LED灯具混色原理及颜色控制方式

LED灯具混色原理及颜色控制方式LED灯具的颜色控制近年来，固态LED照明灯具大量普及，笔者在此尝试解析LED颜色技术的复杂性及其控制方式。关于加法混色LED灯具采用多个光源获得各种色光和强度。对于演艺灯具行业，加法混色已是老生常谈了。多年来，从业者采用带滤色片的灯具来投射天幕上的同一区域，这种方式控制起来并不容易。笔者使用的首台智能型灯具是一台采用3个MR16光源的聚光灯，它们分别带有红色、绿色和蓝色滤色片。早期，这类灯具只有3个DMX512控制通道，没有独立的强度控制通道。所以很难在调光过程中保持颜色不变。通常，电脑灯程序员还会设置一个“灭光换色”，以便轻易地熄灭灯具。当然，还有更好的方法，此处不再一一列举。颜色的控制与定义如果使用者不用纯粹的DMX值来控制智能型灯具，而用某种抽象的控制方式，就可以采用一个虚拟的强度值。即使制造厂家规定灯具使用3个DMX通道，抽象的控制方式也可分配4个手柄来控制：强度值和3个颜色参数。此处笔者写的是“3个颜色参数”，而非红色、绿色和蓝色，因为RGB只是描述颜色的一种方式。另一种描述方式是色调（hue）、饱和度（saturation）与亮度（luminance）——HSL（有人称它为强度（intensity）或明度（lightness），而非亮度）。另一种描述是色调（hue）、饱和度（saturation）与明度（value）——HSV。Value（明度）也常被称为brightness（亮度），它与luminance（亮度）相似。然而，HSL和HSV对于饱和度的定义差别很大。为简单起见，笔者在本文中把色定义为颜色，把饱和度定义为颜色的量。如果“L”被设为100%，那就是白色，0%是黑色，那么，50%的L则是饱和度为100%的纯色。对于“V”，0%是黑色，100%是纯色，此时饱和度值必须弥补其差别。另一种有效的描述方式是CMY，它们是三原色，采用减法混色。如果起先发出白光，那么，可以利用2张滤色片来得到红色：品红色和黄色；它们分别移除白光中的绿色和蓝色成分。通常，LED变色灯具不采用减法混色，但是这依然是一种描述颜色的有效方式。从理论上讲，当控制LED时，应该可以调节强度和RGB、CMY、HSL或HSV中的一个（它们之间存在一些差异）。关于LED混色人眼可以察觉波长为390nm~700nm的光。最初的LED灯具仅采用红色（约630nm）、绿色（约540nm）和蓝色（约470nm）的LED。这3种颜色无法混合出人眼所能看到的每一种颜色。图1是基于整个可见光谱之上提出的RGB模型的假定区域。三角形的3个顶点分别落在高饱和度的红色、绿色和蓝色区域内。通过改变每个LED芯片发出的功率，可以得到色域内的任一颜色，但这仅仅是理论，其实，混色效果受到许多因素的影响。例如红色、绿色和蓝色的确切波长因灯而异，它们之间可能存在巨大差异。色域不仅能描述色调，还能描述强度与饱和度。如果通过谷歌快速搜索“colorgamut”（色域），则会看到圆、圆环、立方体、圆锥体，甚至水果形，所有这些图形都试图展示HSL的三维关系。添加更多的颜色随着LED的技术革新、价格下降等变化，越来越多的厂家进入了这个市场。灯光设计师对这种新光源的期待越来越强，由此对于灯具的亮度和控制颜色一致性的要求也随之提高。白色、琥珀色、青色和紫罗兰等新的LED颜色问世。起初，最流行的组合方式是RGBA，即添加了琥珀色芯片。这使色域的形状更像矩形，而非三角形。另一变种是RGBW，它带有宽光谱的白色LED。更有新的灯具在RGB基础上添加了白色和琥珀色（RGBAW）。随着LED技术的不断进步，芯片制造厂家还成功生产出了深红色、青色和品蓝色LED。这些颜色已应用于7色体系（深红色、红色、琥珀色、绿色、青色、蓝色和品蓝色），从而扩大了色域，可为设计师提供更多的颜色。控制这么多的芯片可能很费力；每片芯片功率的多种组合方式都可获得颜色空间中的同一色点。如何控制这些LED由于LED技术的进一步发展，控制也变得越来越复杂了。可喜的是，一些现代化的控制系统能以非常简单的方式驱动任一类型的颜色体系。除强度外，使用者会得到不同的颜色参数：RGB、CMY、HSL和HSV。笔者通过一个现实中的例子考察这些可能性。比方说，设计师做一部音乐剧，正采用混色灯具给天幕染色。舞台上需要营造一个日落场景，设计师想从琥珀色变化到粉红色。采用RGB颜色空间，cue1为琥珀色（R=100%、G=60%、B=0%），cue2为粉红色（R=100%、G=0、B=60%）。对于任何一台以RGB方式来定义颜色的灯光控制台，图3所显示的变化过程正是设计师所得到的。琥珀色沿直线路径变化到粉红色，穿过稍显淡雅的红色。此时笔者写的是“稍显淡雅”，因为这种情况下，色点与色轮中心之间的距离表示颜色的饱和度，2个端点所连线段的中点离圆心更近了。但如果从粉红色变化到绿色，在这个模型中，由于沿直线运动，恰好穿过白光。这可能是所需要的效果，也可能不是。设计师可能要用另一种略有差别的方式来描述这2个cue。在图4中，2个端点完全一样：琥珀色和粉红色。但是在本例中，颜色空间采用HSL。Cue1是色调为10%的琥珀色（对于色调，百分数可赋予任意单位），cue2是色调为90%的粉红色。注意：如果以琥珀色为起点按逆时针方向旋转，则得到红色。该例中，在琥珀色变化到粉红色的过程中，穿过的是与2个端点饱和度一样的红色区，因为它们到圆心的距离相等。这是沿弧线运动，而非直线。如果采用其他方式来定义颜色空间，又会如何？比如对它做镜像，当色点为琥珀色时，按逆时针方向运动，则先得到黄色，而非红色。实际控制中，要得到红色，必须走很长一段路。在图5中，cue1依然为琥珀色（10%的色调'），cue2依然为粉红色（90%的色调'）。它们的数值相同，只是出现在空间的不同位置。由于这些都是纯粹假设的颜色空间，笔者在原有的HSL后面加上一撇——HSL'。如果仔细阅读上文，就会看到琥珀色的色调'被定义为10%。3个字母后面的这一撇表示对色轮做了镜像。无论灯具采用何种主颜色体系（RGB、RGBA、RGBW或RGBAW），都可以在多个颜色空间（RGB、CMY、HSL、HSL'、HSV、HSV'）中编写cue并实现过渡变化。让LED灯具看上去像白炽光源类灯具市场中有些LED灯具偏琥珀色或偏红色。当灯丝冷却时（调暗），白炽光源类灯具会变得更红，如同2800K的光，要比5600K的光看上去更红。在实际工作中，人们是在假定灯具功率开足的情况下选择颜色的，但是在剧场中使用者往往不会把灯开足使用，因此，通常在舞台上看到的并非是3200K的光，更像是2800K的光，其实，当接近灭光时，景物的确变得相当红。即使设计师使用了偏蓝色调的色纸，也会有这种效果。为使设计师能够更好地结合使用LED舞台灯具与常规灯具，制造厂家支持在低亮度端驱动更多红色芯片。这种方式使常规灯具和固态灯具在极低亮度时所呈现出的颜色更加匹配。精度固态光源的响应时间是瞬间的，因此，如果停止驱动芯片，它们就停止发光。但调节LED亮度时会出现这样的问题：以低精度方式控制时，在缓慢变光过程中，亮度看上去是跳变的，尤其在低亮度时更是如此。在改善低精度方式控制方面，早期的LED灯具无所作为，但近年来，先进的LED驱动器在其固件中添加了缓冲器，以减缓这种突变。16位控制方式（同时采用2个数据段）是灯具制造厂家采用的另一种形式，它在不添加软件缓冲器的状态下，解决了缓慢变光过程中的跳变问题。这把任务转移给控制台，让其发出大量数据，避免了过量采样灯具中的数据，并预测了亮度的走势。这种预测可以大大延缓LED灯具的响应时间，但如果此时设计师需要灯光随音乐实现突变，就很难实现了。有些LED灯具制造厂家已在其固件中设置了调光曲线。通常，调光器制造厂家可以让使用者调整曲线，把所输入的控制值转化为调光器的实际功率输出值。常见曲线有：线性、反向和平方曲线。当需要快速频闪时，LED的瞬间响应时间效果很好。但如果它与常规灯具结合使用，那在按切光键时，看上去会很不自然。此时LED瞬间灭光，而大功率常规灯具的灯丝冷却还需要一小段时间。有些制造厂家在LED灯具中设置了多条曲线，比如：快速（Quick）、标准（Standard）、线性（Linear）和钨丝（Tungsten）仿真模式。这延缓了发送给LED驱动系统的控制值。校准当采用20台LED灯具给天幕染色时，很容易察觉LED输出的不一致性。为此，高端的固态灯具带有内置的校准通道。这些通道可以降低或提升发送给每片芯片的控制值。通过调整每台灯具的调色盘，使用者可以获得LED输出的一致性；如果某台灯具总是比其他灯具更红，那么，可以从整体上压低红色。多年来，笔者发现如果与一位挑剔的设计师合作，而这位设计师又不喜欢这种场景，那就必须不断地调整它。因为设计师追求的是效果，实际的操作问题都只是借口。相关色温国际照明委员会（CIE）对相关色温（CCT——CorrelatedColorTemperature）的定义是：与具有相同亮度和既定观察条件下刺激的颜色最相似的普朗克辐射体的温度。笔者不是照明科学家，所以把它描述为：白光的颜色。通常，相关色温的单位采用开氏温标（K）。为了便于理解，笔者给出常见白光的开氏温标：蜡烛约为1800K，家用灯泡约为2800K，舞台聚光灯约为3200K，日光约为5600K，电视屏幕可超过10000K。具有变色功能的智能型灯具也能定义白光吗？当然可以，但定义起来会有难度，因为有很多带有色彩倾向的白光。为此，在对待具有CCT功能的混色灯具时可以再分配一个参数。对于任何一台灯具，无论选用RGB、HSL或是HSV'来控制，都可以调拨到不同相关色温的白光。如果想要纯红色，那么，白光的定义就显得毫无意义了，因此，笔者忽略这一点。但使用者希望接近白光时，可以突然开通并驱动芯片，获得定义的带有某种色彩倾向的白光。简单来说，在一台三色LED灯具中，让所有芯片处于满功率运行可以得到白光，但同样，对于另一个CCT不同的白光，驱动红色芯片要比驱动蓝色和绿色芯片略强一些。图6、图7展示的是全色谱，但其圆心显示了2种不同色彩倾向的白光。其中一个白光的CCT为3200K，另一个白光的CCT为6000K。结语控制LED灯具的颜色有一定难度，如果读者综合应用本文讨论的所有控制方法，可能有100余种方法来让LED灯具发出某一色光。虽然先进的抽象式控制系统有助于简化某些任务，但如果没有用心理解控制台和灯具的功能以及它们之间如何相互作用，想在舞台上获得需要的效果，依然是一项很艰巨的任务。使用者选择的系统应有助于呈现脑海中的画面效果，并可方便快捷地在舞台上获得这种效果，以满足设计师和观众对色彩的要求。