CN108401314B - 基于极坐标的无极调光调色方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于极坐标的无极调光调色方法。本发明结合格拉斯曼混色原理，建立极坐标系下的色度和光度参量算法模型，将色度和光度量转换为两路PWM控制量，实现了亮度和色温的独立调节，可快速达到需设定的亮度和色温。并针对调光过程中出现的抖动和闪烁问题，给出了动态平滑调光机制，提升了调光体验感。相比于现有方法，本发明在调光准确度上有了很大的提升，并且算法实现复杂度低，具有很好的实用价值。

Description

基于极坐标的无极调光调色方法

技术领域

本发明涉及调光技术领域，具体为涉及一种基于极坐标的无极调光调色方法。

背景技术

国际照明委员会(CIE)用色调、亮度和饱和度这三个属性来描述颜色的综合指数——色品，色品图上不同的点表示了不同的色品。根据色度学相关理论，由色品图中任意两种颜色组合而成的新颜色，位于该两种颜色的线段上。根据格拉斯曼颜色混合定律，新颜色的色品取决于混光前各颜色的占比。

LED的色温由光源决定。光源不同，显色指数也不相同。根据光源的色温，可大致分成暖白光和冷白光。为了实现光照的调节，可采用LED调光技术，将若干不同颜色的LED光源进行组合，调节各个光源的光度参数，改变光照的色温和照度。

目前，LED常用的调光方式有模拟调光和脉宽调制(PWM)调光。模拟调光通过改变电路的电流大小，实现LED的亮度调节，电路实现简单。但是，由于电流的改变引起LED峰值波长变化，会造成发光不稳定，改变光源本身的显色指数和色温。PWM调光通过改变光源电流的通断时间，即通过占空比改变平均有效电流，从而实现LED亮度调节。PWM调光对光源本身的色温影响很小，几乎可以忽略不计。两种不同比例色温光源混光以后，理论上可调节出两种色温之间的所有色温值，具有稳定性高、可调幅度大和准确度高的优势，工程上多采用PWM调光。

现有的PWM调光调色技术主要有RGB三色混光技术和冷暖白光混光技术。RGB混光技术通过红、绿、蓝三种单色LED混光，生成白光。冷暖LED调光技术，将冷白光和暖白光混光，实现照度和色温的调节。作为实用的调光调色灯具，应当满足在对色温调节时，光度量不变；在对光度量调节时，色温值不变，实现两者之间的独立调节，才能调节光环境到人体舒适的照度和色温点。

浙江大学王纪永团队提出了两通道PWM调光调色的混光模型，将期望相关色温线结合CIE色品图等温线，由几何约束条件的交点得出期望色坐标，以此建立期望光色量与两通道占空比间的函数关系。该算法能定量地调制出期望照度和色温，利用PWM同时控制光源光度量和色度量的量化计算。但是在实际操作中，需要查阅和计算色品坐标，再汇总数据，运算复杂，内部控制消耗严重。不同色温对应占空比信息数据表进行存储消耗大量内存，难以处理在渐变调光中的短时间大量数据运算，可能引起延时、抖动等情况。

徐代升等人从光源本身参数出发，依据选用冷白LED光源和暖白LED光源光度色度参数，利用常用色温下的经验计算公式确定色品坐标，实现在确定光度量参数时，可计算得出每路通道占空比。此种算法减少了运算量，但是通过改变混色的冷暖光源占空比Dw和Dc实现色温调节，会造成色温调节下光度量改变，不能独立对色温和光度量进行调节。

李楠等人提出一种基于时间混色方式的照明光源系统控制算法，通过保持两路PWM控制信号相位交错，引入色温系数m和光度系数B参量，实现混色光源色温与亮度的独立调制。但是，由于此种算法需要两路PWM交错，减少了混光后光源色温和照度可调节范围。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于极坐标的无极调光调色方法，以解决上述背景技术中提出的问题和不足。

本发明通过光度参数和脉冲调制、色温参数和脉冲调制之间的函数关系，建立极坐标系，将色温和光度量转换为两路PWM控制量。此方法实现了在调节色温时，光度量保持恒定；在调节照度时，色坐标保持不变，即相关色温值也不变化。算法复杂度低、精度高且调节范围广，满足了工程使用方便。并针对调光过程中出现的抖动和闪烁等导致人眼不舒适的问题，给出了动态平滑调光调色机制，提升调光体验感。

本发明的有益效果是：可实现了亮度和色温的独立调节，可快速达到需设定的亮度和色温。解决了调光过程中出现的抖动和闪烁问题，调光过程均匀平滑，提升了调光体验感。相比于现有方法，在调光准确度上有了很大的提升，并且算法实现复杂度低，满足了工程使用方便。

附图说明

图1为本发明的同一直线上各点光度量值；

图2为本发明的极坐标系下同一直线上各点光度量值图；

图3为本发明的极坐标调光盲区图；

图4为本发明的动态平滑调光图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚明确的界定。

色温是光线中包含颜色成本的一个计量单位，指绝对黑体从绝对零度(-273℃)开始加热后呈现的颜色。根据CIE色度计算模型，可以建立确定目标色温对应色品坐标，Tamaru团队提出了色温计算公式：

T＝669A⁴-779A³+3360A²-7047A+5652 (1.1)

式(1.1)中T为计算得到的色温值，A为等色温线斜率倒数，计算公式为：

若目标色温T已经确定，根据式(1.1)，可确定等温线斜率倒数A的值。把计算得到的A值代入式(1.2)，可得到当前色品坐标关系式如式(1.3)所示。由于该条直线上，等温线斜率值相同，该直线也称之为等温线：

通过上述调色原理可以得出，如果已知冷白LED光源的色品坐标为(x_c，y_c)，暖白LED光源的色品坐标为(x_w，y_w)，则两种光源混合之后的色品坐标关系式可以表示为：

式子中，x_m∈[x_w,x_c]。

令联立(1.3)和(1.4)，则x_m可解得：

由之前的分析可知，如果当前混光的色品坐标为x_m，则y_m可由式(1.3)或式(1.4)计算得出，这里暂时不进行计算。

冷暖LED的通过两通道PWM来调节混光后光源的光度和色温。要解决的关键问题在于如何根据当前冷暖LED灯的光度、色度等光源参数，待调节混色后的光度和色度，最终计算得出每路通道对应的占空比，进行单路控制。

根据光通矩阵理论，PWM改变脉冲宽度时，LED冷暖白光本身的色度变化很小，几乎忽略不计。但是，光度量的变化却和PWM呈现正比例相关关系，即和最大光度量成正比，可用如下关系式进行表示：

Y＝DY_z (1.6)

式(1.6)中，Y_z为电源在满电流工作状态下的输出光度量，D为占空比，Y为实际输出光度量。

在已知冷暖LED每路通道光源输出最大光度量和占空比下，根据光通量叠加原理，可得出混合光的光度量：

Y_m＝D_cY_c+D_wY_w (1.7)

式(1.7)中，Y_c和Y_w分别是冷光通道和暖光通道在满电流下的输出最大光度量，D_c和D_w分别为冷光通道和暖光通道的PWM占空比，Y_m为混合后的输出光度量。

以冷暖LED灯的每路实际输出光度量为坐标，则混光后光源的光度量可用坐标点Y_m(D_cY_c，D_wY_w)进行。

根据色度学原理和上述分析可得，在确定色温参量时，色品坐标和冷暖LED光源的光度量Y_c和Y_w，可用式(1.8)表示：

于是有

根据光度计算条件可以计算得出：

根据式(1.7)和式(1.10)，可以得出每路通道的占空比为：

根据上述推导，已经获得混合色品坐标下的冷暖通道占空比。由式(1.11)可以得出，冷暖LED光度量比值为：

可以得出，当冷暖通道的光度量值确定时，x的色品坐标也确定。

在这里，选取冷暖光度量区域内，直线y＝kx(k>0)上的混光点A(D_c1Y_c1，D_w1Y_w1)，B(D_c2Y_c2，D_w2Y_w2)和C(D_c3Y_c3，D_w3Y_w3)，如图1所示。在直线y＝kx上的混光点，斜率恒定，即冷暖光的光度量值相同，可用公式表示为：

化简得出，在已知光度量区域内的直线斜率，可得出x的色品坐标为：

当斜率和光度量比值相同时，可以唯一确定x值。x确定后，y可唯一确定。即在同一直线上，斜率相同的点，色坐标相同，色温相同。

根据上述推导，当冷暖LED的色温和光度量在一条直线上时，可将色温和光度量作为调光维度。将双色灯的光度量和色温调节，转换为极坐标的半径和角度的关系问题，最后确定冷暖通道的PWM。

在平面内选取极点O，从O点出发作极轴OX轴，选取逆时针方向为正方向，单位线长作为单位光度量值。在极坐标内任意一点混合光M，可用M距离极点的长度OM和OM与极轴的夹角θ进行表示，用坐标表示为M(ρ，θ)，ρ＞0。变换关系如图2所示。

由上面的式(1.13)可知，当直角坐标系中K为常数时，此时，极坐标下的θ也为常数。因此，只需要保持极坐标系中点的角度θ值不变化，进行半径ρ的增减，就可以实现冷暖灯的亮度调节。

(1)光度量恒定下的色温调节

保持极坐标下的半径ρ不变，角度θ的变化，就可以实现冷暖光的色温调节。即混合光度量Y_m恒定，色坐标x改变。联立式(1.7)和式(1.15),可得如下计算式：

可以解出唯一x。D_c由可确定D_w的值。

(2)色温恒定下的光度量调节

保持θ角度不变化，进行半径ρ的增减，可实现冷暖光的光亮度调节。即冷暖通道的光亮度比值固定，色温保持恒定，联立式(1.13)和式(1.11)，可得如下计算式：

可以解出唯一D_c，再有由D_c由可确定D_w的值。依据上述推导，通过控制极坐标的角度和半径，可实现冷暖灯色温和光度量的单独控制。

根据式(1.7)，冷暖通道光度量取值Y₁∈[0,Y_c]，Y₂∈[0,Y_w]。而在极坐标系中，为了实现宽范围调光，半径ρ∈[0,Y_c+Y_w]。实际取值调光时，可能会出现Y_mc>Y_w或Y_mc>Y_c。

对极坐标调光范围区域进行分块，分成区域A、区域B、区域C和区域D四块，如图3所示。区域A和区域B内调光正常，区域C冷光光度量正常，而此时暖光光度量超出限定值Y_w。区域D暖光光度量正常，而此时冷光光度量超出限定值Y_c。为了避免调光盲区出现错误，对最后光度量取值作光度量极大值限定处理。如果出现暖光光度量超过Y_c，置位为Y_c。同理，对区域D的冷光光度量也做同样的限定处理。

LED的响应时间为纳秒级，响应速度超快，调光结果能迅速反映到灯具的光照之中。在调光时，如果两点之间的光度量和色温差异较大，而由于人眼对光线的敏感性，可能出现光线抖动、闪烁等情况，导致人眼视觉体验感不佳。如图4(a)所示，从点M调光到点N。若直接从点M沿直线到点N，暖光光度量D_wY_w不变，而冷光光度量D_cY_c调到0。

为了解决两个调光点色温和光度量差异较大而引起的光线抖动和闪烁问题，提出了平滑均衡调光机制。系统首先判断两调光点之间的色温和光度量差异，如果差异较大，构造等色温的中间点，先保持色温恒定下的光度量调节。适当延长调光时间，提供光线柔和变化时间。在光度量调节完成之后，再进行色温的调节。经过实际试验，将光照改变时间设置为1s，更适合人眼感受。同理，可采用同样的方式对构造等光度量点，进行平滑调光。该机制保证了光照强度和亮度均匀平滑地缓慢变化，实现灯光的柔和变化，提高了视觉体验感。

采用动态平滑调光对点M到点N进行调光，构造点M的等色温点G，如图4(b)所示。

(1)点M调光到点G：色温不变，改变光度量。

(2)点G调光到点N：光度量不变，改变色温。

本发明在基于极坐标调光调色算法的基础上，提出了动态平滑调光机制，解决两个调光点色温和光度量差异较大而引起的光线抖动和闪烁问题，提升人眼舒适度。系统整体调光效率高，具有良好的实用价值和应用前景。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.基于极坐标的无极调光调色方法，其特征在于该方法具体是：

根据CIE色度计算模型，建立确定目标色温对应色品坐标，色温计算公式：

T＝669A⁴-779A³+3360A²-7047A+5652 (1.1)

式(1.1)中T为计算得到的色温值，A为等色温线斜率倒数，计算公式为：

若目标色温T已经确定，根据式(1.1)，可确定等温线斜率倒数A的值；把计算得到的A值代入式(1.2)，可得到当前色品坐标关系式如式(1.3)所示：

通过上述调色原理可以得出，如果已知冷白LED光源的色品坐标为(x_c，y_c)，暖白LED光源的色品坐标为(x_w，y_w)，则两种光源混合之后的色品坐标关系式可表示为：

式子中，x_m∈[x_w,x_c]；

令联立(1.3)和(1.4)，

则x_m可解得：

如果当前混光的色品坐标为x_m，则y_m可由式(1.3)或式(1.4)计算得出；

根据光通矩阵理论，PWM改变脉冲宽度时，LED冷暖白光本身的色度变化很小，几乎忽略不计；但是，光度量的变化却和PWM呈现正比例相关关系，即和最大光度量成正比，可用如下关系式进行表示：

Y＝DY_z (1.6)

式(1.6)中，Y_z为电源在满电流工作状态下的输出光度量，D为占空比，Y为实际输出光度量；

在已知冷暖LED每路通道光源输出最大光度量和占空比下，根据光通量叠加原理，可得出混合光的光度量：

Y_m＝D_cY_c+D_wY_w (1.7)

式(1.7)中，Y_c和Y_w分别是冷光通道和暖光通道在满电流下的输出最大光度量，D_c和D_w分别为冷光通道和暖光通道的PWM占空比，Y_m为混合后的输出光度量；

以冷暖LED灯的每路实际输出光度量为坐标，则混光后光源的光度量可用坐标点Y_m(D_cY_c，D_wY_w)进行；

根据色度学原理和上述分析可得，在确定色温参量时，色品坐标和冷暖LED光源的光度量Y_c和Y_w，可用式(1.8)表示：

于是有

根据光度计算条件计算得出：

根据式(1.7)和式(1.10)，得出每路通道的占空比为：

根据上述推导，已经获得混合色品坐标下的冷暖通道占空比；由式(1.11)可以得出，冷暖LED光度量比值为：

可以得出，当冷暖通道的光度量值确定时，x的色品坐标也确定；

在这里，选取冷暖光度量区域内，直线y＝kx上的混光点A(D_c1Y_c1，D_w1Y_w1)，B(D_c2Y_c2，D_w2Y_w2)和C(D_c3Y_c3，D_w3Y_w3)，k>0；在直线y＝kx上的混光点，斜率恒定，即冷暖光的光度量值相同，可用公式表示为：

化简得出，在已知光度量区域内的直线斜率，可得出x的色品坐标为：

当斜率和光度量比值相同时，可以唯一确定x值；x确定后，y可唯一确定；即在同一直线上，斜率相同的点，色坐标相同，色温相同；

根据上述推导，当冷暖LED的色温和光度量在一条直线上时，可将色温和光度量作为调光维度；将双色灯的光度量和色温调节，转换为极坐标的半径和角度的关系问题，最后确定冷暖通道的PWM；

在平面内选取极点O，从O点出发作极轴OX轴，选取逆时针方向为正方向，单位线长作为单位光度量值；在极坐标内任意一点混合光M，可用M距离极点的长度OM和OM与极轴的夹角θ进行表示，用坐标表示为M(ρ，θ)，ρ＞0；

由上面的式(1.13)可知，当直角坐标系中K为常数时，此时，极坐标下的θ也为常数；因此，只需要保持极坐标系中点的角度θ值不变化，进行半径ρ的增减，就可以实现冷暖灯的亮度调节；

(1)光度量恒定下的色温调节

保持极坐标下的半径ρ不变，角度θ的变化，就可以实现冷暖光的色温调节；即混合光度量Y_m恒定，色坐标x改变；联立式(1.7)和式(1.15),可得如下计算式：

可以解出唯一x；由D_c可确定D_w的值；

(2)色温恒定下的光度量调节

保持θ角度不变化，进行半径ρ的增减，可实现冷暖光的光亮度调节；即冷暖通道的光亮度比值固定，色温保持恒定，联立式(1.13)和式(1.11)，可得如下计算式：

可以解出唯一D_c，再有由D_c可确定D_w的值；依据上述推导，通过控制极坐标的角度和半径，可实现冷暖灯色温和光度量的单独控制；

在进行冷暖灯色温或光度量调节过程中，需要判断两调光点之间的色温和光度量差异，如果差异较大，构造等色温的中间点，先保持色温恒定下的光度量调节；适当延长调光时间，提供光线柔和变化时间；在光度量调节完成之后，再进行色温的调节。