大尺度媒体立面的光色偏差校正方法研究

李训智，李 静，胡韵萩，侯 磊

(1.北京清华同衡规划设计研究院有限公司，北京 100086；2.北京清控人居光电研究院有限公司， 北京 100086；3.北京清城品盛照明研究院有限公司，北京 100086)

引言

近年来，在国内外重大活动的推动下，各城市涌现大量的大尺度媒体立面照明，推动建筑景观照明由静态、单一的形象向动态、丰富的情境快速转变，既提升区域活力、丰富夜间活动，也为城市的信息传播与媒体沟通提供新的窗口。然而，大尺度媒体立面的建筑数量多、建设周期长、参与单位多、灯具品牌与批次多、设计要求不一、产品参数标准差异，以致不同时期、不同位置的实施效果普遍存在光色差异，在整体联动中表现出不协调的画面。为了校正媒体立面的光色差异，本文从软硬件层面分析主要影响因素，并从流程和技术上初步探究色差校正方法。

1 大尺度媒体立面照明的现状特征

1.1 建设特征

大尺度媒体立面一般由十几栋至上百栋高层建筑立面组成，主要分布在沿江、河、湖、海、广场、十字路口等视野开阔的位置，允许市民游客在近(约200 m)、中(500 m)、中远(1 000 m)、远(1 500 m以上)视点观看几十至几百栋建筑立面统一联动的灯光表演。

由于建筑数量多、建设规模大，当前各城市普遍采取分期、分主体、分标段的建设方式，各期的建设、设计、施工、监理单位不全相同，设计效果与参数要求、质量控制标准也存在明显差异，灯具品牌、类型、参数也差异明显，最终统一表演的效果也不甚理想。

1.2 产品现状

当前LED行业在灯具上缺少统一严格的标准，不同品牌、不同类型、不同批次的灯具在光色、亮度、功率、光通量、控制等参数存在明显差异，批量安装后效果差异较大，即使经过长时间、细致的现场调试，建筑间的光色、亮度的差异仍不可消除。

2 光色偏差的校正原理和影响因素

本文研究的大尺度媒体立面光色偏差仅针对LED直射光源如点光源、自发光线条灯等，不含建筑立面各类反射光。此外，还基于以下五个假设：

1)灯具处于稳态下，不存在因温度等导致的色漂移[1]；

2)彩色灯具的RGB在任何混合比例下，混色均匀；

3)应用环境暂不考虑雾霾、水汽、距离、角度等影响；

4)视觉观察处于明视觉范围内；

5)计算采用CIE1931-XYZ标准观察者三刺激值，忽略个体差异[2]。

2.1 同色异谱原理

根据经典色度学与光度学理论[3-5]，对于特定标准观察者和特定照明体，具有不同光谱功率分布且有相同三刺激值的颜色，称为同色异谱颜色。其中，由光源直接产生的，为光源色同色异谱；经过材料反射产生的，为物体色同色异谱；因此，本文研究的光色偏差的校正原理为光源色同色异谱。

互有同色异谱的不同光源对人眼的三刺激值比例相同，且各刺激值与其对应的总刺激值的比值为该光源颜色的色度空间坐标(即色坐标)。由式(1)、式(2)可知，在同一色度空间中，两个光源的三刺激值比相同，色坐标相同，则光的颜色相同；在不同色度空间中(如CIE1931-XYZ、CIE1976-Luv等)，即使三刺激值相同，色坐标数值相同，光色也不一致。

(1)

k为比例系数。

(2)

其中：xC、yC、zC为光源的色坐标，且xC+yC+zC=1。

2.2 基色光

LED光源的基色是由不同材料芯片激发电子跃迁或P-N结电子与空穴复合而辐射出特定颜色的光[6]，其光色差异主要与芯片材料、封装工艺、透镜材质等有关。

户外照明LED灯具的三基色一般为红光、绿光、蓝光，对应的主波长分别集中在625 nm、530 nm、470 nm/450 nm波长段(如表1)，其中蓝色有两个典型波长段。由于蓝光段波长越长，光谱光视效率越高，视觉亮度相对越亮；反之，视觉亮度相对越暗，但紫红色段表现更好，视觉上颜色更丰富；因此，针对不同的应用场景与效果需求，LED芯片供应商提供两个典型波段供应用选择：

表1 国内外主要品牌LED基色光芯片主波长统计表(单位：nm)

a)光效较高、色彩混合相对丰富的(湖)蓝色470 nm，多用于户外景观照明等大场景；

b)光效偏低、色彩混合更丰富的宝石蓝色450 nm，主要用于室内外舞台等小场景。

此外，人眼对不同光谱颜色的敏感性不相同，红色与绿色的宽容量远大于蓝色(如图1)，在相同偏差数值下，蓝光偏差比红、绿色光明显很多[4,7]。根据项目统计，蓝光主波长偏差大于3 nm就可被明显察觉，而红绿光大于6 nm尚不明显。由于应用需求与敏感性差别，基色光偏差主要集中在蓝色光段，偏差校正重点也在蓝光(如图2)。

图1 CIE1931-XYZ色品图(麦克亚当椭圆)Fig.1 CIE1931-XYZ chromaticity diagram (MacAdam’s Ellipse)

图2 蓝色光偏差示例(深圳前海)Fig.2 Example of blue light deviation (Qianhai, Shenzhen)

2.3 混合光

混合光指各种基色光按一定比例均匀混合后呈现的光的颜色，目前LED灯具多采用红光、绿光、蓝光进行混合。混合光的三刺激值可由式(3)计算，与“基色光的绝对光谱功率分布”及“各基色光的参与混合的比例”相关；其中绝对光谱功率分布函数SR(λ)、SG(λ)、SB(λ)与芯片的类型、功率有关；参与混色的比例系数α、β、γ与目标光的颜色与亮度、基色光参数、灯具/控制设备的伽马校正函数、程序算法等有关，同时透镜、面罩等也会产生一定影响。

(3)

其中：SR(λ)、SG(λ)、SB(λ)为红(R)、绿(G)、蓝(B)的绝对光谱功率分布函数；

α·SR(λ)+β·SG(λ)+γ·SB(λ)为混合光SC(λ)的绝对光谱功率分布函数；

α、β、γ为红(R)、绿(G)、蓝(B)参与混合的比例系数。

综上，混合光的光色与基色芯片、灯具构造、控制设备都相关，主要为芯片的类型、功率，灯具的构造、发光效率(含透镜、面罩等影响)与伽马值，控制设备的程序算法、伽马值等。

由此，要使一国自主走向法律趋同的道路，就需要一国的法律文化发生相应的变化。促使一国在法律制度上趋同于另一个国家的法律，首先需要一国在观念、原则、价值体系上与另一国家相接近，历史上具有相近文化背景的国家往往更容易走向自发地法律趋同道路。不过，全球化浪潮、“地球村”范围的扩大使得法律趋同只局限于具有相似法律文化背景的国家已经不现实，法律趋同必须扩大到具有不同法律文化背景的国家才能真正适应全球化带来的“地球村”经贸合作。而要使法律文化相异的国家自主地在国内法层面相互趋同法律，就只能通过推动两国在观念、原则、价值体系上相互接近的方式进行，对此，我们只能借助法律认同的方式实现。

3 光色控制与偏差校正

3.1 流程控制

项目中，LED灯具的芯片类型与功率、灯具构造与发光效率等在出厂后就已经确定；如果灯具批量到场后发现存在光色偏差，很难通过返厂整改或替换达标产品来校正；一般只能通过调整灯具设备或控制系统的伽马值、程序算法等，也可从动画片源上进行弥补，尽量缩小色差对画面的影响。

鉴于此，在项目流程的不同阶段需进行先行量化控制，尽量降低调试难度。在技术深化阶段，尽量对灯具的芯片类型与各色功率、灯具的构造与发光效率、灯具内控制设备等软硬件参数进行细致严格设定；在产品遴选及批量进场阶段，通过现场试灯与官方检测机构的效果、光学、控制的复检，避免下单采购不合格灯具；施工安装完成后，灯具与控制设备提供方分别设定灯具与控制系统的各项参数，对于会影响效果的程序和算法进行二次开发，确保控制系统指令的解析效果一致；整体联动调试时应确保上墙动画正确，而对于部分楼宇的光色偏差明显且灯具、控制系统无法解决的，进行动画片源修正。

3.2 光色差异校正

3.2.1 基色光偏差

当LED灯具的基色光偏差时，可加入同一灯具中其他合适基色光进行适当校正；但此方法一般无法实现光源色同色异谱的完全匹配，校正后的光色比目标基色光的色纯度偏低(如图3左)。在实际应用中，红/绿光可明显识别的偏差相对较少，蓝光的偏差非常普遍，本文以蓝光偏差为例解释基色光偏差的校正方法。

采用现场目视校正时，设定以470 nm为目标蓝光，当待校正蓝光的主波长低于470 nm时，可加入绿色光适当校正(如图3右)；高于470 nm时，理论上可加入红色光校正，但在要求不严格时可适当降低蓝光亮度来近似匹配。

图3 基色光偏差校正示意图(蓝光)Fig.3 Schematic diagram of color deviation correction for primary light (blue light)

采用程序内算法校正时，首先由官方检测机构实测目标蓝光B与待校正灯具红(R1)、绿(G1)、蓝(B1)光的色坐标、色纯度、绝对光谱功率分布函数值(从380～780 nm，按1 nm取值)等光度参数；其次依据实测的色坐标运用立体几何法计算校正后蓝光B2的色坐标；再结合绝对光谱功率分布值计算R1、G1、B1参与混光的比例系数α、β、γ，应注意当采用R1、G1、B2进行混光时，应对比例系数进行修正，避免绿光的功率超出上限(如图4)；最后计算控制系统对应的控制指令值(R/G/B或r/g/b)，在计算中需考虑伽马校正函数的影响，应确保灯具或控制系统仅设置一端伽马校正值。

图4 比例系数修正示意图Fig.4 Schematic diagram of proportional coefficient correction

本例中，目标蓝光(470 nm)在待校正灯具的基色三角形之外，所以校正结果只能尽量接近但无法完全匹配。如图3所示，在色度图上分别连线“目标蓝光B与等能白光E”和“待校正蓝色B1与绿色G1(称为校正线)”，在校正线上有两个特殊的点，分别为“与BE的交叉点(简称交叉点)”和“与目标蓝光B最近点(简称最近点)”。交叉点的主波长与目标蓝光B一致，但色纯度比最近点更小，当设计参数只规定主波长时，更容易达标；最近点的主波长介于目标蓝光B与待校正蓝光B1之间，色纯度比交叉点大且更靠近目标点。经验证，在基色光单向校正且目标光色在待校正灯具基色三角形之外时，最近点是校正线上相对最优的点，但视觉上偏白，依旧不太理想。如果要进一步校正，可通过降低目标蓝光B的色纯度来匹配校正后蓝光B2，以实现整体光色一致(即基色光双向校正)，也可通过动画片源来修正。一般而言，基色光偏差的算法校正只适用于光色偏差的灯具类型较少或用于静态画面的情况。

3.2.2 混合光偏差

媒体立面的混合光偏差是非常普遍的现象，主要由“灯具的基色光偏差”和“各灯具RGB输出光通量比不一致”引起，当前主要通过现场目视修正。但随着LED产业与智能技术的发展，算法校正会逐步成为混合光偏差的主要解决方案，在智慧城市或数字孪生的照明表现中逐渐得到更广泛的应用。

图5 RGB色域交集示意图Fig.5 Schematic diagram of RGB color gamut’s intersections

图6 混合光的光色偏差校正原理图Fig.6 Schematic diagram of color deviation correction for mixed light

混合光偏差的算法校正相对比较复杂，需通过编程进行批量数据处理；同时校正算法模型比较多，但核心是计算“新基色光R′、G′、B′的光谱三刺激值(比)”与“灯具基色光Ri、Gi、Bi转换到新基色光R′、G′、B′对应的转换系数”；以下的理论模型仅供参考：

1)由官方检测机构实测所有灯具Ri、Gi、Bi的色坐标、色纯度、绝对光谱功率分布数值等光度参数，即光学检测的数据。

2)计算每款灯具i三基色光Ri、Gi、Bi所对应的三刺激值[XiYiZi]T；

(4)

其中：SiR(λ)、SiG(λ)、SiB(λ)为灯具i三基色Ri、Gi、Bi的绝对光谱功率分布值(列矩阵)；

xλ、yλ、zλ为CIE1931-XYZ标准观察者三刺激值(行矩阵)。

3)根据各灯具i的实测色坐标，运用立体几何法计算色域交集的新三基色R′、G′、B′的色坐标分别为(xR′,yR′,zR′)、(xG′,yG′,zG′)、(xB′,yB′,zB′)。

4)通过每款灯具i的三刺激值[XiYiZi]T计算灯具i基色光Ri、Gi、Bi转换到新基色光R′、G′、B′对应的转换系数分别为(αiR，βiR，γiR)、(αiG，βiG，γiG)、(αiB，βiB，γiB)；计算方式如下：

a)计算Ri转换到R′的转换系数(αiR，βiR，γiR)：

(5)

(6)

其中：XR′、YR′、ZR′分别为新基色红(R′)的三刺激值；

TiR、TiG、TiB分别为灯具i的三基色Ri、Gi、Bi对应三刺激值的和；

同理计算Gi转换到G′与Bi转换到B′的转换系数(αiG，βiG，γiG)与(αiB，βiB，γiB)。经过式(5)、式(6)计算得到的三组转换系数，每组内三个数值的比例关系确定，但三组之间的关系相对独立性，需通过式(7)、式(8)建立三组间联系。

b)计算R′、G′、B′对应的Y刺激值分别为YR′、YG′、YB′满足：

(7)

(8)

联立式(5)～(8)，当式(8)等于1时，计算出组间关联的比例系数(αiR，βiR，γiR)、(αiG，βiG，γiG)、(αiB，βiB，γiB)。由于所有灯具i在新三基色R′、G′、B′的三刺激值比相同，即YiR′：YiG′：YiB′=YR′：YG′：YB′，因此可计算出所有灯具i的转换系数，但不同的灯具的转换系数不同；如果某些灯具转换系数代入式(8)大于1，需等比例缩小。

5)计算各灯具Ri、Gi、Bi的Y刺激值(3个值)的总和TSi，以亮度合适灯具b的TSb为基准，计算各灯具调节到灯具b亮度水平的比例系数ki；当部分灯具的亮度低于设计要求时，可设置ki为1。

7)控制系统输入的指令为新三基色R′、G′、B′的比例系数(r′，g′，b′)，各灯具i内Ri、Gi、Bi参与混合的比例系数(r，g，b)按照式(9)进行换算；当灯具或控制系统设定伽马校正值时，需纳入计算。

(9)

通过上述方法从理论上实现控制系统输入相同的指令，媒体立面的灯具呈现相同的光色与亮度水平，降低调试的工作量，避免控制差异问题。但该方式技术要求较高，需要灯具与控制系统厂家技术人员配合编程开发，也要求灯具有客观的实测光学数据、可修改储存的IC芯片等。

4 结论

本文针对大尺度媒体立面普遍存在光色偏差情况，初步分析产生光色色差的原因和主要影响因素，建议从技术深化、现场试灯、产品检测等层面进行细致严格的先行把控，尽量避免具有明显差异的灯具进场安装。对于不可避免的光色偏差，基于光源色同色异谱和加色法的原理[3-5]，针对基色光和混合光分别构建光色偏差校正的理论模型。当基色光存在色差时，可混入同一灯具中其他合适基色进行适当校正，但一般是无法实现完全匹配，且校正后的光色比目标基色光的色纯度偏低；而混合光的色差通过建立统一的新三基色光，舍弃少量差异光色，实现画面光色一致。混合光的算法校正的技术复杂，难度较大，但符合数据时代的技术路线，在智慧城市或数字孪生的照明表现中会逐步得到更广泛的应用。

以上论述仅针对LED直射光源，对于部分媒体立面中参与表演的立面反射光，由于材质的多样性与复杂性，不含在本次研究范围内；文中的前四个假设在实际项目中无法忽略，雾霾、水汽、视看距离与角度、灯具的各色光输出比、芯片排布比都会影响混合色的均匀性，以致影响画面的光色一致，需要在后续进一步研究。