CN113703500B - 一种基于多基色光谱叠加过程的环境光照模拟方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本专利公开一种基于多基色光谱叠加过程的环境光照模拟方法，所述方法包括：步骤一、获取目标参数，获取待模拟的目标环境的参数；步骤二、根据所述目标参数，筛选出组合成多个目标参数的多个单通道拟合子波；其中所述筛选包括采用公式：求得；步骤三、基于筛选出的多个单通道拟合子波确定每个单通道拟合子波所对应的基色光源及其驱动参数。通过上述方法能够准确模拟环境光源的光谱分布。
Description
技术领域
本专利属于图像处理技术领域，具体而言涉及一种基于多基色光谱叠加过程的模拟方法和装置。
背景技术
LED光源因其环保、节能、使用寿命长、色彩丰富等优点，或作为信号指示灯用或作为照明光源使用，广泛应用在各行各业。家用照明方面，随着大健康、智能家具、健康照明等新词的出现，人们对家用照明灯光也有了新的要求，如要求色温、亮度等可调，甚至可实现智能控制等。商业照明方面，大型商场中的品牌服饰店、珠宝店、手机等消费电子展示旗舰店等对能够忠实再现色彩的环境照明也要求越来越高，如照明灯光的显色指数不低于85等。成像技术与影像复制行业相对要求更高，摄像头相关行业对成像设备成像色彩标定中要求光源的光谱符合标准、如符合国际照明协会规定的标准光谱功率分布等；影像复制行业对照明环境的要求，显色指数CRI大于95等。新业态的新需求，推动了以LED为基色的混合光源技术的发展，市场上出现了2基色、4基色等色温及亮度可调的光源，不同程度上满足了部分市场的需求。
近几年来，以LED为基色的多通道混合光源研究，提出上了日程，该技术发展目标趋向于模拟日光光谱的应用技术开发：1)为满足成像技术领域标准光色标定的使用，需要一款科学级的光源，该光源需光谱可调，光谱范围不仅仅在380-780nm的可见光范围内，应拓展到红外940nm更甚者到1050nm；2)为满足健康照明、智能照明等的使用需求，光源的色温及亮度需智能可调，模拟日光色温从早到晚的变化，如色温的调节范围需实现1600-25000范围等；3)为满足影像再现与复制业的标准化照明环境的需求，光源光谱功率分布需符合CIE A、B、C、D50、D55、D65、D75等标准光源的规定，显色指数不低于90，且能提供的照度不低于3000Lux等。
以LED为基色的混合色光光源，主要目的是实现色温与亮度可调，可以分为两种：一种是以色坐标为目标值的匹配方式，另一种是以光谱为目标的匹配方式。色坐标的匹配方式是同色异谱色，目前主要有两基色、四基色的等。两基色混光是指参与混合的基色由2个LED灯组成，如冷白LED和暖白LED的混合，混合色光的色温调节范围只能在两个基色色温之间。四基色混光是指参与混合的基色由4个LED灯组成，如RGB+白色(暖白或者冷白)，相对于两基色的来说，四基色混合显色指数得到提高，色坐标的匹配精度提高很多，且色温调节范围广，由于匹配同一色温时的四基色系数解不唯一，导致光谱不固定或者光谱分布范围不理想。以光谱为目标的匹配方式期望同色同谱匹配，参与混合的基色需要多个，如有采用11、14、15通道的方案，通过优选不同峰值波长的LED，波长范围350-700nm或者400-730nm，实现光谱功率分布可调。多通道混光在硬件上需要优选基色LED，需要解决多少个、单个的分布范围如何等。多通道混光在软件上需要开发光谱匹配的算法，光谱匹配精度是一个挑战，需要统筹LED基色的光谱的分布属性，同时也受限于LED光谱的分布状态。多通道混光的方式相对于低通道的来说，解决了显色指数低、色坐标匹配精度低、色温误差大等问题，并且从概念上实现了光谱配光的模拟，是目前光源配色技术的一个研究方向和解决方案。
依照色度学计算理论，两基色混合色光的色温只能在两个基色色温之间，匹配同一色温时，所用基色的份数不变，解是唯一的，但有时偏离黑体轨迹远，色差大于0.005，不满足国标对色坐标精度的要求，显色指数低，适合于普通家用照明使用。
四基色的相对于两基色的来说，显色指数可以提高，色坐标的匹配精度也提高很多，且色温调节范围广，匹配黑体色坐标时，若配置循环校正算法，色坐标可距离黑体轨迹很近，视觉上光色较好，且大多情况可以满足国标精度的要求，但匹配同一色温或者色坐标时，参与混色的基色可能有多组系数，解不唯一，光谱难以固定。
以光谱为目标的匹配方式期望同色同谱匹配，参与混合的基色需要多个，如10多个，无论是基色的选择还是匹配光谱的算法难度都很大。并且受到现有LED基色光谱的限制，以较高精度实现CIE标准光源光谱分布匹配的算法或者产品较少。目前多通道LED色光混合的方式可完成CIE标准光源的匹配，但与CIE A、CIE B、CIE D系列等光谱曲线的差别仍十分明显，并且受限于可选的LED数量和基色光谱分布特性，还不能或很难完成日光光谱的模拟。
发明内容
鉴于此，为解决上述技术问题或部分技术问题，本专利提出一种一种基于多基色光谱叠加过程的环境光照模拟方法和装置，以通过多个通道模拟环境光的光谱特性。
为了解决上述技术问题，本专利提供的技术方案包括：
一种基于多基色光谱叠加过程的环境光照模拟方法，其特征在于，所述方法包括：步骤一、获取目标参数，获取待模拟的目标环境的参数；步骤二、根据所述目标参数，筛选出组合成多个目标参数的多个单通道拟合子波；其中所述筛选包括采用公式：
求得；式中，y表示目标光谱；x表示单通道光谱的波形；ai bi ci是系数，其中ai不可以是负值；i从1到n，表示通道数量；ai值的物理意义是可以表示参与混色基色的比例，bi值的物理意义是可以表示参与混色基色通道的峰值位置，ci值的物理意义是可以表示参与混色基色通道的带宽；步骤三、基于筛选出的多个单通道拟合子波确定每个单通道拟合子波所对应的基色光源及其驱动参数。
优选地，在所述步骤三中，判断每一个所述一级拟合子波是否有对应的单通道基色光源，如果不存在对应的单通道，则以该一级拟合子波为目标参数，筛选出下一级拟合子波，重复此过程直到得到与所有一级子波对应的单通道及该单通道的驱动参数。
优选地，判断每一个所述一级拟合子波是否有对应的单通道基色光源包括判断该拟合子波的光谱数据范围与单通道基色光源范围的重叠程度是否在预定的范围之内。
优选地，所述方法还包括单通道线性校正步骤，所述单通道线性矫正步骤包括：S001获取单通道的基色数据，所述基色数据包括从最小值到最大值驱动信号下的基色灯的照度值或光谱功率分布参数；在首次进行线性化矫正时，记录单通道的电源控制器从0开始按照一定的驱动信号步长输送直流电给单通道基色灯，直至基色灯达到最亮状态，使用环境光测量传感器记录每一个步长发光状态的照度或光谱功率分布参数，按照对应关系记录成表；对于非首次进行线性化矫正时，截取环境光传感器最低照度值反应时的步长值为线性化数据的起始值，然后按照此步长值依次调整电流并记录相应的照度值或光谱功率分布的峰值，直到截取环境光传感器出现第一个最大照度值反应时记录的数据作为线性化数据的终值；S002根据单通道的基色数据确定步长值与照度值或步长值与照度值或光谱功率分布参数的线性函数关系。
优选地，所述方法还包括：步骤四、确定模拟方案的模拟精度是否在预定范围之内；如果模拟精度超出了预定范围，则调整步骤二的公式参数重新进行步骤二至步骤四。
以及一种基于多基色光谱叠加过程的环境光照模拟装置，其特征在于，所述装置包括：目标参数获取模块，用于获取目标参数，获取待模拟的目标环境的参数；拟合子波筛选模块，用于根据所述目标参数，筛选出组合成多个目标参数的多个单通道拟合子波；其中所述筛选包括采用公式：求得；式中，y表示目标光谱；x表示单通道光谱的波形；ai bi ci是系数，其中ai不可以是负值；i从1到n，表示通道数量；ai值的物理意义是可以表示参与混色基色的比例，bi值的物理意义是可以表示参与混色基色通道的峰值位置，ci值的物理意义是可以表示参与混色基色通道的带宽；基色光源确定模块，用于基于筛选出的多个单通道拟合子波确定每个单通道拟合子波所对应的基色光源及其驱动参数。
优选地，在所述基色光源确定模块中，判断每一个所述一级拟合子波是否有对应的单通道基色光源，如果不存在对应的单通道，则以该一级拟合子波为目标参数，筛选出下一级拟合子波，重复此过程直到得到与所有一级子波对应的单通道及该单通道的驱动参数。
优选地，判断每一个所述一级拟合子波是否有对应的单通道单通道基色光源包括判断该拟合子波的光谱数据范围与单通道基色光源范围的重叠程度是否在预定的范围之内。
优选地，所述装置还包括单通道线性矫正模块，所述单通道线性矫正模块包括：获取单通道的基色数据，所述基色数据包括从最小值到最大值驱动信号下的基色灯的照度值或光谱功率分布参数；在首次进行线性化矫正时，记录单通道的电源控制器从0开始按照一定的驱动信号步长输送直流电给单通道基色灯，直至基色灯达到最亮状态，使用环境光测量传感器记录每一个步长发光状态的照度或光谱功率分布参数，按照对应关系记录成表；对于非首次进行线性化矫正时，截取环境光传感器最低照度值反应时的步长值为线性化数据的起始值，然后按照此步长值依次调整电流并记录相应的照度值或光谱功率分布的峰值，直到截取环境光传感器出现第一个最大照度值反应时记录的数据作为线性化数据的终值；根据单通道的基色数据确定步长值与照度值或步长值与照度值或光谱功率分布参数的线性函数关系。
优选地，所述方法还包括：精度确定模块，用于确定模拟方案的模拟精度是否在预定范围之内；如果模拟精度超出了预定范围，则调整拟合子波筛选模块的公式参数重新运行拟合子波筛选模块、基色光源确定模块和精度确定模块。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本专利方法的流程图
图2是光源匹配过程的流程图
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为便于对本申请实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本申请实施例的限定。
在本具体实施例中，所述方法优选采用计算机程序实现，因此，本实施例也可以理解为一种虚拟装置，即使用模块对应具体方法步骤来表述的虚拟装置。所述基于多基色光谱叠加过程的环境光照模拟系统还包括数据处理装置。
本具体实施方式的方法包括如下步骤：
单通道线性矫正步骤
在本具体实施方式中，所述通道是某一具体的光谱，在物理上通过具有相同光谱特性的灯，例如在光源中理论上或者目标上发射具有相同光谱特性的光的灯的集合来实现与该通道对应的硬件。
在本实施例中，所述单通道线性矫正步骤，对每个通道分别进行线性矫正。所述线性矫正是指使得对应于所述通道的光源的输入驱动电流和输出光谱特性呈现大致线性的变化关系。通过对于单通道的线性化矫正能够实现基于光源输入信号来调节光源的输出特性。因此所述单通道线性校正步骤是系统运行的初始化步骤，是系统运行稳定和准备的前提。依据匹配的环境光参数，优选能够模拟环境光光谱功率分布的基础通道，才能构建应用场景。基色通道线性化是建立基色通道硬件与智能匹配算法之间的基础数据。
在本具体实施方式中，所述单通道线性矫正步骤的具体工作过程包括：
S001获取单通道的基色数据，所述基色数据包括从最小值到最大值驱动信号下的基色灯的照度值或光谱功率分布参数
在本步骤中，优选地可以采用如下具体的操作来实现，例如，在首次进行线性化矫正时，记录单通道的电源控制器从0开始按照一定的驱动信号步长输送直流电给单通道基色灯，直至基色灯达到最亮状态，使用环境光测量传感器记录每一个步长发光状态的照度或光谱功率分布参数，按照对应关系记录成表。
对于非首次进行线性化矫正时，截取环境光传感器最低照度值(大于0)反应时的步长值为线性化数据的起始值，然后按照此步长值依次调整电流并记录相应的照度值或光谱功率分布的峰值，直到截取环境光传感器出现第一个最大照度值反应时记录的数据作为线性化数据的终值。
S002确定线性化关系，根据单通道的基色数据和进行线性化的步长值确定步长值与照度值或者光谱功率分布的线性函数关系
在本步骤中，优选地，可以根据如下两种情况实现，首先绘制步长值与照度值或者光谱功率分布的峰值之间曲线，如果曲线是线性的，拟合线性函数作为基色的线性化关系；如果曲线是非线性的，建立步长值与照度值或者光谱功率分布的峰值的查找表，步长之间的数据使用临近插值求解，作为基色的线性化关系。
由此对每个通道逐一进行线性化关系建立。
虽然光源需要进行线性化，但是线性化并不是每一次运行本专利的方法时都需要运行的，因为线性化耗时较长因此可以在一定时间段内对基色光源进行一次线性化，或者在选择光源安装时就选择已经进行了线性化矫正后的光源。
目标光谱自动匹配步骤
用于匹配目标光谱的输出，该模块用于优选出基色通道，调用线性化的数据，以所匹配的环境光光谱和照度为目标值求得最优的拟合光谱。目标光谱自动匹配模块的工作过程包括：
S101获取目标参数
在本步骤中，获取待模拟的目标环境的参数。可以通过输入的方式来获取目标参数，例如通过输入的方式获取目标光谱以及目标照度值、色温、显色指数等参数；也可以通过系统配置的环境光传感器测量获取目标光谱以及目标照度值、色温、显色指数等参数。
目标参数是模拟相关环境的目标值。确定目标参数后，就可以在接下来根据目标参数来调配相应的光源，实现匹配。
S102根据所述目标参数，筛选出多个一级拟合子波
然后优选出基色通道，将目标光谱使用基色优选方案算法分解出最佳的基色通道组合，记录各基色组合的比例系数。
核心算法：
式中，y表示目标光谱，ai bi ci是系数，其中ai不可以是负值；i从1到n，表示通道数量。算法的原理是以高斯函数组成小波，对目标光谱进行分解，得到一级小波分解参数，包括高斯函数的数量，高斯函数的系数。ai值的物理意义是可以表示参与混色基色的比例，bi值的物理意义是可以表示参与混色基色通道的峰值位置，ci值的物理意义是可以表示参与混色基色通道的带宽。
S103判断每一个所述一级拟合子波是否有对应的单通道，如果不存在对应的单通道，则以该一级拟合子波的参数作为目标参数，筛选出下一级拟合子波，重复此过程直到得到与所有一级子波对应的单通道及该单通道的驱动参数。
如图2所示，在本步骤中进行基色模拟，其主要目标是，a)管理LED基色通道的数量，自定义基色通道；b)依据目标光谱，推荐最佳基色叠加过程。光谱基色优先技术路线。
鉴于LED基色的带宽较窄，一级小波分解的结果可能存在超宽带宽的情况存在，需要进行二级小波分解，如此循环一次，可以得到多级分解系数。还原目标光谱时，需将分解过程进行逆运算，从最小的分解开始叠加，最后得到目标光谱的逼近光谱。x为单通道光谱的波形。
在本步骤中，将上一级子波作为目标参数，分解得到组成上一级子波的下一级子波的算法和步骤S102中相同，即，以高斯函数组成小波，对目标光谱进行分解。因此在本步骤中不再详细描述。
即，目标光谱的分解与拟合过程表现为树状结构。
然后确定基色输入值，各基色通道比例系数与目标照度相乘，得到各基色参与混合光时所需的照度，调用基色线性化关系或查找表，求解各基色线性化的步长值。
再确定电源控制器输入值，依据线性化过程中的电源控制器电流与线性化步长值，确定电源控制器输入直流电的数值。
S104确定模拟方案的模拟精度是否在预定范围之内
筛选出来的基色光源与理论上计算得到的子波在光谱参数上有一定的区别。因此需要模拟光源的模拟效果，以确定模拟方案是否能够达到预定的目标。
在本步骤中，使用上文所述的核心算法的逆运算得到模拟出来的结果。在本步骤中，使用电源控制器输送预计算的电流值，输出各基色光谱，将各基色光谱相加，输出目标光谱。最后评价环境光模拟精度，评价光谱误差，计算拟合光谱与目标光谱的RMSE评价曲线精度或同色异谱指数，数值越小精度越高；依据拟合的光谱计算模拟环境光的色温、色坐标，分别与目标环境的色温差和色差，依据行业标准，要求色温误差在100K以内、色坐标DeltaUV小于0.005等。
如果没达到要求，可重复S101-S103步骤，优化基色组合，致使达到使用需求。也可以适度调节基色光源，然后通过动态调节的方式来达到目标光源的要求。
采用上述方案对于CIE标准光源A、B、C、D50、D55、D65、D75进行光谱模拟的一种结果可以参考下表所示：
在一级分级的情况下即可模拟CIE标准光源的光谱，其中采用的全光谱基色还可以进行二级分解，分解为窄带基色。如需要平滑的光谱使用全光谱基色，如需要锐利的光谱继续进行二级分解，采用窄带组合。表中绘制“---”的位置，是本技术方案的优选方案的体现，可以用表中其他窄带基色替换。
专业人员可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于多基色光谱叠加过程的环境光照模拟方法，其特征在于，所述方法包括：步骤一、获取目标参数，获取待模拟的目标环境的参数；步骤二、根据所述目标参数，筛选出组合成多个目标参数的多个单通道拟合子波；其中所述筛选包括采用公式：
求得；式中，y表示目标光谱；x表示单通道光谱的波形；ai、bi和ci是系数，其中ai不可以是负值；i从1到n，表示通道数量；ai值的物理意义是可以表示参与混色基色的比例，bi值的物理意义是可以表示参与混色基色通道的峰值位置，ci值的物理意义是可以表示参与混色基色通道的带宽；步骤三、基于筛选出的多个单通道拟合子波确定每个单通道拟合子波所对应的基色光源及其驱动参数；
在所述步骤三中，判断每一个一级拟合子波是否有对应的单通道基色光源，如果不存在对应的单通道，则以该一级拟合子波为目标参数，筛选出下一级拟合子波，重复此过程直到得到与所有一级子波对应的单通道及该单通道的驱动参数；
判断每一个所述一级拟合子波是否有对应的单通道基色光源包括判断该拟合子波的光谱数据范围与单通道基色光源范围的重叠程度是否在预定的范围之内；
所述方法还包括单通道线性校正步骤，所述单通道线性矫正步骤包括：S001获取单通道的基色数据，所述基色数据包括从最小值到最大值驱动信号下的基色灯的照度值或光谱功率分布参数；在首次进行线性化矫正时，记录单通道的电源控制器从0开始按照一定的驱动信号步长输送直流电给单通道基色灯，直至基色灯达到最亮状态，使用环境光测量传感器记录每一个步长发光状态的照度或光谱功率分布参数，按照对应关系记录成表；对于非首次进行线性化矫正时，截取环境光传感器最低照度值反应时的步长值为线性化数据的起始值，然后按照此步长值依次调整电流并记录相应的照度值或光谱功率分布的峰值，直到截取环境光传感器出现第一个最大照度值反应时记录的数据作为线性化数据的终值；S002根据单通道的基色数据确定步长值与照度值之间或步长值与光谱功率分布参数之间的线性函数关系；
所述方法还包括：步骤四、确定模拟方案的模拟精度是否在预定范围内；如果模拟精度超出了预定范围，则调整步骤二的公式参数重新进行步骤二至步骤四。
2.一种基于多基色光谱叠加过程的环境光照模拟装置，其特征在于，所述装置包括：目标参数获取模块，用于获取目标参数，获取待模拟的目标环境的参数；拟合子波筛选模块，用于根据所述目标参数，筛选出组合成多个
道数量；ai值的物理意义是可以表示参与混色基色的比例，bi值的物理意义是可以表示参与混色基色通道的峰值位置，ci值的物理意义是可以表示参与混色基色通道的带宽；基色光源确定模块，用于基于筛选出的多个单通道拟合子波确定每个单通道拟合子波所对应的基色光源及其驱动参数；在所述基色光源确定模块中，判断每一个一级拟合子波是否有对应的单通道基色光源，如果不存在对应的单通道，则以该一级拟合子波为目标参数，筛选出下一级拟合子波，重复此过程直到得到与所有一级子波对应的单通道及该单通道的驱动参数；
判断每一个所述一级拟合子波是否有对应的单通道单通道基色光源包括判断该拟合子波的光谱数据范围与单通道基色光源范围的重叠程度是否在预定的范围之内；
所述装置还包括单通道线性矫正模块，所述单通道线性矫正模块包括：获取单通道的基色数据，所述基色数据包括从最小值到最大值驱动信号下的基色灯的照度值或光谱功率分布参数；在首次进行线性化矫正时，记录单通道的电源控制器从0开始按照一定的驱动信号步长输送直流电给单通道基色灯，直至基色灯达到最亮状态，使用环境光测量传感器记录每一个步长发光状态的照度或光谱功率分布参数，按照对应关系记录成表；对于非首次进行线性化矫正时，截取环境光传感器最低照度值反应时的步长值为线性化数据的起始值，然后按照此步长值依次调整电流并记录相应的照度值或光谱功率分布的峰值，直到截取环境光传感器出现第一个最大照度值反应时记录的数据作为线性化数据的终值；根据单通道的基色数据确定步长值与照度值之间或步长值与光谱功率分布参数之间的线性函数关系；
所述装置还包括：精度确定模块，用于确定模拟方案的模拟精度是否在预定范围之内；如果模拟精度超出了预定范围，则调整拟合子波筛选模块的公式参数重新运行拟合子波筛选模块、基色光源确定模块和精度确定模块。
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