面向新型智能光組件的多維色彩質量評價體系及控制系統設計

廣東省標準化研究院□覃耀青

1 引言

二十一世紀以來，人們對生活品質提出了更高的要求，對照明系統的要求也不再局限于照明功能，換言之，現代照明系統除了提供日常生活所必須的照明功能之外，還應該具備滿足人類審美觀念、氛圍調節、健康需求等功能，諸如睡眠環境下燈光柔和度調節、娛樂場所下燈光效果調節、彩燈變換以及氛圍鼓動等方面的調節。照明不僅用來照亮生活，更需要滿足人們生理及心理上的感受，照明將從單純的“取光”變為營造應用需求的 “光環境”。現代照明系統功能已經不僅僅局限于提供基本照明，還應該能夠滿足不同人群、不同環境下對照明氛圍、照明亮度、照明效果及節能要求等方面的需求。

隨著近年來，LED光源和芯片技術不斷發展，它憑借高光效、長壽命、低功耗、豐富的色彩特性、便于靈活地進行控制以及環境友好等諸多優勢，已經占據了照明市場的半壁江山，LED智能照明產品更是層出不窮。照明行業、互聯網行業、家電行業及消費電子產品行業都推出各種能夠調光調色的LED照明產品及相關控制解決方案。但是目前的解決方案多以系統功能為研究目標開發組網模式、無線通信等相關技術，在最終控制策略上，則更偏向于用戶自定義，缺少應用端信息的采集和科學的理論支持，更缺少各系統間的數據通信和處理，仍停留在 “控制系統”的層面。

基于多維色彩質量模型開發新型智能光組件與控制系統，根本目的是以健康、舒適、人性化的照明為目標，利用傳感技術、通信技術、控制技術等手段，對照明進行全方位調節，營造最為舒適的環境。

2 面向新型光組件的色彩質量評估研究框架

基于色度學、色貌學理論，開展多維色彩質量評價模型研究，構建評價指標體系；開展三種以上光環境色彩質量需求分析研究，確定評價指標權重；開發新型智能光組件及控制系統，基于多維色彩質量評價指標體系，開發自動調節光組件光譜組成控制算法，并開發集中供電控制系統軟/硬件開發，最終形成一整套光環境智能控制解決方案。

針對視覺對于照明環境的色彩質量需求，研究照明色彩質量評價基礎理論。重點研究視覺色彩感知的量化方法和可用于評價照明光源光譜照明色彩質量的評價指數集以及相關權重；基于視覺心理實驗，研究視覺對于物體色彩的偏好差異，建立色彩偏好向量，并且根據視覺心理實驗結論驗證評價模型可靠性。最終形成照明色彩質量評價體系，并開發新型光組件與智能控制系統，應用于光環境的智能檢測與控制。具體包括：

1）視覺色彩特性量化基礎框架研究。在國內外照明色彩質量研究的基礎上，分析照明色彩對于視覺存在的效應；基于測試樣品位移法，對存在的重要的視覺色彩特性進行抽象量化；建立總體研究框架，明確各模塊研究路線及目標。

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

3）色彩偏好方向和位移距離研究。基于Judd在奉承指數 （Flattery Index）中的研究，基于視覺色彩實驗，并且以中國人為研究樣本，分析人們對于色彩的偏好方向與位移大小，得到色彩偏好向量集。并且將此向量集應用于色彩偏好指數中，在計算測試樣品色彩位移時考慮偏好向量對于評價指數的影響。

4）光環境色彩質量需求權重研究。基于視覺心理學實驗方法，分析影響光環境整體照明色彩質量的各視覺色彩特性之間的重要性程度，通過統計分析得到各指數的權重。

5）視覺心理學實驗設計。擬將視覺實驗分為光箱視覺實驗和光環境視覺實驗。借鑒國內外視覺心理學實驗設計，研究精確控制自變量方法和反應視覺色彩特性的實驗設計和量表設計。實驗主要分為：光源色彩保真實驗、色分辨能力實驗、色彩偏好實驗等，主要通過語義分化法設計視覺心理問卷。

6）高光效高色彩質量新型光組件光譜設計。根據以上研究得到的照明色彩質量評價模型，在Matlab平臺上實現評價模型計算函數，然后結合LED發光光譜仿真函數，通過數值計算方法，設計各類白光LED技術 （熒光粉、三基色、四基色）的高色彩質量高光效的光譜。

7）智能控制系統檢測模塊、終端控制、控制中心、通信模塊、集中供電模塊開發，及控制系統協議開發。

3 多維色彩質量評價模型研究

多維色彩質量模型是新型智能控制系統的核心，是實現終端控制策略上從用戶自定義轉變為系統自動控制的核心算法，其主要特點在于：

1）模型基于色度學和色貌學理論出發，提出多維色彩質量評價指數集。重點研究視覺色彩感知的量化方法和可用于評價照明光源光譜照明色彩質量的評價指數集。

2）結合不同照明應用場景對于光色質量的需求差異，全面評價照明光源、光環境的色彩質量，為智能控制提供科學、合理可靠的理論基礎。

多維色彩質量評價模型研究的技術路線，如圖1所示。

圖1 多維色彩質量評價模型研究技術路線圖

（1）視覺色彩特性量化模型

視覺對于照明光環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，從這些分類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；使用測試色彩樣品比較法，比較參考光源和待測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，對于與偏好向量同向的分量不應考慮到色差計算中，并且應該增加偏好數值等。抽象模型建立后，選擇合適的計算模塊具化模型，初步擬定選用CAM02均勻色空間，CAT02色適應變換，CIEDE2000色差計算公式，這些模型和公式廣泛應用在印刷、數字圖像處理等領域。

（2）視覺色彩偏好機理及向量模型

首先選取一個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。通過顯示器直接顯示的方法或者調節RGB混光照明的方法，使得色卡的顏色能夠連續的變化。實驗者以色卡色坐標為初始點，調節偏好的色彩位移，得到偏好的位移向量。在偏好指數的計算模型中，測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系。

（3）光環境照明色彩模型各評價指數權重

設計視覺心理實驗，讓被試者在一系列照明環境中對于光環境的自然、分辨、和諧、偏好等心理感受做出主觀評價，并且根據整體印象記下每個照明環境的總體評價得分，評分采用七級量表。然后使用層次分析法，要求被試者對于光環境的自然、分辨、和諧、偏好的重要性進行兩兩比較，得到判斷矩陣，將矩陣按列歸一化后計算其最大特征根所對應的特征向量，特征向量中的值則代表了四個評價指標對綜合評價的影響程度。然后對判斷矩陣進行一致性驗證，如果判斷矩陣不符合一致性則需要對數據進行調整。然后評價指數集配合權重計算光環境照明色彩質量的整體得分與之前的心理學主觀評分進行相關性分析。

（4）視覺心理實驗設計及模型可靠性驗證分析

照明色彩質量評價模型最終是評價視覺感受，因此需要通過視覺心理實驗進行驗證 （如圖2所示）。

圖2 視覺心理試驗顯色效果對比試驗

模型主要由保真指數、分辨指數、偏好指數與和諧指數組成，因此需要對四類指數分別設計視覺心理實驗，主要思路步驟如下：

1）保真指數驗證：被試者首先觀察參考光源環境，然后要求記住環境中物體與色樣的顏色，然后再觀察熒光燈和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行比較，使用標準量表評價感覺色差。每次更換光源都要進行色適應然后進行評價。

2）分辨指數驗證：本實驗采用顏色行業廣泛使用的FM-100色棋測試方法 （如圖3所示），此方法主要用于測試顏色工作者對于顏色的分辨能力，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，從而反應光源的照明效果的色分辨能力。采用的評估指標為總錯誤分數，分數越低表面當前光環境對工作者的色彩分辨能力更好。見公式 （1）。

圖3 FM-100色彩分辨能力視覺工效試驗

3）偏好指數驗證：隨機選取熒光燈和LED光源，然后按色溫分類，同一色溫檔下，對光源進行兩兩比較。采用語義分化法，選取幾組描述色彩偏好的反義詞組，并且對照明環境內的物品一一進行色彩偏好主觀評價。

4）和諧指數驗證：從孟塞爾色彩樣品中選取幾組色彩相對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應控制在二階麥克亞當橢圓內。被試者進行比較試驗和視覺評估試驗：比較試驗中，所有測試光源與參考光源進行比較，被試者要求選擇更和諧的一邊，選中的+1分；視覺評估試驗中，被試者直接對于色樣組的和諧程度進行評價，采用-5（代表完全不和諧）到+5（代表完全和諧）的11級量表。每一位被試者均進行所有光源和所有色樣組合的實驗，減少組間誤差。

得到以上視覺心理實驗后，需要對所有的實驗數據進行系統的整理和統計學分析，即對視覺感受數據與評價指數集得到的評價指數進行相關性分析與方差分析。相關性分析能夠得到評價指數與視覺感受之間的相關程度，從而反應模型的可靠性。方差分析得到視覺實驗中由各自變量和非可控變量對于視覺感受的影響，從而優化評價指數模型或權重，或者改進視覺實驗設計。

4 一種新型智能光組件結構

因光組件需要實現照明光環境的色溫、照度、色彩變化，因此需選用至少三種顏色的LED芯片組成的發光模組，如果為了實現色彩不變的情況下，達到顯色性按需求變化則發光模組必須包含四種不同顏色的LED芯片。例如，假設新型光組件包含紅、綠、藍、白四種顏色的芯片，當場景所需的顯色性要求不高時，可只開啟白光芯片節省能源，當需要高顯色質量時，系統將根據應用場景需求計算光譜配比，開啟紅、綠、藍芯片，達到白光照明效果的同時，提升物體的色彩飽和度和保真度，達到更加優質的照明效果。除此之外還需設計新型光組件芯片驅動芯片及控制接口，實現控制系統對光組件的直接驅動和控制。新型光組件結構示意圖見圖4。

圖4 新型光組件結構示意圖

5 光組件智能控制系統總體架構設計

智能控制系統主要由探測模塊、控制中心、設備節點和控制終端四大部分組成，系統結構如圖5所示。

圖5 新型光組件智能控制系統總體框架

智能照明系統控制中心由以太網模塊、移動通信模塊、集中供電模塊和無線網絡模塊組成，是系統的核心部分。系統控制中心與控制終端以及各設備節點通信時都采用固定的通信協議。各項工作的具體實施由系統各設備節點來完成。系統設備節點通過無線通信網絡與控制中心通信，完成設備節點的狀態信息匯報和系統控制命令具體操作的實施，結合照明環境的監測可實現照明的動態控制，依據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給集中供電模塊，通過恒流驅動發光模組。系統控制終端采通過網絡完成與系統控制中心的通信，從而獲取系統的相關參數信息、各設備節點的狀態信息，以及對系統進行控制等。通過友好的交互體驗完成對照明系統的控制與管理。

該智能光組件控制系統具有以下三個特點：

1）控制系統采用集中直流供電的方式為LED照明光組件進行驅動，這樣的方式將簡化新型光組件的結構和產品設計，不必為每一個光源配備一個驅動器。

2）系統的控制光組件的色彩變換是基于多維色彩質量模型計算得到，能夠智能地根據設定場景控制照明環境的色溫、照度、顯色性等參數。

3）采用集中供電的方式，系統能有效地監控照明場景的耗電情況，并且根據動態的場景需求，調節照明效果，達到節能與舒適度的平衡。

6 結束語

當前，半導體照明面臨著新的機遇，白熾燈禁限令正在全球多個國家推進，國內外政策環境日趨優化，半導體照明產業迎來了黃金發展期。半導體技術將與微電子技術、傳感技術融合，實現照明智能化、人性化；而智能照明終端將與物聯網、云計算、移動互聯網等技術融合，成為智慧家庭、智慧社區、智慧城市不可或缺的組成部分。研發多維色彩質量模型的新型智能光組件及控制系統，是LED照明下游應用中的核心技術，將極大促進智能照明的發展。同時在提升產業技術、產品質量、光環境改善、節能減排等方面帶來巨大效果。