大尺度媒體立面的光色偏差校正方法研究

李訓智，李 靜，胡韻萩，侯 磊

(1.北京清華同衡規(guī)劃設計研究院有限公司，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，在國內外重大活動的推動下，各城市涌現大量的大尺度媒體立面照明，推動建筑景觀照明由靜態(tài)、單一的形象向動態(tài)、豐富的情境快速轉變，既提升區(qū)域活力、豐富夜間活動，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量多、建設周期長、參與單位多、燈具品牌與批次多、設計要求不一、產品參數標準差異，以致不同時期、不同位置的實施效果普遍存在光色差異，在整體聯(lián)動中表現出不協(xié)調的畫面。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，并從流程和技術上初步探究色差校正方法。

1 大尺度媒體立面照明的現狀特征

1.1 建設特征

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、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(1 000 m)、遠(1 500 m以上)視點觀看幾十至幾百棟建筑立面統(tǒng)一聯(lián)動的燈光表演。

由于建筑數量多、建設規(guī)模大，當前各城市普遍采取分期、分主體、分標段的建設方式，各期的建設、設計、施工、監(jiān)理單位不全相同，設計效果與參數要求、質量控制標準也存在明顯差異，燈具品牌、類型、參數也差異明顯，最終統(tǒng)一表演的效果也不甚理想。

1.2 產品現狀

當前LED行業(yè)在燈具上缺少統(tǒng)一嚴格的標準，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、控制等參數存在明顯差異，批量安裝后效果差異較大，即使經過長時間、細致的現場調試，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LED直射光源如點光源、自發(fā)光線條燈等，不含建筑立面各類反射光。此外，還基于以下五個假設：

1)燈具處于穩(wěn)態(tài)下，不存在因溫度等導致的色漂移[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；

5)計算采用CIE1931-XYZ標準觀察者三刺激值，忽略個體差異[2]。

2.1 同色異譜原理

根據經典色度學與光度學理論[3-5]，對于特定標準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，由光源直接產生的，為光源色同色異譜；經過材料反射產生的，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人眼的三刺激值比例相同，且各刺激值與其對應的總刺激值的比值為該光源顏色的色度空間坐標(即色坐標)。由式(1)、式(2)可知，在同一色度空間中，兩個光源的三刺激值比相同，色坐標相同，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，色坐標數值相同，光色也不一致。

(1)

k為比例系數。

(2)

其中：xC、yC、zC為光源的色坐標，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結電子與空穴復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、透鏡材質等有關。

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

表1 國內外主要品牌LED基色光芯片主波長統(tǒng)計表(單位：nm)

a)光效較高、色彩混合相對豐富的(湖)藍色470 nm，多用于戶外景觀照明等大場景；

b)光效偏低、色彩混合更豐富的寶石藍色450 nm，主要用于室內外舞臺等小場景。

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

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

圖2 藍色光偏差示例(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的光的顏色，目前LED燈具多采用紅光、綠光、藍光進行混合?；旌瞎獾娜碳ぶ悼捎墒?3)計算，與“基色光的絕對光譜功率分布”及“各基色光的參與混合的比例”相關；其中絕對光譜功率分布函數SR(λ)、SG(λ)、SB(λ)與芯片的類型、功率有關；參與混色的比例系數α、β、γ與目標光的顏色與亮度、基色光參數、燈具/控制設備的伽馬校正函數、程序算法等有關，同時透鏡、面罩等也會產生一定影響。

(3)

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

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

α、β、γ為紅(R)、綠(G)、藍(B)參與混合的比例系數。

綜上，混合光的光色與基色芯片、燈具構造、控制設備都相關，主要為芯片的類型、功率，燈具的構造、發(fā)光效率(含透鏡、面罩等影響)與伽馬值，控制設備的程序算法、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)生相應的變化。促使一國在法律制度上趨同于另一個國家的法律，首先需要一國在觀念、原則、價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不現實，法律趨同必須擴大到具有不同法律文化背景的國家才能真正適應全球化帶來的“地球村”經貿合作。而要使法律文化相異的國家自主地在國內法層面相互趨同法律，就只能通過推動兩國在觀念、原則、價值體系上相互接近的方式進行，對此，我們只能借助法律認同的方式實現。

3 光色控制與偏差校正

3.1 流程控制

項目中，LED燈具的芯片類型與功率、燈具構造與發(fā)光效率等在出廠后就已經確定；如果燈具批量到場后發(fā)現存在光色偏差，很難通過返廠整改或替換達標產品來校正；一般只能通過調整燈具設備或控制系統(tǒng)的伽馬值、程序算法等，也可從動畫片源上進行彌補，盡量縮小色差對畫面的影響。

鑒于此，在項目流程的不同階段需進行先行量化控制，盡量降低調試難度。在技術深化階段，盡量對燈具的芯片類型與各色功率、燈具的構造與發(fā)光效率、燈具內控制設備等軟硬件參數進行細致嚴格設定；在產品遴選及批量進場階段，通過現場試燈與官方檢測機構的效果、光學、控制的復檢，避免下單采購不合格燈具；施工安裝完成后，燈具與控制設備提供方分別設定燈具與控制系統(tǒng)的各項參數，對于會影響效果的程序和算法進行二次開發(fā)，確?？刂葡到y(tǒng)指令的解析效果一致；整體聯(lián)動調試時應確保上墻動畫正確，而對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，進行動畫片源修正。

3.2 光色差異校正

3.2.1 基色光偏差

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

采用現場目視校正時，設定以470 nm為目標藍光，當待校正藍光的主波長低于470 nm時，可加入綠色光適當校正(如圖3右)；高于470 nm時，理論上可加入紅色光校正，但在要求不嚴格時可適當降低藍光亮度來近似匹配。

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

采用程序內算法校正時，首先由官方檢測機構實測目標藍光B與待校正燈具紅(R1)、綠(G1)、藍(B1)光的色坐標、色純度、絕對光譜功率分布函數值(從380～780 nm，按1 nm取值)等光度參數；其次依據實測的色坐標運用立體幾何法計算校正后藍光B2的色坐標；再結合絕對光譜功率分布值計算R1、G1、B1參與混光的比例系數α、β、γ，應注意當采用R1、G1、B2進行混光時，應對比例系數進行修正，避免綠光的功率超出上限(如圖4)；最后計算控制系統(tǒng)對應的控制指令值(R/G/B或r/g/b)，在計算中需考慮伽馬校正函數的影響，應確保燈具或控制系統(tǒng)僅設置一端伽馬校正值。

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

本例中，目標藍光(470 nm)在待校正燈具的基色三角形之外，所以校正結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“目標藍光B與等能白光E”和“待校正藍色B1與綠色G1(稱為校正線)”，在校正線上有兩個特殊的點，分別為“與BE的交叉點(簡稱交叉點)”和“與目標藍光B最近點(簡稱最近點)”。交叉點的主波長與目標藍光B一致，但色純度比最近點更小，當設計參數只規(guī)定主波長時，更容易達標；最近點的主波長介于目標藍光B與待校正藍光B1之間，色純度比交叉點大且更靠近目標點。經驗證，在基色光單向校正且目標光色在待校正燈具基色三角形之外時，最近點是校正線上相對最優(yōu)的點，但視覺上偏白，依舊不太理想。如果要進一步校正，可通過降低目標藍光B的色純度來匹配校正后藍光B2，以實現整體光色一致(即基色光雙向校正)，也可通過動畫片源來修正。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，當前主要通過現場目視修正。但隨著LED產業(yè)與智能技術的發(fā)展，算法校正會逐步成為混合光偏差的主要解決方案，在智慧城市或數字孿生的照明表現中逐漸得到更廣泛的應用。

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比較復雜，需通過編程進行批量數據處理；同時校正算法模型比較多，但核心是計算“新基色光R′、G′、B′的光譜三刺激值(比)”與“燈具基色光Ri、Gi、Bi轉換到新基色光R′、G′、B′對應的轉換系數”；以下的理論模型僅供參考：

1)由官方檢測機構實測所有燈具Ri、Gi、Bi的色坐標、色純度、絕對光譜功率分布數值等光度參數，即光學檢測的數據。

2)計算每款燈具i三基色光Ri、Gi、Bi所對應的三刺激值[XiYiZi]T；

(4)

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

xλ、yλ、zλ為CIE1931-XYZ標準觀察者三刺激值(行矩陣)。

3)根據各燈具i的實測色坐標，運用立體幾何法計算色域交集的新三基色R′、G′、B′的色坐標分別為(xR′,yR′,zR′)、(xG′,yG′,zG′)、(xB′,yB′,zB′)。

4)通過每款燈具i的三刺激值[XiYiZi]T計算燈具i基色光Ri、Gi、Bi轉換到新基色光R′、G′、B′對應的轉換系數分別為(αiR，βiR，γiR)、(αiG，βiG，γiG)、(αiB，βiB，γiB)；計算方式如下：

a)計算Ri轉換到R′的轉換系數(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對應三刺激值的和；

同理計算Gi轉換到G′與Bi轉換到B′的轉換系數(αiG，βiG，γiG)與(αiB，βiB，γiB)。經過式(5)、式(6)計算得到的三組轉換系數，每組內三個數值的比例關系確定，但三組之間的關系相對獨立性，需通過式(7)、式(8)建立三組間聯(lián)系。

b)計算R′、G′、B′對應的Y刺激值分別為YR′、YG′、YB′滿足：

(7)

(8)

聯(lián)立式(5)～(8)，當式(8)等于1時，計算出組間關聯(lián)的比例系數(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′，因此可計算出所有燈具i的轉換系數，但不同的燈具的轉換系數不同；如果某些燈具轉換系數代入式(8)大于1，需等比例縮小。

5)計算各燈具Ri、Gi、Bi的Y刺激值(3個值)的總和TSi，以亮度合適燈具b的TSb為基準，計算各燈具調節(jié)到燈具b亮度水平的比例系數ki；當部分燈具的亮度低于設計要求時，可設置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(r′，g′，b′)，各燈具i內Ri、Gi、Bi參與混合的比例系數(r，g，b)按照式(9)進行換算；當燈具或控制系統(tǒng)設定伽馬校正值時，需納入計算。

(9)

通過上述方法從理論上實現控制系統(tǒng)輸入相同的指令，媒體立面的燈具呈現相同的光色與亮度水平，降低調試的工作量，避免控制差異問題。但該方式技術要求較高，需要燈具與控制系統(tǒng)廠家技術人員配合編程開發(fā)，也要求燈具有客觀的實測光學數據、可修改儲存的IC芯片等。

4 結論

本文針對大尺度媒體立面普遍存在光色偏差情況，初步分析產生光色色差的原因和主要影響因素，建議從技術深化、現場試燈、產品檢測等層面進行細致嚴格的先行把控，盡量避免具有明顯差異的燈具進場安裝。對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]，針對基色光和混合光分別構建光色偏差校正的理論模型。當基色光存在色差時，可混入同一燈具中其他合適基色進行適當校正，但一般是無法實現完全匹配，且校正后的光色比目標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，實現畫面光色一致。混合光的算法校正的技術復雜，難度較大，但符合數據時代的技術路線，在智慧城市或數字孿生的照明表現中會逐步得到更廣泛的應用。

以上論述僅針對LED直射光源，對于部分媒體立面中參與表演的立面反射光，由于材質的多樣性與復雜性，不含在本次研究范圍內；文中的前四個假設在實際項目中無法忽略，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)進一步研究。