CN102438367B - 一种基于人眼感受亮度的线性化调光系统 - Google Patents

一种基于人眼感受亮度的线性化调光系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于视觉功效学的线性化调光系统，目的是提供一种基于人眼感受亮度的线性化调光系统，能够根据当前亮度、目标亮度、调光时间来计算调光曲线。本发明提出的线性化调光原理基于视觉功效学和心理物理学的研究结果，即感受亮度与实际亮度呈对数变化。通过建立调光电气参数、实际亮度、感受亮度这三者之间的对应关系，然后以感受亮度线性变化为目标，根据用户的参数设定，解算出电气参数的变化曲线。然后直接控制电气参数按照曲线变化，实现线性化调光。本发明可以使得在调光过程中感受亮度随时间线性变化，调光过程更加均匀柔和。可用于机舱等对照明要求较高的场合以及室内照明领域。

Description

一种基于人眼感受亮度的线性化调光系统
技术领域
本发明涉及一种基于感受亮度的线性化调光系统，可以应用于机舱等照明要求较高的场合以及室内照明领域。
背景技术
视觉是人体最重要的感觉之一，随着科技的进步和人民生活水平的提高，人们对照明的要求也从过去单一注重照度逐步提升到注重包括照度、舒适度、效率、非生物安全效应等在内的综合性因素。
恶劣的照明条件会使人眼适应性变差。如果照明系统不能有效控制和调节，容易使人产生视觉疲劳，甚至造成严重的后果。视觉工效学的研究表明，照明除了提供满足用户功能性视觉任务所需的光环境外，还可以通过生理、心理以及生物等多种方式影响人的生命节律以及健康状况。因此，合适的照明调光方法对于缓解视觉疲劳、增加照明舒适度、提高照明效率等有着重要的意义。
目前的调光往往通过手动旋钮或控制电气参数（如电压、占空比等）的直接改变来实现。这种调节带给人眼对亮度的感受往往是突变的、非线性的，频繁的突变容易使人眼感到不适或疲劳。工效学的研究表明，实际亮度与感受亮度之间存在差异。这种差异造成人眼在不同初始亮度值的条件下对于亮度变化量的敏感程度也是不同的。感受亮度与实际亮度之间呈现对数关系。比如在由暗到亮的过程中，若实际亮度线性增加，感受亮度开始增加得很快，后来却增加得很慢。
传统的手动调光或档位调光没有考虑这种现象，而本发明涉及的线性化调光系统考虑实际亮度和感受亮度的区别。它结合视觉工效学的有关理论，关注调光过程的柔和、均匀、缓变，使得感受亮度在调光过程中线性变化，是一种符合现代照明要求的调光系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于人眼感受亮度的线性化调光系统。能够根据当前亮度、目标亮度、调光时间来计算调光曲线，使得在调光过程中感受亮度随时间线性变化，调光过程更加均匀柔和。可用于机舱等对照明要求较高的场合以及室内照明领域。
本发明提出的线性化调光原理基于视觉功效学和心理物理学的研究结果，即感受亮度与实际亮度呈对数变化。通过建立调光电气参数、实际亮度、感受亮度这三者之间的对应关系，然后以感受亮度线性变化为目标，根据用户的参数设定，解算出电气参数的变化曲线。然后直接控制电气参数按照曲线变化，实现线性化调光。
本发明提出的基于人眼感受亮度的线性化调光系统，由光电特性采集器1、调光目标设定器2、调光曲线计算生成器3和调光执行器4组成，其中：光电特性采集器1和调光目标设定器2的输出端分别连接调光曲线计算生成器3的输入端，调光曲线计算生成器3的输出端连接调光执行器4的输入端； 
光电特性采集器1建立调光电气控制参数与实际亮度关系；
调光目标设定器2用于设定目标亮度值或目标电和调光过程所需时间；
调光曲线计算生成器3根据收到的电气参数与实际亮度关系，以及目标亮度值和调光过程所需的时间，建立基于感受亮度的线性化调光曲线；
调光执行器4根据所述调光曲线计算生成器3生成的基于感受亮度的线性化调光曲线，改变调光镇流器或驱动器的控制量，执行调光过程。
本发明中，所述光电特性采集器建立调光电气控制参数与实际亮度关系，具体步骤为：
选取好控制参数以后，启动光电特性采集器，在参数变化范围内取点，改变参数取值，逐点测量光源的实际亮度，结果记录，数据可以通过多次测量求均值得到，且测量的数据点尽量多一些，根据结果拟合控制参数与实际亮度的关系；一旦拟合完成则将结果保存以便长期使用，直到更换光源或用户需要校正曲线时再重新测量。
本发明中，调光曲线计算生成器建立基于感受亮度的线性化调光曲线具体步骤如下：
1）   通过传感器可以测得光源实际亮度的初始值                                                
Figure 2011103266893100002DEST_PATH_IMAGE001
或者电气参数的初始值
Figure 434637DEST_PATH_IMAGE002
，目标亮度
Figure 2011103266893100002DEST_PATH_IMAGE003
是用户的设定值，计算感受亮度的初始值和目标值
Figure 2011103266893100002DEST_PATH_IMAGE005
；
2）   计算感受亮度变化速率：
Figure 627120DEST_PATH_IMAGE006
，得到感受亮度随时间变化的曲线
 ，  
Figure 405852DEST_PATH_IMAGE008
                   (4)
3）   将(4)式代入(3)式，得到电气参数随时间的变化关系：
             
Figure 2011103266893100002DEST_PATH_IMAGE009
                    (5)
其中是已经拟合得到的已知函数；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
是亮度的绝对阈限，是一个常数；
Figure 91621DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 116078DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 388182DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 814484DEST_PATH_IMAGE012
是根据传感器测量和用户设定的目标计算得到的已知量；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
是用户设定的值；
Figure 801157DEST_PATH_IMAGE014
 与韦伯分数有关的一个常数；(5)式中除了
Figure 125959DEST_PATH_IMAGE016
以外所有的参量都已知，可以由PC机或者其它控制器根据用户的设定和预先拟合的函数关系
Figure DEST_PATH_IMAGE017
直接计算得到。
本发明提出的基于视觉功效学的调光具有以下明显优点：
(1)调光过程中感受亮度线性变化，人眼感受舒适，调光过程均匀、柔和。
(2)对于一定级数的数字调光，不会出现在亮度水平较低时调光级数不够，在亮度水平较高时精度浪费的现象。
(3)线性化调光过程中实际亮度为指数变化，相比传统调光使实际亮度直线变化的方式，对于相同的亮度始末值，线性化调光过程中每一时刻的实际亮度都低于传统调光方式，照明效率更高。
附图说明
图1是本发明的系统结构图。
图2是本发明的调光原理图。
图3是本发明的调光实现图。
图4是本发明涉及的光源亮度与电气控制参数对应图。
图中标号：1为光电特性采集器，2为调光目标设定器，3为调光曲线计算生成器，4为调光执行器。
具体实施方式
以下结合附图详细描述本发明的原理和过程。根据费希纳定律，心理感受量与物理刺激强度呈对数关系
Figure 308810DEST_PATH_IMAGE018
 ，式中
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为绝对阈限， 
Figure 324039DEST_PATH_IMAGE020
为韦伯分数是一个常数,心理感受量为
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 684876DEST_PATH_IMAGE022
为物理刺激量得绝对值。将上式运用到视觉，则感受亮度
Figure 480662DEST_PATH_IMAGE021
与实际亮度
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为对数关系。因此若将实际亮度按照指数曲线来调节，则感受亮度将线性变化，如图2、图3所示。
根据费希纳定律，可以按照以下步骤建立线性化调光系统。由光电特性采集器1、调光目标设定器2、调光曲线计算生成器3和调光执行器4组成，其中：光电特性采集器1和调光目标设定器2的输出端分别连接调光曲线计算生成器3的输入端，调光曲线计算生成器3的输出端连接调光执行器4的输入端。具体步骤为：
1、选取控制参数
首先根据不同的灯具选取不同的控制参数，比如荧光灯可以通过控制电压
Figure 274394DEST_PATH_IMAGE024
来调光，而LED则通过控制电流
Figure DEST_PATH_IMAGE025
来调光或改变脉冲宽度（占空比
Figure 347392DEST_PATH_IMAGE026
）实现PWM调光。
2、光电特性采集器建立调光电气控制参数与实际亮度关系
选取好控制参数以后，启动光电特性采集器1。在参数变化范围内取点，改变参数取值，逐点测量光源的实际亮度，结果记录如图2所示（图2所示以控制参数是光源的电压为例）。为了尽量减小误差，图2中的数据可以通过多次测量求均值得到，且测量的数据点尽量多一些。根据图2的结果拟合控制参数与实际亮度的关系以控制参数为电压为例，拟合关系为式（1）。
Figure DEST_PATH_IMAGE027
                                      (1)
 其中：L为实际亮度，V为控制电参数（电压）；
一旦拟合完成则将结果保存以便长期使用，直到更换光源或用户需要校正曲线时再重新测量。
3、编辑调光目标设定器2，读取用户的调光目标。假设某种光源的控制参数是控制电压
Figure 941447DEST_PATH_IMAGE024
，用户的调光目标是：在时间T内，光源的亮度由当前亮度
Figure 162213DEST_PATH_IMAGE001
变化到
Figure 562232DEST_PATH_IMAGE003
。记光源的亮度由
Figure 365103DEST_PATH_IMAGE001
变到
Figure 690911DEST_PATH_IMAGE003
过程中，对应的感受亮度从
Figure 900438DEST_PATH_IMAGE004
变到
Figure 87837DEST_PATH_IMAGE005
，电气控制参数（以电压为例）由
Figure 197744DEST_PATH_IMAGE002
变到
Figure 190059DEST_PATH_IMAGE012
。
4、调光曲线计算生成器建立基于感受亮度的线性化调光曲线
根据费希纳定律感受亮度与实际亮度的关系为                            
Figure 198466DEST_PATH_IMAGE028
                          (2)
由（1）（2）式可得， 
Figure DEST_PATH_IMAGE029
                      (3)
（3）式即为拟合得到的光源的控制参数与感受亮度之间的函数关系。计算基于感受亮度的线性化调光曲线如下：
7）            通过传感器可以测得光源实际亮度的初始值或者电气参数的初始值
Figure 842385DEST_PATH_IMAGE002
，目标亮度
Figure 509996DEST_PATH_IMAGE003
是用户的设定值，根据(2)式计算感受亮度的初始值
Figure 740120DEST_PATH_IMAGE004
和目标值
Figure 285633DEST_PATH_IMAGE005
；
8）            计算感受亮度变化速率：
Figure 104553DEST_PATH_IMAGE006
，得到感受亮度随时间变化的曲线
 ，                     (4)
9）            将(4)式代入(3)式，得到电气参数随时间的变化关系：
Figure 760422DEST_PATH_IMAGE009
                    (5)
(5)式即为“基于感受亮度的线性化调光曲线”，其中
Figure 433849DEST_PATH_IMAGE010
是已经拟合得到的已知函数；
Figure 204447DEST_PATH_IMAGE011
是亮度的绝对阈限，是一个常数，；、和
Figure 824412DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 21038DEST_PATH_IMAGE012
是根据传感器测量和用户设定的目标计算得到的已知量；
Figure 900001DEST_PATH_IMAGE013
是用户设定的值；
Figure 325429DEST_PATH_IMAGE014
 与韦伯分数有关的一个常数。因此(5)式中除了
Figure 786497DEST_PATH_IMAGE016
以外所有的参量都已知，可以由PC机或者其它控制器根据用户的设定和预先拟合的函数关系
Figure 340975DEST_PATH_IMAGE017
直接计算得到。
5、调光执行器执行线性化调光
当用户指定目标亮度（或目标电气控制参数）和调光时间后，调光曲线计算生成器首先按照（5）式计算光源的电气控制参数随时间的变化，生成“基于感受亮度的线性化调光曲线”，根据该曲线，调光执行器改变调光镇流（驱动）器的控制量，执行调光过程。

Claims (1)

1.一种基于人眼感受亮度的线性化调光系统，其特征在于由光电特性采集器(1)、调光目标设定器(2)、调光曲线计算生成器(3)和调光执行器(4)组成，其中：光电特性采集器(1)和调光目标设定器(2)的输出端分别连接调光曲线计算生成器(3)的输入端，调光曲线计算生成器(3)的输出端连接调光执行器(4)的输入端； 
光电特性采集器(1)建立调光电气控制参数与实际亮度关系；具体步骤为：选取好控制参数以后，启动光电特性采集器，在参数变化范围内取点，改变参数取值，逐点测量光源的实际亮度，结果记录，数据通过多次测量求均值得到，且测量的数据点尽量多一些，根据结果拟合控制参数与实际亮度的关系；拟合关系为式（1）
Figure 171499DEST_PATH_IMAGE001
                                      (1)
 其中：L为实际亮度，V为控制电参数（电压）；
一旦拟合完成则将结果保存以便长期使用，直到更换光源或用户需要校正曲线时再重新测量；
调光目标设定器(2)用于设定目标亮度值或目标电气控制参数和调光过程所需时间；
调光曲线计算生成器(3)根据收到的电气参数与实际亮度关系，以及目标亮度值和调光过程所需的时间，建立基于费希纳定律的线性化调光曲线；
调光执行器(4)根据所述调光曲线计算生成器(3)生成的基于感受亮度的线性化调光曲线，改变调光镇流器或驱动器的控制量，执行调光过程；
其中：调光曲线计算生成器建立基于感受亮度的线性化调光曲线，具体步骤如下：
(1)、通过传感器测得光源实际亮度的初始值 
Figure 521097DEST_PATH_IMAGE002
或者电气参数的初始值
Figure 995941DEST_PATH_IMAGE003
，目标亮度
Figure 86256DEST_PATH_IMAGE004
是用户的设定值，计算感受亮度的初始值
Figure 330156DEST_PATH_IMAGE005
和目标值
Figure 644462DEST_PATH_IMAGE006
；
(2)、计算感受亮度变化速率：，得到感受亮度随时间变化的曲线
Figure 235030DEST_PATH_IMAGE008
 ，                     (4) 
根据费希纳定律中感受亮度与实际亮度的关系：
Figure 36554DEST_PATH_IMAGE010
                          (2)
并结合（1）式可拟合得到光源的控制参数与感受亮度之间的函数关系：
Figure 548307DEST_PATH_IMAGE011
                      (3)
(3)、将(4)式代入(3)式，得到电气参数随时间的变化关系：
             
Figure 980426DEST_PATH_IMAGE012
                    (5)
其中
Figure 933338DEST_PATH_IMAGE013
是已经拟合得到的已知函数；
Figure 855027DEST_PATH_IMAGE014
是亮度的绝对阈限，是一个常数；、
Figure 764918DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 837917DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 868189DEST_PATH_IMAGE015
是根据传感器测量和用户设定的目标计算得到的已知量；是用户设定的值；
Figure 862876DEST_PATH_IMAGE017
 与韦伯分数有关的一个常数；(5)式中除了
Figure 790381DEST_PATH_IMAGE018
以外所有的参量都已知，由PC机或者其它控制器根据用户的设定和预先拟合的函数关系直接计算得到。
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