturation）與亮度（luminance）——HSL（有人稱它為強度（intensity）或明度（lightness），而非亮度）。另一種描述是色調（hue）、飽和度（saturation）與明度（value）——HSV。Value（明度）也常被稱為brightness（亮度），它與luminance（亮度）相似。然而，HSL和HSV對于飽和度的定義差別很大。為簡單起見，筆者在本文中把色調定義為顏色，把飽和度定義為顏色的量。如果“L”被設為100%，那就是白色，0%是黑色，那么，50%的L則是飽和度為100%的純色。對于“V”，0%是黑色，100%是純色，此時飽和度值必須彌補其差別。

另一種有效的描述方式是CMY，它們是三原色，采用減法混色。如果起先發出白光，那么，可以利用2張濾色片來得到紅色：品紅色和黃色；它們分別移除白光中的綠色和藍色成分。通常，LED變色燈具不采用減法混色，但是這依然是一種描述顏色的有效方式。

從理論上講，當控制LED時，應該可以調節強度和RGB、CMY、HSL或HSV中的一個（它們之間存在一些差異）。

關于LED混色

人眼可以察覺波長為390 nm～700 nm的光。最初的LED燈具僅采用紅色（約630 nm）、綠色（約540 nm）和藍色（約470 nm）的LED。這3種顏色無法混合出人眼所能看到的每一種顏色。圖1是基于整個可見光譜之上提出的RGB模型的假定區域。

三角形的3個頂點分別落在高飽和度的紅色、綠色和藍色區域內。通過改變每個LED芯片發出的功率，可以得到色域內的任一顏色，但這僅僅是理論，其實，混色效果受到許多因素的影響。例如紅色、綠色和藍色的確切波長因燈而異，它們之間可能存在巨大差異。

色域不僅能描述色調，還能描述強度與飽和度。如果通過谷歌快速搜索“color gamut”（色域），則會看到圓、圓環、立方體、圓錐體，甚至水果形，所有這些圖形都試圖展示HSL的三維關系。

添加更多的顏色

隨著LED的技術革新、價格下降等變化，越來越多的廠家進入了這個市場。燈光設計師對這種新光源的期待越來越強，由此對于燈具的亮度和控制顏色一致性的要求也隨之提高。白色、琥珀色、青色和紫羅蘭等新的LED顏色問世。起初，最流行的組合方式是RGBA，即添加了琥珀色芯片。這使色域的形狀更像矩形，而非三角形。

另一變種是RGBW，它帶有寬光譜的白色LED。更有新的燈具在RGB基礎上添加了白色和琥珀色（RGBAW）。

隨著LED技術的不斷進步，芯片制造廠家還成功生產出了深紅色、青色和品藍色LED。這些顏色已應用于7色體系（深紅色、紅色、琥珀色、綠色、青色、藍色和品藍色），從而擴大了色域，可為設計師提供更多的顏色。

控制這么多的芯片可能很費力；每片芯片功率的多種組合方式都可獲得顏色空間中的同一色點。

如何控制這些LED

由于LED技術的進一步發展，控制也變得越來越復雜了?？上驳氖?，一些現代化的控制系統能以非常簡單的方式驅動任一類型的顏色體系。除強度外，使用者會得到不同的顏色參數：RGB、CMY、HSL和HSV。

筆者通過一個現實中的例子考察這些可能性。比方說，設計師做一部音樂劇，正采用混色燈具給天幕染色。舞臺上需要營造一個日落場景，設計師想從琥珀色變化到粉紅色。采用RGB顏色空間，cue 1為琥珀色（R=100%、G=60%、B=0%），cue 2為粉紅色（R=100%、G=0%、B=60%）。

對于任何一臺以RGB方式來定義顏色的燈光控制臺，圖3所顯示的變化過程正是設計師所得到的。琥珀色沿直線路徑變化到粉紅色，穿過稍顯淡雅的紅色。此時筆者寫的是“稍顯淡雅”，因為這種情況下，色點與色輪中心之間的距離表示顏色的飽和度，2個端點所連線段的中點離圓心更近了。但如果從粉紅色變化到綠色，在這個模型中，由于沿直線運動，恰好穿過白光。這可能是所需要的效果，也可能不是。

設計師可能要用另一種略有差別的方式來描述這2個cue。在圖4中，2個端點完全一樣：琥珀色和粉紅色。但是在本例中，顏色空間采用HSL。Cue 1是色調為10%的琥珀色（對于色調，百分數可賦予任意單位），cue 2是色調為90%的粉紅色。注意：如果以琥珀色為起點按逆時針方向旋轉，則得到紅色。endprint

該例中，在琥珀色變化到粉紅色的過程中，穿過的是與2個端點飽和度一樣的紅色區，因為它們到圓心的距離相等。這是沿弧線運動，而非直線。

如果采用其他方式來定義顏色空間，又會如何？比如對它做鏡像，當色點為琥珀色時，按逆時針方向運動，則先得到黃色，而非紅色。實際控制中，要得到紅色，必須走很長一段路。在圖5中，cue 1依然為琥珀色（10%的色調'），cue 2依然為粉紅色（90%的色調'）。它們的數值相同，只是出現在空間的不同位置。

由于這些都是純粹假設的顏色空間，筆者在原有的HSL后面加上一撇——HSL'。如果仔細閱讀上文，就會看到琥珀色的色調'被定義為10%。3個字母后面的這一撇表示對色輪做了鏡像。無論燈具采用何種主顏色體系（RGB、RGBA、RGBW或RGBAW），都可以在多個顏色空間（RGB、CMY、HSL、HSL'、HSV、HSV'）中編寫cue并實現過渡變化。

讓LED燈具看上去像白熾光源類燈具

市場中有些LED燈具偏琥珀色或偏紅色。當燈絲冷卻時（調暗），白熾光源類燈具會變得更紅，如同2 800 K的光，要比5 600 K的光看上去更紅。在實際工作中，人們是在假定燈具功率開足的情況下選擇顏色的，但是在劇場中使用者往往不會把燈開足使用，因此，通常在舞臺上看到的并非是3 200 K的光，更像是2 800 K的光，其實，當接近滅光時，景物的確變得相當紅。即使設計師使用了偏藍色調的色紙，也會有這種效果。

為使設計師能夠更好地結合使用LED舞臺燈具與常規燈具，制造廠家支持在低亮度端驅動更多紅色芯片。這種方式使常規燈具和固態燈具在極低亮度時所呈現出的顏色更加匹配。

精度

固態光源的響應時間是瞬間的，因此，如果停止驅動芯片，它們就停止發光。但調節LED亮度時會出現這樣的問題：以低精度方式控制時，在緩慢變光過程中，亮度看上去是跳變的，尤其在低亮度時更是如此。在改善低精度方式控制方面，早期的LED燈具無所作為，但近年來，先進的LED驅動器在其固件中添加了緩沖器，以減緩這種突變。

16位控制方式（同時采用2個數據段）是燈具制造廠家采用的另一種形式，它在不添加軟件緩沖器的狀態下，解決了緩慢變光過程中的跳變問題。這把任務轉移給控制臺，讓其發出大量數據，避免了過量采樣燈具中的數據，并預測了亮度的走勢。這種預測可以大大延緩LED燈具的響應時間，但如果此時設計師需要燈光隨音樂實現突變，就很難實現了。

曲線

有些LED燈具制造廠家已在其固件中設置了調光曲線。通常，調光器制造廠家可以讓使用者調整曲線，把所輸入的控制值轉化為調光器的實際功率輸出值。常見曲線有：線性、反向和平方曲線。當需要快速頻閃時，LED的瞬間響應時間效果很好。但如果它與常規燈具結合使用，那在按切光鍵時，看上去會很不自然。此時LED瞬間滅光，而大功率常規燈具的燈絲冷卻還需要一小段時間。有些制造廠家在LED燈具中設置了多條曲線，比如：快速（Quick）、標準（Standard）、線性（Linear）和鎢絲（Tungsten）仿真模式。這延緩了發送給LED驅動系統的控制值。

校準

當采用20臺LED燈具給天幕染色時，很容易察覺LED輸出的不一致性。為此，高端的固態燈具帶有內置的校準通道。這些通道可以降低或提升發送給每片芯片的控制值。通過調整每臺燈具的調色盤，使用者可以獲得LED輸出的一致性；如果某臺燈具總是比其他燈具更紅，那么，可以從整體上壓低紅色。多年來，筆者發現如果與一位挑剔的設計師合作，而這位設計師又不喜歡這種場景，那就必須不斷地調整它。因為設計師追求的是效果，實際的操作問題都只是借口。

相關色溫

國際照明委員會（CIE）對相關色溫（CCT——Correlated Color Temperature）的定義是：與具有相同亮度和既定觀察條件下刺激的顏色最相似的普朗克輻射體的溫度。筆者不是照明科學家，所以把它描述為：白光的顏色。

通常，相關色溫的單位采用開氏溫標（K）。為了便于理解，筆者給出常見白光的開氏溫標：蠟燭約為1 800 K，家用燈泡約為2 800 K，舞臺聚光燈約為3 200 K，日光約為5 600 K，電視屏幕可超過10 000 K。

具有變色功能的智能型燈具也能定義白光嗎？當然可以，但定義起來會有難度，因為有很多帶有色彩傾向的白光。為此，在對待具有CCT功能的混色燈具時可以再分配一個參數。對于任何一臺燈具，無論選用RGB、HSL或是HSV'來控制，都可以調撥到不同相關色溫的白光。如果想要純紅色，那么，白光的定義就顯得毫無意義了，因此，筆者忽略這一點。但使用者希望接近白光時，可以突然開通并驅動芯片，獲得定義的帶有某種色彩傾向的白光。簡單來說，在一臺三色LED燈具中，讓所有芯片處于滿功率運行可以得到白光，但同樣，對于另一個CCT不同的白光，驅動紅色芯片要比驅動藍色和綠色芯片略強一些。

圖6、圖7展示的是全色譜，但其圓心顯示了2種不同色彩傾向的白光。其中一個白光的CCT為3 200 K，另一個白光的CCT為6 000 K。

結語

控制LED燈具的顏色有一定難度，如果讀者綜合應用本文討論的所有控制方法，可能有100余種方法來讓LED燈具發出某一色光。雖然先進的抽象式控制系統有助于簡化某些任務，但如果沒有用心理解控制臺和燈具的功能以及它們之間如何相互作用，想在舞臺上獲得需要的效果，依然是一項很艱巨的任務。使用者選擇的系統應有助于呈現腦海中的畫面效果，并可方便快捷地在舞臺上獲得這種效果，以滿足設計師和觀眾對色彩的要求。

（本文編譯自美國《PROTOCOL》雜志2013年夏季刊《Color control of LED luminaires》一文。http：//na.plasa.org/publications/protocol.html。）

（編輯 張 翔）endprint

該例中，在琥珀色變化到粉紅色的過程中，穿過的是與2個端點飽和度一樣的紅色區，因為它們到圓心的距離相等。這是沿弧線運動，而非直線。

如果采用其他方式來定義顏色空間，又會如何？比如對它做鏡像，當色點為琥珀色時，按逆時針方向運動，則先得到黃色，而非紅色。實際控制中，要得到紅色，必須走很長一段路。在圖5中，cue 1依然為琥珀色（10%的色調'），cue 2依然為粉紅色（90%的色調'）。它們的數值相同，只是出現在空間的不同位置。

由于這些都是純粹假設的顏色空間，筆者在原有的HSL后面加上一撇——HSL'。如果仔細閱讀上文，就會看到琥珀色的色調'被定義為10%。3個字母后面的這一撇表示對色輪做了鏡像。無論燈具采用何種主顏色體系（RGB、RGBA、RGBW或RGBAW），都可以在多個顏色空間（RGB、CMY、HSL、HSL'、HSV、HSV'）中編寫cue并實現過渡變化。

讓LED燈具看上去像白熾光源類燈具

市場中有些LED燈具偏琥珀色或偏紅色。當燈絲冷卻時（調暗），白熾光源類燈具會變得更紅，如同2 800 K的光，要比5 600 K的光看上去更紅。在實際工作中，人們是在假定燈具功率開足的情況下選擇顏色的，但是在劇場中使用者往往不會把燈開足使用，因此，通常在舞臺上看到的并非是3 200 K的光，更像是2 800 K的光，其實，當接近滅光時，景物的確變得相當紅。即使設計師使用了偏藍色調的色紙，也會有這種效果。

為使設計師能夠更好地結合使用LED舞臺燈具與常規燈具，制造廠家支持在低亮度端驅動更多紅色芯片。這種方式使常規燈具和固態燈具在極低亮度時所呈現出的顏色更加匹配。

精度

固態光源的響應時間是瞬間的，因此，如果停止驅動芯片，它們就停止發光。但調節LED亮度時會出現這樣的問題：以低精度方式控制時，在緩慢變光過程中，亮度看上去是跳變的，尤其在低亮度時更是如此。在改善低精度方式控制方面，早期的LED燈具無所作為，但近年來，先進的LED驅動器在其固件中添加了緩沖器，以減緩這種突變。

16位控制方式（同時采用2個數據段）是燈具制造廠家采用的另一種形式，它在不添加軟件緩沖器的狀態下，解決了緩慢變光過程中的跳變問題。這把任務轉移給控制臺，讓其發出大量數據，避免了過量采樣燈具中的數據，并預測了亮度的走勢。這種預測可以大大延緩LED燈具的響應時間，但如果此時設計師需要燈光隨音樂實現突變，就很難實現了。

曲線

有些LED燈具制造廠家已在其固件中設置了調光曲線。通常，調光器制造廠家可以讓使用者調整曲線，把所輸入的控制值轉化為調光器的實際功率輸出值。常見曲線有：線性、反向和平方曲線。當需要快速頻閃時，LED的瞬間響應時間效果很好。但如果它與常規燈具結合使用，那在按切光鍵時，看上去會很不自然。此時LED瞬間滅光，而大功率常規燈具的燈絲冷卻還需要一小段時間。有些制造廠家在LED燈具中設置了多條曲線，比如：快速（Quick）、標準（Standard）、線性（Linear）和鎢絲（Tungsten）仿真模式。這延緩了發送給LED驅動系統的控制值。

校準

當采用20臺LED燈具給天幕染色時，很容易察覺LED輸出的不一致性。為此，高端的固態燈具帶有內置的校準通道。這些通道可以降低或提升發送給每片芯片的控制值。通過調整每臺燈具的調色盤，使用者可以獲得LED輸出的一致性；如果某臺燈具總是比其他燈具更紅，那么，可以從整體上壓低紅色。多年來，筆者發現如果與一位挑剔的設計師合作，而這位設計師又不喜歡這種場景，那就必須不斷地調整它。因為設計師追求的是效果，實際的操作問題都只是借口。

相關色溫

國際照明委員會（CIE）對相關色溫（CCT——Correlated Color Temperature）的定義是：與具有相同亮度和既定觀察條件下刺激的顏色最相似的普朗克輻射體的溫度。筆者不是照明科學家，所以把它描述為：白光的顏色。

通常，相關色溫的單位采用開氏溫標（K）。為了便于理解，筆者給出常見白光的開氏溫標：蠟燭約為1 800 K，家用燈泡約為2 800 K，舞臺聚光燈約為3 200 K，日光約為5 600 K，電視屏幕可超過10 000 K。

具有變色功能的智能型燈具也能定義白光嗎？當然可以，但定義起來會有難度，因為有很多帶有色彩傾向的白光。為此，在對待具有CCT功能的混色燈具時可以再分配一個參數。對于任何一臺燈具，無論選用RGB、HSL或是HSV'來控制，都可以調撥到不同相關色溫的白光。如果想要純紅色，那么，白光的定義就顯得毫無意義了，因此，筆者忽略這一點。但使用者希望接近白光時，可以突然開通并驅動芯片，獲得定義的帶有某種色彩傾向的白光。簡單來說，在一臺三色LED燈具中，讓所有芯片處于滿功率運行可以得到白光，但同樣，對于另一個CCT不同的白光，驅動紅色芯片要比驅動藍色和綠色芯片略強一些。

圖6、圖7展示的是全色譜，但其圓心顯示了2種不同色彩傾向的白光。其中一個白光的CCT為3 200 K，另一個白光的CCT為6 000 K。

結語

控制LED燈具的顏色有一定難度，如果讀者綜合應用本文討論的所有控制方法，可能有100余種方法來讓LED燈具發出某一色光。雖然先進的抽象式控制系統有助于簡化某些任務，但如果沒有用心理解控制臺和燈具的功能以及它們之間如何相互作用，想在舞臺上獲得需要的效果，依然是一項很艱巨的任務。使用者選擇的系統應有助于呈現腦海中的畫面效果，并可方便快捷地在舞臺上獲得這種效果，以滿足設計師和觀眾對色彩的要求。

（本文編譯自美國《PROTOCOL》雜志2013年夏季刊《Color control of LED luminaires》一文。http：//na.plasa.org/publications/protocol.html。）

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該例中，在琥珀色變化到粉紅色的過程中，穿過的是與2個端點飽和度一樣的紅色區，因為它們到圓心的距離相等。這是沿弧線運動，而非直線。

如果采用其他方式來定義顏色空間，又會如何？比如對它做鏡像，當色點為琥珀色時，按逆時針方向運動，則先得到黃色，而非紅色。實際控制中，要得到紅色，必須走很長一段路。在圖5中，cue 1依然為琥珀色（10%的色調'），cue 2依然為粉紅色（90%的色調'）。它們的數值相同，只是出現在空間的不同位置。

由于這些都是純粹假設的顏色空間，筆者在原有的HSL后面加上一撇——HSL'。如果仔細閱讀上文，就會看到琥珀色的色調'被定義為10%。3個字母后面的這一撇表示對色輪做了鏡像。無論燈具采用何種主顏色體系（RGB、RGBA、RGBW或RGBAW），都可以在多個顏色空間（RGB、CMY、HSL、HSL'、HSV、HSV'）中編寫cue并實現過渡變化。

讓LED燈具看上去像白熾光源類燈具

市場中有些LED燈具偏琥珀色或偏紅色。當燈絲冷卻時（調暗），白熾光源類燈具會變得更紅，如同2 800 K的光，要比5 600 K的光看上去更紅。在實際工作中，人們是在假定燈具功率開足的情況下選擇顏色的，但是在劇場中使用者往往不會把燈開足使用，因此，通常在舞臺上看到的并非是3 200 K的光，更像是2 800 K的光，其實，當接近滅光時，景物的確變得相當紅。即使設計師使用了偏藍色調的色紙，也會有這種效果。

為使設計師能夠更好地結合使用LED舞臺燈具與常規燈具，制造廠家支持在低亮度端驅動更多紅色芯片。這種方式使常規燈具和固態燈具在極低亮度時所呈現出的顏色更加匹配。

精度

固態光源的響應時間是瞬間的，因此，如果停止驅動芯片，它們就停止發光。但調節LED亮度時會出現這樣的問題：以低精度方式控制時，在緩慢變光過程中，亮度看上去是跳變的，尤其在低亮度時更是如此。在改善低精度方式控制方面，早期的LED燈具無所作為，但近年來，先進的LED驅動器在其固件中添加了緩沖器，以減緩這種突變。

16位控制方式（同時采用2個數據段）是燈具制造廠家采用的另一種形式，它在不添加軟件緩沖器的狀態下，解決了緩慢變光過程中的跳變問題。這把任務轉移給控制臺，讓其發出大量數據，避免了過量采樣燈具中的數據，并預測了亮度的走勢。這種預測可以大大延緩LED燈具的響應時間，但如果此時設計師需要燈光隨音樂實現突變，就很難實現了。

曲線

有些LED燈具制造廠家已在其固件中設置了調光曲線。通常，調光器制造廠家可以讓使用者調整曲線，把所輸入的控制值轉化為調光器的實際功率輸出值。常見曲線有：線性、反向和平方曲線。當需要快速頻閃時，LED的瞬間響應時間效果很好。但如果它與常規燈具結合使用，那在按切光鍵時，看上去會很不自然。此時LED瞬間滅光，而大功率常規燈具的燈絲冷卻還需要一小段時間。有些制造廠家在LED燈具中設置了多條曲線，比如：快速（Quick）、標準（Standard）、線性（Linear）和鎢絲（Tungsten）仿真模式。這延緩了發送給LED驅動系統的控制值。

校準

當采用20臺LED燈具給天幕染色時，很容易察覺LED輸出的不一致性。為此，高端的固態燈具帶有內置的校準通道。這些通道可以降低或提升發送給每片芯片的控制值。通過調整每臺燈具的調色盤，使用者可以獲得LED輸出的一致性；如果某臺燈具總是比其他燈具更紅，那么，可以從整體上壓低紅色。多年來，筆者發現如果與一位挑剔的設計師合作，而這位設計師又不喜歡這種場景，那就必須不斷地調整它。因為設計師追求的是效果，實際的操作問題都只是借口。

相關色溫

國際照明委員會（CIE）對相關色溫（CCT——Correlated Color Temperature）的定義是：與具有相同亮度和既定觀察條件下刺激的顏色最相似的普朗克輻射體的溫度。筆者不是照明科學家，所以把它描述為：白光的顏色。

通常，相關色溫的單位采用開氏溫標（K）。為了便于理解，筆者給出常見白光的開氏溫標：蠟燭約為1 800 K，家用燈泡約為2 800 K，舞臺聚光燈約為3 200 K，日光約為5 600 K，電視屏幕可超過10 000 K。

具有變色功能的智能型燈具也能定義白光嗎？當然可以，但定義起來會有難度，因為有很多帶有色彩傾向的白光。為此，在對待具有CCT功能的混色燈具時可以再分配一個參數。對于任何一臺燈具，無論選用RGB、HSL或是HSV'來控制，都可以調撥到不同相關色溫的白光。如果想要純紅色，那么，白光的定義就顯得毫無意義了，因此，筆者忽略這一點。但使用者希望接近白光時，可以突然開通并驅動芯片，獲得定義的帶有某種色彩傾向的白光。簡單來說，在一臺三色LED燈具中，讓所有芯片處于滿功率運行可以得到白光，但同樣，對于另一個CCT不同的白光，驅動紅色芯片要比驅動藍色和綠色芯片略強一些。

圖6、圖7展示的是全色譜，但其圓心顯示了2種不同色彩傾向的白光。其中一個白光的CCT為3 200 K，另一個白光的CCT為6 000 K。

結語

控制LED燈具的顏色有一定難度，如果讀者綜合應用本文討論的所有控制方法，可能有100余種方法來讓LED燈具發出某一色光。雖然先進的抽象式控制系統有助于簡化某些任務，但如果沒有用心理解控制臺和燈具的功能以及它們之間如何相互作用，想在舞臺上獲得需要的效果，依然是一項很艱巨的任務。使用者選擇的系統應有助于呈現腦海中的畫面效果，并可方便快捷地在舞臺上獲得這種效果，以滿足設計師和觀眾對色彩的要求。

（本文編譯自美國《PROTOCOL》雜志2013年夏季刊《Color control of LED luminaires》一文。http：//na.plasa.org/publications/protocol.html。）

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