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，人們對生活品質(zhì)提出了更高的要求，對照明系統(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)該具備滿足人類審美觀念、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)、娛樂場所下燈光效果調(diào)節(jié)、彩燈變換以及氛圍鼓動等方面的調(diào)節(jié)。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?yōu)闋I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)該能夠滿足不同人群、不同環(huán)境下對照明氛圍、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，LED光源和芯片技術(shù)不斷發(fā)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(jìn)行控制以及環(huán)境友好等諸多優(yōu)勢，已經(jīng)占據(jù)了照明市場的半壁江山，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)開發(fā)組網(wǎng)模式、無線通信等相關(guān)技術(shù)，在最終控制策略上，則更偏向于用戶自定義，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，對照明進(jìn)行全方位調(diào)節(jié)，營造最為舒適的環(huán)境。

2 面向新型光組件的色彩質(zhì)量評估研究框架

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

針對視覺對于照明環(huán)境的色彩質(zhì)量需求，研究照明色彩質(zhì)量評價(jià)基礎(chǔ)理論。重點(diǎn)研究視覺色彩感知的量化方法和可用于評價(jià)照明光源光譜照明色彩質(zhì)量的評價(jià)指數(shù)集以及相關(guān)權(quán)重；基于視覺心理實(shí)驗(yàn)，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(jù)視覺心理實(shí)驗(yàn)結(jié)論驗(yàn)證評價(jià)模型可靠性。最終形成照明色彩質(zhì)量評價(jià)體系，并開發(fā)新型光組件與智能控制系統(tǒng)，應(yīng)用于光環(huán)境的智能檢測與控制。具體包括：

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

2）量化模型各計(jì)算模塊影響因素分析。對于均勻色空間、色樣集合、色適應(yīng)變換、色差計(jì)算公式、參考光源選擇、折扣光源及視覺尺度線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，基于視覺色彩實(shí)驗(yàn)，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(yīng)用于色彩偏好指數(shù)中，在計(jì)算測試樣品色彩位移時(shí)考慮偏好向量對于評價(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)量的各視覺色彩特性之間的重要性程度，通過統(tǒng)計(jì)分析得到各指數(shù)的權(quán)重。

5）視覺心理學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。擬將視覺實(shí)驗(yàn)分為光箱視覺實(shí)驗(yàn)和光環(huán)境視覺實(shí)驗(yàn)。借鑒國內(nèi)外視覺心理學(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，主要通過語義分化法設(shè)計(jì)視覺心理問卷。

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)量評價(jià)模型，在Matlab平臺上實(shí)現(xiàn)評價(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)，通過數(shù)值計(jì)算方法，設(shè)計(jì)各類白光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)檢測模塊、終端控制、控制中心、通信模塊、集中供電模塊開發(fā)，及控制系統(tǒng)協(xié)議開發(fā)。

3 多維色彩質(zhì)量評價(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自定義轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)自動控制的核心算法，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)量評價(jià)指數(shù)集。重點(diǎn)研究視覺色彩感知的量化方法和可用于評價(jià)照明光源光譜照明色彩質(zhì)量的評價(jià)指數(shù)集。

2）結(jié)合不同照明應(yīng)用場景對于光色質(zhì)量的需求差異，全面評價(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)量評價(jià)模型研究的技術(shù)路線，如圖1所示。

圖1 多維色彩質(zhì)量評價(jià)模型研究技術(shù)路線圖

（1）視覺色彩特性量化模型

視覺對于照明光環(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，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(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價(jià)指數(shù)權(quán)重

設(shè)計(jì)視覺心理實(shí)驗(yàn)，讓被試者在一系列照明環(huán)境中對于光環(huán)境的自然、分辨、和諧、偏好等心理感受做出主觀評價(jià)，并且根據(jù)整體印象記下每個(gè)照明環(huán)境的總體評價(jià)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(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應(yīng)的特征向量，特征向量中的值則代表了四個(gè)評價(jià)指標(biāo)對綜合評價(jià)的影響程度。然后對判斷矩陣進(jìn)行一致性驗(yàn)證，如果判斷矩陣不符合一致性則需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。然后評價(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)主觀評分進(jìn)行相關(guān)性分析。

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

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

圖2 視覺心理試驗(yàn)顯色效果對比試驗(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，因此需要對四類指數(shù)分別設(shè)計(jì)視覺心理實(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)量表評價(jià)感覺色差。每次更換光源都要進(jìn)行色適應(yīng)然后進(jìn)行評價(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(yīng)光源的照明效果的色分辨能力。采用的評估指標(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(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，同一色溫檔下，對光源進(jìn)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(huán)境內(nèi)的物品一一進(jìn)行色彩偏好主觀評價(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)和視覺評估試驗(yàn)：比較試驗(yàn)中，所有測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；視覺評估試驗(yàn)中，被試者直接對于色樣組的和諧程度進(jìn)行評價(jià)，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(jìn)行所有光源和所有色樣組合的實(shí)驗(yàn)，減少組間誤差。

得到以上視覺心理實(shí)驗(yàn)后，需要對所有的實(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，即對視覺感受數(shù)據(jù)與評價(jià)指數(shù)集得到的評價(jià)指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析與方差分析。相關(guān)性分析能夠得到評價(jià)指數(shù)與視覺感受之間的相關(guān)程度，從而反應(yīng)模型的可靠性。方差分析得到視覺實(shí)驗(yàn)中由各自變量和非可控變量對于視覺感受的影響，從而優(yōu)化評價(jià)指數(shù)模型或權(quán)重，或者改進(jìn)視覺實(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)場景所需的顯色性要求不高時(shí)，可只開啟白光芯片節(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)用場景需求計(jì)算光譜配比，開啟紅、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)動芯片及控制接口，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對光組件的直接驅(qū)動和控制。新型光組件結(jié)構(gòu)示意圖見圖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、移動通信模塊、集中供電模塊和無線網(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)來完成。系統(tǒng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)通過無線通信網(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)測可實(shí)現(xiàn)照明的動態(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，通過恒流驅(qū)動發(fā)光模組。系統(tǒng)控制終端采通過網(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，以及對系統(tǒng)進(jìn)行控制等。通過友好的交互體驗(yàn)完成對照明系統(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LED照明光組件進(jìn)行驅(qū)動，這樣的方式將簡化新型光組件的結(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)控照明場景的耗電情況，并且根據(jù)動態(tài)的場景需求，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

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)國家推進(jìn)，國內(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)能減排等方面帶來巨大效果。