CN113727489B

CN113727489B - 一种调节亮度的方法、系统、存储介质、灯具、照明系统

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Publication number: CN113727489B
Application number: CN202111282122.0A
Authority: CN
Inventors: 蒋伟楷; 其他发明人请求不公开姓名
Original assignee: Guangzhou Haoyang Electronic Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Haoyang Electronic Co Ltd
Priority date: 2021-11-01
Filing date: 2021-11-01
Publication date: 2022-03-11
Anticipated expiration: 2041-11-01
Also published as: CN113727489A

Abstract

本发明涉及照明调光领域，更具体地，涉及一种调节亮度的方法、系统、存储介质、灯具、照明系统。所述方法包括以下步骤：基于m个校正因子对原始Gamma曲线进行校正，得到校正Gamma曲线；基于所述校正Gamma曲线对光源进行Gamma校正。本发明基于曲线光滑的校正因子校正原始Gamma曲线，精准校正，光滑补偿，能够使Gamma校正后的光源在调光时人眼感觉到的光线是线性变化的。

Description

一种调节亮度的方法、系统、存储介质、灯具、照明系统

技术领域

本发明涉及照明调光领域，更具体地，涉及一种调节亮度的方法、系统、存储介质、灯具、照明系统。

背景技术

人眼对亮度的感知和物理功率之间并非简单的线性关系，而是幂函数的关系，该幂函数的指数通常为2.2，称为Gamma值，即该幂函数通常为y=x^2.2（其中0≤x≤1）。把光源的物理亮度变化调节成符合人眼对亮度感知变化的过程，称为Gamma校正，用于Gamma校正的函数图像即为Gamma曲线。

现有技术中的对光源的Gamma校正是基于线性光源（即电流与亮度之间为线性关系的光源）进行的，但由于半导体LED光源的整个亮度区间并非线性（如图1所示），且LED光源在低亮度范围中，亮度变化更为陡峭，因此即使对LED光源应用了现有技术中的Gamma校正，调光之后人眼依然感到不适。这种不适具体表现在，当光源缓慢匀速亮灯时人眼看到起亮是突变的锐利的，而当光源缓慢匀速灭灯时人眼在亮度暗区感觉眼前突然一片漆黑。

在LED照明行业，通常使用PWM来控制LED光源的亮暗变化，具体地，通过改变PWM占空比，从而改变流过LED光源的电流，实现LED光源亮暗的渐变。光源通常会设置亮度等级，使用者可以通过调节亮度等级从而调节光源亮度。因此，Gamma曲线还可以表征光源的亮度等级与PWM占空比的对应关系。

图2为现有技术的Gamma值为2.2的Gamma曲线y=x^2.2和Gamma值2.4的Gamma曲线y=x^2.4的函数图像，其中，x轴表示亮度等级的归一化，x=n/N，n为用户设置的当前亮度等级，N为光源的最大亮度等级，0≤n≤N，y轴表示PWM的占空比，且占空比越大光源亮度越高。

由于Gamma曲线为幂函数形式，如果直接通过改变原始Gamma曲线的指数的方式进行变换，那么整条Gamma曲线也会发生变化，尤其是对LED这种非线性光源时，不管如何设置Gamma值，都只能满足对曲线某一范围内的调整，而使曲线其他范围造成效果更差的变换。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷（不足），提供一种调节亮度的方法、系统、存储介质、灯具、照明系统，用于实现光源亮度的精准柔和调节。

本发明第一方面采取的技术方案是，

一种调节亮度的方法，包括以下步骤：

基于m个校正因子对原始Gamma曲线进行校正，得到校正Gamma曲线；

基于所述校正Gamma曲线对光源进行Gamma校正；

所述校正Gamma曲线为：

；

其中，G（x）为校正Gamma曲线，x=n/N，n为用户设置的当前亮度等级，N为光源的最大亮度等级，γ为大于1的常数，f₁（x）、f₂（x）、f_m（x）为所述m个校正因子中的三个校正因子，m≥1且m为正整数；

所述校正因子的通用函数式为：

；

其中，f（x）为校正因子的通用函数式，c为不为0的常数，a为作用范围参数，0<a≤100，b为作用强度参数，|b|≤5且b≠0，d为作用位置参数，0≤d≤1.5，且在0≤x≤0.25时，

。

进一步地，所述校正因子的通用函数式中：当0≤d≤0.5时，0<b≤0.7。

进一步地，在0.9≤x≤1时，

，

且

。

进一步地，当0.7≤d≤1.5时，-5≤b<0。

进一步地，所述校正因子的通用函数式中：0<a≤20。

进一步地，所述校正因子的通用函数式中：γ取值为2.0到2.4之间。

进一步地，所述校正因子的通用函数式中：c为欧拉常数。

进一步地，所述校正Gamma曲线为：

；

其中，c为欧拉常数。

进一步地，所述原始Gamma曲线为：

；

其中，γ为大于1的常数。

本发明第二方面采取的技术方案是，

提供一种柔和调节亮度的系统，包括：

曲线校正模块，用于基于m个校正因子对原始Gamma曲线进行校正，得到校正Gamma曲线；

光源校正模块，用于基于所述校正Gamma曲线对光源进行Gamma校正；

所述校正Gamma曲线为：

；

所述校正因子的通用函数式为：

。

本发明第三方面采取的技术方案是，

提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现所述的一种调节亮度的方法。

本发明第四方面采取的技术方案是，

提供一种灯具，包括相互连接的光源、控制单元，所述控制单元预置有所述的校正Gamma曲线；

所述控制单元接收用户输入的当前亮度等级，并根据所述校正Gamma曲线，输出对应所述当前亮度等级的PWM占空比至光源，以使所述光源发亮。

本发明第五方面采取的技术方案是，

提供一种照明系统，包括中央控制器和若干个灯具，所述中央控制器分别与若干个所述灯具连接，所述若干个灯具中的至少一个灯具为所述的灯具。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

现有技术的LED调光灯，LED光源受半导体材料和制作工艺影响，其电流与亮度的特性关系呈非线性，使得调光时人眼感觉不舒适。本发明基于曲线光滑的校正因子校正原始Gamma曲线，精准校正，光滑补偿，能够使Gamma校正后的光源在调光时人眼感觉到的光线是线性变化的。

本发明提供的利用校正因子的方法，通过作用范围参数a控制校正因子对原始Gamma曲线的作用范围，通过作用位置参数d精准定位校正因子对原始Gamma曲线的调节区域，通过作用强度参数b控制校正因子对原始Gamma曲线的作用强度，进而对原始Gamma曲线进行精准校正。同时，各个校正因子对原始Gamma曲线的校正效果可以几乎相互独立，多个校正因子叠加共同对原始Gamma曲线进行校正时，可以几乎互不影响，校正因子具有局部性、针对性、平滑性、无损性，是半导体照明调光领域修改原始Gamma曲线的一种优良方法。

另外，可直接将校正Gamma曲线写入用于控制光源进行Gamma校正的控制器，以使控制器直接根据校正Gamma曲线对光源进行Gamma校正，节省控制器的内存。

附图说明

图1为现有技术的LED光源的电流与亮度曲线图。

图2为现有技术的Gamma值为的2.2Gamma曲线和Gamma值2.4的Gamma曲线函数图像。

图3为本发明基于校正因子f₃（x）校正后所得的校正Gamma曲线。

图4为本发明基于校正因子f₃（x）和f₄（x）校正后所得的校正Gamma曲线。

图5为本发明实施例6的灯具的结构图。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

本实施例提供一种调节亮度的方法，包括以下步骤：

基于所述校正Gamma曲线对光源进行Gamma校正；

所述校正Gamma曲线为：

；

所述校正因子的通用函数式为：

；

。

在本实施例中，原始Gamma曲线为：

；

其中，x=n/N，n为用户设置的当前亮度等级，N为光源的最大亮度等级，n、N为正整数，0≤x≤1，γ为用户设置的原始Gamma值，具体地，γ为大于1的常数。

本实施例优选地，可以通过对原始Gamma曲线函数的指数叠加若干个校正因子的方式，从而对原始Gamma曲线进行校正，得到更适合于对光源进行Gamma校正的校正Gamma曲线。

可以理解的是，为了使得校正Gamma曲线平滑，避免出现锯齿或者衔接点出现突变等问题，校正因子的函数图像曲线应该也是平滑的。同时，为了能够对原始Gamma曲线进行局部调整，校正因子的函数图像开口应该较窄具有局部性，且收敛于x轴。也即，当x在一定的范围内时，校正因子的值不为0，此时，校正因子的值较大并相较于γ而言不能忽略，对原始Gamma曲线起到校正作用，而当x不在该范围内时，校正因子的值应快速地趋于0，此时，由于校正因子的值极小并相较于γ而言可以忽略不计，故而在此范围内难以对原始Gamma曲线起到校正作用。这就实现了对原始Gamma曲线的局部调整，可以通过调整校正因子从而校正原始Gamma曲线所需要校正的部分。

校正因子的数量可以根据实际校正需求设置。

需要说明的是，在校正因子的通用函数式中，作用范围参数a表示校正因子对原始Gamma曲线的作用范围，控制其在范围0<a≤100内，可以减小校正因子对无需校正的原始Gamma曲线段的影响；作用强度参数b表示校正因子对原始Gamma曲线的拉伸幅度，控制其范围在|b|≤5内，可以避免对原始Gamma曲线的拉伸幅度过大，造成校正后得到的校正Gamma曲线不平滑，导致的光源亮度激变；作用位置参数d表示校正因子对原始Gamma曲线的作用位置，控制其范围在0≤d≤1.5内，可以避免作用位置超出原始Gamma曲线的坐标范围过多，导致对原始Gamma曲线的校正不明显。

本实施例优选地，在0≤x≤0.25区间，需要将原始Gamma曲线往下拉，使其贴近x轴，以使校正后得到的校正Gamma曲线横坐标靠近0的曲线段变得平缓，从而使光源的亮度变化减缓，符合人眼对光源低亮度变化时感知敏感的特性，避免人眼所感受到的光源是激变的。同时，由幂函数图像变化特性可以得知，在此区间中，令：

，

能够使得校正后得到的校正Gamma曲线的横坐标靠近0的曲线段斜率变小，该段曲线更为平缓。

本实施例的调节亮度的方法，基于校正因子对原始Gamma曲线进行校正，得到校正Gamma曲线，校正过程简单，操作方便，且校正Gamma曲线的函数图像具有平滑性，能够避免手动取点校正所造成的曲线突变。同时，可以通过调整校正因子实现对原始Gamma曲线的局部调整，便于后续对光源亮度的局部调节。

当作用位置参数d较小时，是对原始Gamma曲线中横坐标靠近0的曲线段进行校正，对于该段曲线的校正，主要是使得该段曲线更为平缓，从而使得光源在低亮度时亮度变化更加柔和，因此，对该段原始Gamma曲线的拉升幅度不应过大，作用强度参数b不应过大。

进一步地，在0.9≤x≤1时，

，

且

。

由于人眼对高亮度变化不敏感，故而基于原始Gamma曲线校正的光源，人眼对0.9≤x≤1区间内的光源的亮度变化是不易察觉的。可以通过校正原始Gamma曲线，基于得到的校正Gamma曲线对光源进行Gamma校正，能够使光源在x=0.9之后依然迅速变亮，此时人眼所观测到的亮度依然是变化的。

具体地，在0.9≤x＜1区间，可以将原始Gamma曲线往上拉，以使得到的校正Gamma曲线在靠近x=0.9位置的曲线段变得陡峭，从而使光源在x=0.9之后的亮度迅速变化，同时提高亮度。同时，由幂函数图像变化特性可以得知，在此区间中，令：

；

能够使得校正后得到的校正Gamma曲线的横坐标在0.9之后的曲线段斜率变大，该段曲线更为陡峭。

然而，由于x的最大值为1，校正Gamma曲线在0.9≤x＜1区间内更快速上升后，在终点x=1附近需要更平缓才能保证x的最大值仍然是1。因此，在x=1位置附近，需要令校正Gamma曲线变得比原始Gamma曲线更加平缓，虽然此时人眼依然不易察觉光源的亮度变化，但是通过上述在0.9≤x＜1区间的校正，仍然能够缩短人眼觉得光源亮度没有变化的时间。

进一步地，当0.7≤d≤1.5时，-5≤b<0。

当作用位置参数d较大时，是对原始Gamma曲线中横坐标靠近1的曲线段进行校正，对于该段曲线的校正，主要是使得该段曲线更为陡峭，从而使得光源在高亮度时亮度变化更加剧烈，因此，对该段原始Gamma曲线的拉升幅度可以稍微增大，作用强度参数b的绝对值可以稍微变大。同时，b＜0，使得该校正因子整体小于0，根据幂函数图像变化特性可以得知，校正Gamma曲线在该段中会变得更加陡峭。

进一步地，所述校正因子的通用函数式中：0<a≤20。

控制作用范围参数a在范围0<a≤20内，可以减小校正因子对无需校正的原始Gamma曲线段的影响。

本实施例优选地，原始Gamma值γ可以为2.0或者2.2或者2.4等。

光源的最大亮度等级N可以为100或者255或者65535等。

用户可以根据实际应用场景对γ和N进行取值。

进一步地，所述校正因子的通用函数式中：c可以为欧拉常数。

进一步地，所述校正Gamma曲线可以为：

；

其中，c为欧拉常数e。

此时，校正因子f₁（x）为：

；

校正因子f₂（x）为：

；

进一步地，所述原始Gamma曲线为：

；

其中，γ为大于1的常数。

可以理解的是，上述的f₁（x）、f₂（x）等仅仅是作为校正因子的其中两种可选的函数关系式，可以使用上述校正因子中的一个或者多个结合对原始Gamma曲线进行校正，校正因子的函数关系式有无穷多种，本实施例不一一列举所有的校正因子函数关系式。

实施例2

基于实施例1的调节亮度的方法，能够柔和光源在低亮度时的亮度变化，即降低低亮度区域的亮度变化率，解决光源亮度在低亮度区域骤亮或者骤灭的问题，柔和光源亮度变化，使得人眼更加舒适。

具体地，校正因子f₃（x）可以为：

；

此时，校正Gamma曲线为：

；

原始Gamma值γ可以取2.2，则：

；

如图3所示，基于校正因子f₃（x）校正后所得的校正Gamma曲线，其函数图像在低亮度区域时，斜率相较于原始Gamma曲线更为平缓，亮度变化率更低，基于该校正Gamma曲线进行Gamma校正之后的光源，能够缓慢均匀亮起，缓慢均匀熄灭，避免亮度突变对人眼的刺激。

实施例3

基于实施例1的调节亮度的方法，可以增强光源的对比度，即降低光源在低亮度区域时的亮度，同时提高光源在高亮度区域时的亮度，从而增强明暗对比效果。

从实施例2以及图3中可以得知，在低亮度区域时，经由校正因子f₃（x）校正之后所得的校正Gamma曲线在原始Gamma曲线的下方，可以达到降低光源低亮度区域亮度的效果，因此，只需要再叠加一能够增强高亮度区域亮度的校正因子f₄（x）即可。

具体地，校正因子f₄（x）可以为：

；

此时，校正Gamma曲线为：

；

原始Gamma值γ可以取2.2，则：

；

如图4所示，基于校正因子f₃（x）和f₄（x）校正后所得的校正Gamma曲线，其函数图像在低亮度区域时，在原始Gamma曲线的下方，而在高亮度区域时，在原始Gamma曲线的上方，基于该校正Gamma曲线进行Gamma校正之后的光源，能够降低低亮度区域的亮度且提高高亮度区域的亮度，达到增强对比效果的作用。

同时，校正因子f₃（x）和f₄（x）分别对原始Gamma曲线的低亮度区域和高亮度区域进行校正，各自独立，互不干扰，具有较好的叠加独立性，叠加之后能够对原始Gamma曲线的不同区域进行不同的调整，而调整过程不会相互影响。

实施例4

基于与实施例1相同的发明构思，本实施例提供一种柔和调节亮度的系统，包括：

所述校正Gamma曲线为：

；

所述校正因子的通用函数式为：

；

。

进一步地，在0.9≤x≤1时，

，

且

。

进一步地，当0.7≤d≤1.5时，-5≤b<0。

进一步地，所述校正因子的通用函数式中：0<a≤20。

进一步地，所述校正因子的通用函数式中：c为欧拉常数。

进一步地，所述校正Gamma曲线为：

；

其中，c为欧拉常数。

进一步地，所述原始Gamma曲线为：

；

其中，γ为大于1的常数。

实施例5

本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如实施例1所述的一种调节亮度的方法。

实施例6

本实施例提供一种灯具，包括相互连接的光源、控制单元，所述控制单元预置有如实施例1所述的校正Gamma曲线；

所述校正Gamma曲线为：

；

所述校正因子的通用函数式为：

；

；

如图5所示，本实施例优选地，控制单元可以包括相互连接的控制器和驱动器，驱动器还与光源连接。校正Gamma曲线预置到控制器中。灯具工作时，控制器接收用户输入的当前亮度等级n，并根据所述动态Gamma曲线，输出对应所述当前亮度等级n的PWM占空比至驱动器，以使驱动器根据控制器输出的PWM占空比控制光源发亮。

实施例7

本实施提供一种照明系统，包括中央控制器和若干个灯具，所述中央控制器分别与若干个所述灯具连接，所述若干个灯具中的至少一个灯具为如实施例6所述的灯具。

用户可以在中央控制器设置控制参数，具体为：设置当前亮度等级n（例如设置n=255），设置渐变时间t（例如t=30s）。其中，渐变时间t是指灯具的亮度等级缓慢匀速地从0上升到当前亮度等级n（或从当前亮度等级n下降到0）时所需的时间。此时，时间间隔Δt=t/n。

工作时，中央控制器按照用户设定的时间间隔Δt（Δt=t/n），以步长为1按照递增的方式发送0到n的亮度等级（或按递减方式发送n到0的亮度等级）至灯具。

实施例6中的灯具的控制单元的控制器接收亮度等级，并根据x=n/N转换成校正Gamma曲线的x坐标值，根据预置的校正Gamma曲线输出对应的PWM占空比（y值）至驱动器，以使驱动器根据该PWM占空比控制光源发亮，实现柔和调光。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种调节亮度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于所述校正Gamma曲线对光源进行Gamma校正；

所述校正Gamma曲线为：

；

所述校正因子的通用函数式为：

；

其中，f（x）为校正因子的通用函数式，c为不为0的常数，a为作用范围参数，0<a≤100，b为作用强度参数，|b|≤5且b≠0，d为作用位置参数，0≤d≤1.5，作用范围参数a表示校正因子对原始Gamma曲线的作用范围，作用强度参数b表示校正因子对原始Gamma曲线的拉伸幅度，作用位置参数d表示校正因子对原始Gamma曲线的作用位置；

且在0≤x≤0.25时，