CN105606230A

CN105606230A - 一种精确获取光源相关色温的方法及系统

Info

Publication number: CN105606230A
Application number: CN201610056337.3A
Authority: CN
Inventors: 徐海松; 章夫正; 汪哲弘; 方竞宇
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2016-01-26
Filing date: 2016-01-26
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2036-01-26
Also published as: CN105606230B

Abstract

本发明公开了一种精确获取光源相关色温的方法及系统。在本方法及系统中，首先以倒数色温为依据在CIE？1960？UCS色品图获取并存储均匀分布的黑体色温及色品坐标数据；然后对输入的光源数据进行处理以获得光源的CIE？1960(u,v)色品坐标；最后通过缩小相关色温的搜索范围，并采用一种基于黄金分割搜索的最优化算法获取光源的相关色温；本发明解决了当前光源相关色温获取方法存在的不足，具有黑体色温及色品坐标数据存储量小且在CIE？1960？UCS色品图上均匀分布的优点，同时获取过程中未采用任何拟合方法，精度高，操作简便，计算成本低，且适用的光源色品坐标范围广。

Description

一种精确获取光源相关色温的方法及系统

技术领域

本发明涉及光源色表征的获取方法，尤其涉及一种精确获取光源相关色温的方法及系统。

背景技术

在照明工程有关行业中，相关色温是照明光源最为重要的评价参数，常用来交流和表征光源色。相关色温越低，光源色越偏红，反之，光源色越偏蓝，如通常所说的暖白和冷白则分别对应低相关色温和高相关色温。换句话说，光源的相关色温在一定程度上决定了光源自身的颜色特征。此外，获取光源的相关色温也是评估光源显色性时选择参考照明体的重要依据。因此，准确获取光源的相关色温具有十分显著的实际应用价值。

CIE在以(u’,2/3v’)坐标绘制的均匀色品图(即CIE1960UCS色品图)中，将离测试刺激色品坐标最近的黑体轨迹色品坐标所对应黑体温度定义为光源的相关色温。可见，获取光源相关色温的关键是在黑体轨迹上找到与光源色品坐标点最近的点。目前，获取光源相关色温的方法主要分为三类：1)预先存储一定色温间隔的黑体轨迹色品坐标数据，通过插值的方法获取光源的相关色温，插值获取的精度主要取决于存储的黑体轨迹色品坐标数据的多少，若要精确获得光源的相关色温，则需存储大量的黑体轨迹色品坐标数据，由此增加了存储成本，同时也降低了获取效率；2)同样预先存储一定色温间隔的黑体轨迹色品坐标数据，通过不断缩小搜索范围逐渐逼近获取光源相关色温的方法，主要是借鉴二分法的思想，但二分法在每次迭代过程中需额外计算两个新黑体色温点的色品坐标，增加了计算成本；3)通过多项式拟合的方法拟合黑体轨迹或者光源色品与相关色温间的关系，由于往往是在一定的色温范围内进行拟合，超出这一范围，获取精度会变得非常差，而拟合本身又会存在拟合误差，所以精度有限。

发明内容

本发明的目的在于克服已有光源相关色温获取方法的不足，并提供一种精确获取光源相关色温的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种精确获取光源相关色温的方法，包括如下步骤：

S1：获取和存储黑体色温及色品数据：在CIE1960UCS色品图上，以一定倒数色温间隔选取倒数色温，计算其对应黑体轨迹的CIE1960(u,v)色品坐标，并存储选取的倒数色温及对应黑体轨迹的CIE1960(u,v)色品坐标数据；

S2：输入及处理测试光源数据：将输入的测试光源数据转换成测试光源的CIE1960(u,v)色品坐标；

S3：色温优化：收缩色温搜索范围，采用一种基于黄金分割搜索的最优化方法获取测试光源的相关色温。

作为优选，所述的步骤S1中获取和存储黑体色温及色品数据的具体建立过程包括以下步骤：

S101：在50～625MK^-1(20000～1600K，1MK^-1＝10^-6K^-1)倒数色温范围内以25MK^-1为间隔选取24个倒数色温点，以尽可能保证在CIE1960UCS色品图上对应黑体轨迹的色品坐标均匀分布，并将选取的倒数色温点记为R_Ti，脚标Ti表示第i个倒数色温点；

选取的这一倒数色温范围覆盖了一般照明光源相关色温的实际使用范围，也可根据应用情况，合理扩大或缩小该范围以满足实际使用需求，而间隔的选取依赖于对获取效率的要求，可作相应的增大或减小；

S102：按照下式将步骤1)中各倒数色温点转换成以绝对温度表示的形式T_i；

T_{i} = \frac{10^{6}}{R_{T i}}

S103：根据普朗克方程计算步骤S102中各色温点T_i对应黑体辐射的光谱功率分布S(λ,T_i)，其中，λ为可见光波长；

S104：计算步骤S103中各光谱功率分布S(λ,T_i)对应黑体的CIE1931XYZ三刺激值(X_i,Y_i,Z_i)；

S105：计算步骤S104中各CIE1931XYZ三刺激值(X_i,Y_i,Z_i)对应黑体的CIE1960(u,v)色品坐标点(u_i,v_i)；

S106：将选取的各倒数色温点R_Ti和对应黑体的CIE1960(u,v)色品坐标(u_i,v_i)存储，完成黑体色温及色品数据的获取和存储。

作为优选，所述步骤S2中输入及处理测试光源数据具体包括以下几种情形：

S201：若输入的测试光源数据为测试光源的光谱功率分布，则需先由光谱功率分布计算测试光源的CIE1931XYZ三刺激值，然后再由其三刺激值获得测试光源的CIE1960(u,v)色品坐标(u_t,v_t)；

S202：若输入的测试光源数据为测试光源的CIE1931XYZ三刺激值，则需由其三刺激值获得测试光源的CIE1960(u,v)色品坐标(u_t,v_t)；

S203：若输入的测试光源数据为测试光源的CIE1931(x,y)色品坐标(x_t,y_t)，则需按照下式获得测试光源的CIE1960(u,v)色品坐标(u_t,v_t)；

u_{t} = \frac{4 x_{t}}{- 2 x_{t} + 12 y_{t} + 3}, v_{t} = \frac{6 y_{t}}{- 2 x_{t} + 12 y_{t} + 3}

S204：若输入的测试光源数据为测试光源的CIE1976(u’,v’)色品坐标(u_t’,v_t’)，则需按照下式获得测试光源的CIE1960(u,v)色品坐标(u_t,v_t)；

u_{t} = u_{t}^{'}, v_{t} = \frac{2}{3} v_{t}^{'}

S205：若输入的测试光源数据为测试光源的CIE1960(u,v)色品坐标(u_t,v_t)，则不作任何处理。

作为优选，所述步骤S3中色温优化具体步骤为：

S301：计算测试光源的CIE1960(u,v)色品坐标(u_t,v_t)与所述步骤S1中存储的各黑体轨迹CIE1960(u,v)色品坐标点(u_i,v_i)间的欧几里得距离，记为Δuv_i，并通过Min(Δuv_i)获得最小距离，记为Δuv_m，其中，Min表示求最小值，m表示第m个倒数色温点，把Δuv_m对应的黑体倒数色温记为R_Tm；

若m＝1，则[R_Tm,R_Tm+1]即为经过缩小处理后的测试光源相关色温的搜索范围；

若m＝24，则[R_Tm-1,R_Tm]即为经过缩小处理后的测试光源相关色温的搜索范围；

若m≠1且m≠24，则[R_Tm-1,R_Tm+1]即为经过缩小处理后的测试光源相关色温的搜索范围；

将上述经过缩小处理后的搜索范围对应的三种情形一并记为[R_To,R_Tp]，其中，R_To代表搜索范围的左端点，R_Tp代表搜索范围的右端点；

S302：在步骤S301中的[R_To,R_Tp]搜索范围内，按照下式确定两个倒数色温点，分别记为R_Ta和R_Tb；

R_Ta＝R_To+(1-s)(R_Tp-R_To)

R_Tb＝R_To+s(R_Tp-R_To)

式中为收缩系数，即黄金分割点；

S303：将步骤S302中的两个倒数色温点R_Ta和R_Tb分别依次按照所述的S102～S105获得R_Ta和R_Tb对应黑体轨迹的CIE1960(u,v)色品坐标，分别记为(u_a,v_a)和(u_b,v_b)，再分别计算这两点与测试光源的CIE1960(u,v)色品坐标点(u_t,v_t)间的欧几里得距离，分别记为Δuv_a和Δuv_b；

S304：若步骤S303中的Δuv_a<Δuv_b，则R_Tp＝R_Tb，R_Tb＝R_Ta，Δuv_b＝Δuv_a，R_Ta＝R_To+(1-s)(R_Tp-R_To)，并将R_Ta依次按照所述的S102～S105获得R_Ta对应黑体轨迹的CIE1960(u,v)色品坐标，记为(u_a,v_a)，再计算该点与测试光源的CIE1960(u,v)色品坐标点(u_t,v_t)间的欧几里得距离，记为Δuv_a；

若步骤S303中的Δuv_a≥Δuv_b，则R_To＝R_Ta，R_Ta＝R_Tb，Δuv_a＝Δuv_b，R_Tb＝R_To+s(R_Tp-R_To)，并将R_Tb依次按照所述的S102～S105获得R_Tb对应黑体轨迹的CIE1960(u,v)色品坐标，记为(u_b,v_b)，再计算该点与测试光源的CIE1960(u,v)色品坐标点(u_t,v_t)间的欧几里得距离，记为Δuv_b；

S305：若R_Tb-R_Ta>ε，则重复执行步骤S304，否则执行步骤S306，其中，ε表示终止条件，取决于对获取光源相关色温精度的要求；

S306：按照下式获取测试光源的相关色温T_t

T_{t} = \frac{2 \times 10^{6}}{R_{T a} + R_{T b}} .

在CIE1960UCS色品图中，测试光源的色品坐标到黑体轨迹各点的距离与黑体温度构成了一个单谷函数，该函数最小值所对应黑体的温度即为测试光源的相关色温，一种基于黄金分割搜索的最优化方法尤其适合于获取单谷函数的最小值，与基于二分法的思想相比，该方法每次迭代只需额外计算一个新坐标点，能够显著降低计算成本。

本发明的另一目的在于提供一种精确获取光源相关色温的系统，包括黑体色温及色品数据存储模块、光源数据输入及处理模块和色温优化模块，其中：

黑体色温及色品数据存储模块只需建立一次，便可重复使用，该模块用于存储在CIE1960UCS色品图上均匀分布的黑体轨迹色品坐标及其对应的倒数色温；

光源数据输入及处理模块用于输入和处理测试光源的光谱功率分布、三刺激值或其任意一种色品坐标数据；

色温优化模块用于缩小测试光源相关色温的搜索范围，并采用一种基于黄金分割搜索的最优化方法获取测试光源的相关色温。

本发明的有益效果是：本发明解决了当前光源相关色温获取方法存在的不足，所述方法严格遵循了CIE国际照明术语对于光源相关色温的定义，具有黑体色温及色品坐标数据存储量小且在CIE1960UCS色品图上均匀分布的优点，同时获取过程中未采用任何拟合方法，精度高，操作简便，计算成本低，且适用的光源色品坐标范围广。

附图说明

图1是本发明提供的获取光源相关色温方法及系统的流程图；

图2是本发明选取的30个测试色品坐标点在CIE1960UCS色品图中的分布；

图3是本发明选取的两个LED测试光源的相对光谱功率分布；

图4是本发明选取的24个黑体轨迹色品坐标点在CIE1960UCS色品图中的分布。

具体实施方式

以在等色温线上选取测试色品坐标点和实际的LED光源为例阐述本发明提供的光源相关色温获取方法的具体实施过程。需要说明的是，本发明并不局限于选取的色品坐标和光源类型，只要光源的相关色温处于黑体色温及色品数据存储模块中的色温范围之内均适用于本发明。

如图1所示，本发明提供的光源相关色温获取方法及系统包括黑体色温及色品数据存储模块、光源数据输入及处理模块和色温优化模块。

利用上述系统实现精确获取光源相关色温的方法，主要包括如下步骤：

下面以实施例对上述方法进行详细阐述，以更好地理解本发明的实质。

在CIE1960UCS色品图中，由1800K、2500K、3500K、4500K、5500K、6500K、8000K、10000K、15000K、20000K等10条等色温线上选取30个测试色品坐标，每条等温线均取3个测试色品坐标，其中一个色品坐标位于黑体轨迹上(即D_uv＝0)，其余两个色品坐标分别在黑体轨迹上方、下方并与黑体轨迹相距0.01处(即D_uv分别为0.01和-0.01)，图2为这些测试色品坐标点在CIE1960UCS色品图具体分布。另外，又选择了LumiledsLUXEONRebel系列的两个不同相关色温的白色LED光源，其中一个为暖白LED，另一个为冷白LED，图3为选取的LED测试光源的相对光谱功率分布，相对光谱功率分布为光谱辐射计KonicaMinoltaCS-2000实际测量并经归一化处理获得。

1.获取和存储黑体色温及色品数据的具体建立过程包括以下步骤：

选取的这一倒数色温范围覆盖了一般照明光源相关色温的实际使用范围，也可根据应用情况，合理扩大或缩小该范围以满足实际使用需求，而间隔的选取依赖于对获取效率的要求，可作相应的增大或减小。

S102：按照下式将步骤S101中24个倒数色温点转换成以绝对温度表示的形式T_i；

T_{i} = \frac{10^{6}}{R_{T i}}

S105：计算步骤S104中各CIE1931XYZ三刺激值(X_i,Y_i,Z_i)对应黑体的CIE1960(u,v)色品坐标(u_i,v_i)，图4为选取的24个黑体轨迹色品坐标点在CIE1960UCS色品图中的具体分布；

S106：将选取的24个倒数色温点R_Ti和对应黑体的24个CIE1960(u,v)色品坐标(u_i,v_i)存储，完成黑体色温及色品数据的获取和存储，存储的具体数据见下表。

i	R_Ti(MK^-1)	u_i	v_i
				1	50	0.18387	0.27715
2	75	0.18673	0.28509
				3	100	0.19031	0.29330
4	125	0.19462	0.30144
				5	150	0.19962	0.30923
6	175	0.20524	0.31649
				7	200	0.21142	0.32313
8	225	0.21807	0.32910
				9	250	0.22511	0.33440
10	275	0.23247	0.33904
				11	300	0.24010	0.34308
12	325	0.24792	0.34655
				13	350	0.25591	0.34951
14	375	0.26400	0.35200
				15	400	0.27217	0.35407
16	425	0.28039	0.35577
				17	450	0.28862	0.35714
18	475	0.29685	0.35823
				19	500	0.30504	0.35907
20	525	0.31319	0.35968
				21	550	0.32128	0.36012
22	575	0.32930	0.36038
				23	600	0.33723	0.36051
24	625	0.34507	0.36053

2.输入及处理测试光源数据的具体包括以下几种情形：

S201：若输入的测试光源数据为测试光源的光谱功率分布，则需先由光源的光谱功率分布计算测试光源的CIE1931XYZ三刺激值，然后再由其三刺激值获得测试光源的CIE1960(u,v)色品坐标(u_t,v_t)；

u_{t} = \frac{4 x_{t}}{- 2 x_{t} + 12 y_{t} + 3}, v_{t} = \frac{6 y_{t}}{- 2 x_{t} + 12 y_{t} + 3}

u_{t} = u_{t}^{'}, v_{t} = \frac{2}{3} v_{t}^{'}

由于在等色温线上选取的测试色品坐标均为CIE1960(u,v)色品坐标，所以不作处理；对于选取的两个白色LED光源先由光谱辐射计KonicaMinoltaCS-2000测量其光谱功率分布，然后按照步骤1)计算其CIE1960(u,v)色品坐标。由此，实施例中共选取了32个测试色品坐标点，并记为(u_t,k,v_t,k)，其中，k表示第k个测试色品坐标点。

3.色温优化的具体步骤为：

S301：分别计算32个测试光源的CIE1960(u,v)色品坐标(u_t,k,v_t,k)与黑体色温及色品数据存储模块中24个CIE1960(u,v)色品坐标点(u_i,v_i)间的欧几里得距离，记为Δuv_k,i，即表示第k个测试光源的CIE1960(u,v)色品坐标(u_t,k,v_t，k)与第i个黑体轨迹的CIE1960(u,v)色品坐标点(u_i,v_i)间的欧几里得距离，并通过Min(Δuv_k,i)获得最小距离，记为Δuv_k,m，其中，Min表示求最小值，m表示第m个倒数色温点；

若m＝1，则[R_Tk,m,R_Tk,m+1]即为经过缩小处理后的测试光源相关色温的搜索范围；

若m＝24，则[R_Tk,m-1,R_Tk,m]即为经过缩小处理后的测试光源相关色温的搜索范围；

若m≠1且m≠24，则[R_Tk,m-1,R_Tk,m+1]即为经过缩小处理后的测试光源相关色温的搜索范围；

将上述经过缩小处理后的搜索范围所对应的三种情形一并记为[R_Tk,o,R_Tk,p]，其中，R_Tk,o代表搜索范围的左端点，R_Tk,p代表搜索范围的右端点；

S302：在步骤S301中的[R_Tk,o,R_Tk,p]搜索范围内，按照下式确定两个倒数色温点，分别记为R_Tk,a和R_Tk,b；

R_Tk,a＝R_Tk,o+(1-s)(R_Tk,p-R_Tk,o)

R_Tk,b＝R_Tk,o+s(R_Tk,p-R_Tk,o)

式中为收缩系数，即黄金分割点；

S303：将步骤S302中的两个倒数色温点R_Tk,a和R_Tk,b分别依次按照所述的S102～S105获得R_Tk,a和R_Tk,b对应黑体轨迹的CIE1960(u,v)色品坐标，分别记为(u_k,a,v_k,a)和(u_k,b,v_k,b)，再分别计算这两点与测试光源的CIE1960(u,v)色品坐标点间的欧几里得距离，分别记为Δuv_k,a和Δuv_k，b；

S304：若步骤S303中的Δuv_k,a<Δuv_k,b，则R_Tk,p＝R_Tk,b，R_Tk,b＝R_Tk,a，Δuv_k,b＝Δuv_k,a，R_Tk,a＝R_Tk,o+(1-s)(R_Tk,p-R_Tk,o)，并将R_Tk,a依次按照所述的S102～S105获得R_Tk,a对应黑体轨迹的CIE1960(u,v)色品坐标，记为(u_k,a,v_k,a)，再计算该点与测试光源的CIE1960(u,v)色品坐标点间的欧几里得距离，记为Δuv_k,a；

若步骤S303中的Δuv_k,a≥Δuv_k,b，则R_Tk,o＝R_Tk,a，R_Tk,a＝R_Tk,b，Δuv_k,a＝Δuv_k,b，R_Tk,b＝R_Tk,o+s(R_Tk,p-R_Tk,o)，并将R_Tk,b依次按照所述的S102～S105获得R_Tb对应黑体轨迹的CIE1960(u,v)色品坐标，记为(u_k,b,v_k,b)，再计算该点与测试光源的CIE1960(u,v)色品坐标点间的欧几里得距离，记为Δuv_k,b；

S305：若R_Tk,b-R_Tk,a>ε，则重复执行步骤S304，否则执行步骤S306，其中，ε表示终止条件，本实例将其取为0.001，需要说明的是ε不限于0.001，可根据光源相关色温获取精度的要求进行设定；

S306：按照下式获取各测试光源的相关色温T_t,k。

T_{t, k} = \frac{2 \times 10^{6}}{R_{T k, a} + R_{T k, b}}

下表为最终获得的32个测试色品坐标对应光源的相关色温，表中将获取的相关色温数据均进行四舍五入并保留小数点后一位。其中，对于在等色温线上选取的测试色品坐标，其相关色温参照值为该等色温线所对应的相关色温，对于两个白色LED光源则以CS-2000实际测量的相关色温作为参照(即暖白LED-CS2000和冷白LED-CS2000)，相关色温预测值为采用本发明提供的光源相关色温获取方法得到的测试光源的相关色温。由该表可见，本发明提供的光源相关色温获取方法取得了十分优异的精度，且能够适用于广泛的测试色品分布范围。

Claims

1.一种精确获取光源相关色温的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的精确获取光源相关色温的方法，其特征在于，所述的步骤S1中获取和存储黑体色温及色品数据的具体建立过程包括以下步骤：

S101：在50～625MK^-1倒数色温范围内以25MK^-1为间隔选取24个倒数色温点，以尽可能保证在CIE1960UCS色品图上对应黑体轨迹的色品坐标均匀分布，并将选取的倒数色温点记为R_Ti，脚标Ti表示第i个倒数色温点；

T_{i} = \frac{10^{6}}{R_{T i}}

3.如权利要求1所述的精确获取光源相关色温的方法，其特征在于，所述步骤S2中输入及处理测试光源数据具体包括以下几种情形：

u_{t} = \frac{4 x_{t}}{- 2 x_{t} + 12 y_{t} + 3}, v_{t} = \frac{6 y_{t}}{- 2 x_{t} + 12 y_{t} + 3}

u_{t} = u_{t}^{'}, v_{t} = \frac{2}{3} v_{t}^{'}

4.如权利要求1所述的精确获取光源相关色温的方法，其特征在于，所述步骤S3中色温优化具体步骤为：

R_Ta＝R_To+(1-s)(R_Tp-R_To)

R_Tb＝R_To+s(R_Tp-R_To)

式中为收缩系数，即黄金分割点；

S306：按照下式获取测试光源的相关色温T_t

T_{t} = \frac{2 \times 10^{6}}{R_{T a} + R_{T b}} .

5.一种实现权利要求1所述方法的精确获取光源相关色温的系统，其特征在于，包括黑体色温及色品数据存储模块、光源数据输入及处理模块和色温优化模块，其中：

黑体色温及色品数据存储模块用于存储在CIE1960UCS色品图上均匀分布的黑体轨迹色品坐标及其对应的倒数色温；