面向新型智能光组件的多维色彩质量评价体系及控制系统设计

广东省标准化研究院□覃耀青

1 引言

二十一世纪以来，人们对生活品质提出了更高的要求，对照明系统的要求也不再局限于照明功能，换言之，现代照明系统除了提供日常生活所必须的照明功能之外，还应该具备满足人类审美观念、氛围调节、健康需求等功能，诸如睡眠环境下灯光柔和度调节、娱乐场所下灯光效果调节、彩灯变换以及氛围鼓动等方面的调节。照明不仅用来照亮生活，更需要满足人们生理及心理上的感受，照明将从单纯的“取光”变为营造应用需求的 “光环境”。现代照明系统功能已经不仅仅局限于提供基本照明，还应该能够满足不同人群、不同环境下对照明氛围、照明亮度、照明效果及节能要求等方面的需求。

随着近年来，LED光源和芯片技术不断发展，它凭借高光效、长寿命、低功耗、丰富的色彩特性、便于灵活地进行控制以及环境友好等诸多优势，已经占据了照明市场的半壁江山，LED智能照明产品更是层出不穷。照明行业、互联网行业、家电行业及消费电子产品行业都推出各种能够调光调色的LED照明产品及相关控制解决方案。但是目前的解决方案多以系统功能为研究目标开发组网模式、无线通信等相关技术，在最终控制策略上，则更偏向于用户自定义，缺少应用端信息的采集和科学的理论支持，更缺少各系统间的数据通信和处理，仍停留在 “控制系统”的层面。

基于多维色彩质量模型开发新型智能光组件与控制系统，根本目的是以健康、舒适、人性化的照明为目标，利用传感技术、通信技术、控制技术等手段，对照明进行全方位调节，营造最为舒适的环境。

2 面向新型光组件的色彩质量评估研究框架

基于色度学、色貌学理论，开展多维色彩质量评价模型研究，构建评价指标体系；开展三种以上光环境色彩质量需求分析研究，确定评价指标权重；开发新型智能光组件及控制系统，基于多维色彩质量评价指标体系，开发自动调节光组件光谱组成控制算法，并开发集中供电控制系统软/硬件开发，最终形成一整套光环境智能控制解决方案。

针对视觉对于照明环境的色彩质量需求，研究照明色彩质量评价基础理论。重点研究视觉色彩感知的量化方法和可用于评价照明光源光谱照明色彩质量的评价指数集以及相关权重；基于视觉心理实验，研究视觉对于物体色彩的偏好差异，建立色彩偏好向量，并且根据视觉心理实验结论验证评价模型可靠性。最终形成照明色彩质量评价体系，并开发新型光组件与智能控制系统，应用于光环境的智能检测与控制。具体包括：

1）视觉色彩特性量化基础框架研究。在国内外照明色彩质量研究的基础上，分析照明色彩对于视觉存在的效应；基于测试样品位移法，对存在的重要的视觉色彩特性进行抽象量化；建立总体研究框架，明确各模块研究路线及目标。

2）量化模型各计算模块影响因素分析。对于均匀色空间、色样集合、色适应变换、色差计算公式、参考光源选择、折扣光源及视觉尺度线性化等量化模型中存在的计算模块进行影响程度分析，综合考虑模型的可靠性和计算复杂度，选择合适的计算模块，将抽象量化模型具体化。

3）色彩偏好方向和位移距离研究。基于Judd在奉承指数 （Flattery Index）中的研究，基于视觉色彩实验，并且以中国人为研究样本，分析人们对于色彩的偏好方向与位移大小，得到色彩偏好向量集。并且将此向量集应用于色彩偏好指数中，在计算测试样品色彩位移时考虑偏好向量对于评价指数的影响。

4）光环境色彩质量需求权重研究。基于视觉心理学实验方法，分析影响光环境整体照明色彩质量的各视觉色彩特性之间的重要性程度，通过统计分析得到各指数的权重。

5）视觉心理学实验设计。拟将视觉实验分为光箱视觉实验和光环境视觉实验。借鉴国内外视觉心理学实验设计，研究精确控制自变量方法和反应视觉色彩特性的实验设计和量表设计。实验主要分为：光源色彩保真实验、色分辨能力实验、色彩偏好实验等，主要通过语义分化法设计视觉心理问卷。

6）高光效高色彩质量新型光组件光谱设计。根据以上研究得到的照明色彩质量评价模型，在Matlab平台上实现评价模型计算函数，然后结合LED发光光谱仿真函数，通过数值计算方法，设计各类白光LED技术 （荧光粉、三基色、四基色）的高色彩质量高光效的光谱。

7）智能控制系统检测模块、终端控制、控制中心、通信模块、集中供电模块开发，及控制系统协议开发。

3 多维色彩质量评价模型研究

多维色彩质量模型是新型智能控制系统的核心，是实现终端控制策略上从用户自定义转变为系统自动控制的核心算法，其主要特点在于：

1）模型基于色度学和色貌学理论出发，提出多维色彩质量评价指数集。重点研究视觉色彩感知的量化方法和可用于评价照明光源光谱照明色彩质量的评价指数集。

2）结合不同照明应用场景对于光色质量的需求差异，全面评价照明光源、光环境的色彩质量，为智能控制提供科学、合理可靠的理论基础。

多维色彩质量评价模型研究的技术路线，如图1所示。

图1 多维色彩质量评价模型研究技术路线图

（1）视觉色彩特性量化模型

视觉对于照明光环境色彩的感受可分为：保真、分辨、清晰、偏好、自然、多彩、和谐及生动，从这些分类中又可以归纳为主要的四种色彩感受，即：保真、偏好、分辨、和谐；使用测试色彩样品比较法，比较参考光源和待测光源下色彩样品在均匀色空间下的色位移，利用这些位移量化视觉色彩感受，例如：保真，位移越小则渲染的色彩与参考光源越接近，反之则偏大；偏好，位移沿着偏好向量正交分解，对于与偏好向量同向的分量不应考虑到色差计算中，并且应该增加偏好数值等。抽象模型建立后，选择合适的计算模块具化模型，初步拟定选用CAM02均匀色空间，CAT02色适应变换，CIEDE2000色差计算公式，这些模型和公式广泛应用在印刷、数字图像处理等领域。

（2）视觉色彩偏好机理及向量模型

首先选取一个包含大部分色相的色样集合，初步选择使用麦克贝斯24色卡。通过显示器直接显示的方法或者调节RGB混光照明的方法，使得色卡的颜色能够连续的变化。实验者以色卡色坐标为初始点，调节偏好的色彩位移，得到偏好的位移向量。在偏好指数的计算模型中，测试样品色彩偏移将考虑偏移方向与色彩偏好位移向量的关系。

（3）光环境照明色彩模型各评价指数权重

设计视觉心理实验，让被试者在一系列照明环境中对于光环境的自然、分辨、和谐、偏好等心理感受做出主观评价，并且根据整体印象记下每个照明环境的总体评价得分，评分采用七级量表。然后使用层次分析法，要求被试者对于光环境的自然、分辨、和谐、偏好的重要性进行两两比较，得到判断矩阵，将矩阵按列归一化后计算其最大特征根所对应的特征向量，特征向量中的值则代表了四个评价指标对综合评价的影响程度。然后对判断矩阵进行一致性验证，如果判断矩阵不符合一致性则需要对数据进行调整。然后评价指数集配合权重计算光环境照明色彩质量的整体得分与之前的心理学主观评分进行相关性分析。

（4）视觉心理实验设计及模型可靠性验证分析

照明色彩质量评价模型最终是评价视觉感受，因此需要通过视觉心理实验进行验证 （如图2所示）。

图2 视觉心理试验显色效果对比试验

模型主要由保真指数、分辨指数、偏好指数与和谐指数组成，因此需要对四类指数分别设计视觉心理实验，主要思路步骤如下：

1）保真指数验证：被试者首先观察参考光源环境，然后要求记住环境中物体与色样的颜色，然后再观察荧光灯和LED光源下物体的颜色，要求与记忆中参考光源下物体的颜色进行比较，使用标准量表评价感觉色差。每次更换光源都要进行色适应然后进行评价。

2）分辨指数验证：本实验采用颜色行业广泛使用的FM-100色棋测试方法 （如图3所示），此方法主要用于测试颜色工作者对于颜色的分辨能力，因此也可以用于同一人在不同光源下颜色分辨能力的变化，从而反应光源的照明效果的色分辨能力。采用的评估指标为总错误分数，分数越低表面当前光环境对工作者的色彩分辨能力更好。见公式 （1）。

图3 FM-100色彩分辨能力视觉工效试验

3）偏好指数验证：随机选取荧光灯和LED光源，然后按色温分类，同一色温档下，对光源进行两两比较。采用语义分化法，选取几组描述色彩偏好的反义词组，并且对照明环境内的物品一一进行色彩偏好主观评价。

4）和谐指数验证：从孟塞尔色彩样品中选取几组色彩相对较和谐的两色组合和三色组合。选择光源具有相似的色貌，即光源直接出光的色彩坐标应控制在二阶麦克亚当椭圆内。被试者进行比较试验和视觉评估试验：比较试验中，所有测试光源与参考光源进行比较，被试者要求选择更和谐的一边，选中的+1分；视觉评估试验中，被试者直接对于色样组的和谐程度进行评价，采用-5（代表完全不和谐）到+5（代表完全和谐）的11级量表。每一位被试者均进行所有光源和所有色样组合的实验，减少组间误差。

得到以上视觉心理实验后，需要对所有的实验数据进行系统的整理和统计学分析，即对视觉感受数据与评价指数集得到的评价指数进行相关性分析与方差分析。相关性分析能够得到评价指数与视觉感受之间的相关程度，从而反应模型的可靠性。方差分析得到视觉实验中由各自变量和非可控变量对于视觉感受的影响，从而优化评价指数模型或权重，或者改进视觉实验设计。

4 一种新型智能光组件结构

因光组件需要实现照明光环境的色温、照度、色彩变化，因此需选用至少三种颜色的LED芯片组成的发光模组，如果为了实现色彩不变的情况下，达到显色性按需求变化则发光模组必须包含四种不同颜色的LED芯片。例如，假设新型光组件包含红、绿、蓝、白四种颜色的芯片，当场景所需的显色性要求不高时，可只开启白光芯片节省能源，当需要高显色质量时，系统将根据应用场景需求计算光谱配比，开启红、绿、蓝芯片，达到白光照明效果的同时，提升物体的色彩饱和度和保真度，达到更加优质的照明效果。除此之外还需设计新型光组件芯片驱动芯片及控制接口，实现控制系统对光组件的直接驱动和控制。新型光组件结构示意图见图4。

图4 新型光组件结构示意图

5 光组件智能控制系统总体架构设计

智能控制系统主要由探测模块、控制中心、设备节点和控制终端四大部分组成，系统结构如图5所示。

图5 新型光组件智能控制系统总体框架

智能照明系统控制中心由以太网模块、移动通信模块、集中供电模块和无线网络模块组成，是系统的核心部分。系统控制中心与控制终端以及各设备节点通信时都采用固定的通信协议。各项工作的具体实施由系统各设备节点来完成。系统设备节点通过无线通信网络与控制中心通信，完成设备节点的状态信息汇报和系统控制命令具体操作的实施，结合照明环境的监测可实现照明的动态控制，依据前期研究得到的光谱配比策略，将新型光组件的各芯片功率组成发给集中供电模块，通过恒流驱动发光模组。系统控制终端采通过网络完成与系统控制中心的通信，从而获取系统的相关参数信息、各设备节点的状态信息，以及对系统进行控制等。通过友好的交互体验完成对照明系统的控制与管理。

该智能光组件控制系统具有以下三个特点：

1）控制系统采用集中直流供电的方式为LED照明光组件进行驱动，这样的方式将简化新型光组件的结构和产品设计，不必为每一个光源配备一个驱动器。

2）系统的控制光组件的色彩变换是基于多维色彩质量模型计算得到，能够智能地根据设定场景控制照明环境的色温、照度、显色性等参数。

3）采用集中供电的方式，系统能有效地监控照明场景的耗电情况，并且根据动态的场景需求，调节照明效果，达到节能与舒适度的平衡。

6 结束语

当前，半导体照明面临着新的机遇，白炽灯禁限令正在全球多个国家推进，国内外政策环境日趋优化，半导体照明产业迎来了黄金发展期。半导体技术将与微电子技术、传感技术融合，实现照明智能化、人性化；而智能照明终端将与物联网、云计算、移动互联网等技术融合，成为智慧家庭、智慧社区、智慧城市不可或缺的组成部分。研发多维色彩质量模型的新型智能光组件及控制系统，是LED照明下游应用中的核心技术，将极大促进智能照明的发展。同时在提升产业技术、产品质量、光环境改善、节能减排等方面带来巨大效果。