如何拒絕單一顯示：混色背后的科學(xué)

作者：時(shí)間：2013-05-16 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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  技術(shù)方案與實(shí)用技巧

由于比傳統(tǒng)照明方案擁有更多的優(yōu)勢(shì)，高亮度（HB）LED的應(yīng)用日趨普及。高亮度LED的優(yōu)勢(shì)之一是其具有生成不同色彩的能力，它們?yōu)檠b飾照明領(lǐng)域開(kāi)啟了一片新天地。

　　混色的本質(zhì)是通過(guò)以適當(dāng)比例混合基礎(chǔ)原色生成次級(jí)（secondary）色彩的過(guò)程。本文將解釋混色背后的科學(xué)，包括涉及到的數(shù)學(xué)公式以及如何有效地應(yīng)用它們。

　　混色和多點(diǎn)激勵(lì)空間背后的科學(xué)

　　原色并不是光的基本屬性，但往往涉及到眼睛對(duì)光的心理反應(yīng)。人們認(rèn)為，原色是完全相互獨(dú)立的，但可以組合以生成一個(gè)有用的色彩范圍（色域）。

　　類(lèi)似于任何其他物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)表示，顏色模型可以以不同方式表述。每種模型各有優(yōu)缺點(diǎn)。建模的目標(biāo)是盡量減少公式的復(fù)雜性和變量數(shù)，同時(shí)最大化“實(shí)質(zhì)”和覆蓋范圍。

　　傳統(tǒng)上，無(wú)論分配給變量何種含義，其中三個(gè)足以描述所有顏色：RGB，色調(diào)—飽和度—亮度（HSB），其它基于色調(diào)—飽和度的模型，如L×a×b和xyY。它們的一個(gè)共同特點(diǎn)是變量的數(shù)量或維度。

　　在多點(diǎn)激勵(lì)空間，色彩激勵(lì)由字母R、Q、G、B和A等標(biāo)記。Q指代任意顏色的激勵(lì)；字母R、G、B和A，留作表述選定的用于配色實(shí)驗(yàn)的固定基本激勵(lì)。紅，綠，藍(lán)和琥珀色是基本激勵(lì)。

　　色彩匹配是指給定激勵(lì)Q由確定的各種基本激勵(lì)R、G、B和A以適當(dāng)數(shù)量混合得到的附加劑混合物，可用矢量方程（公式1）表示為：

　　公式1

　　在多維空間，顏色激勵(lì)Q由多點(diǎn)激勵(lì)向量Q表述；其中：標(biāo)量乘數(shù)（scalar multiplier）RQ、GQ、BQ和AQ分別以給定的基本激勵(lì)R、G、B和A的約定的各自度量單位來(lái)測(cè)量，它們被稱(chēng)為Q的多點(diǎn)激勵(lì)值。

　　圖1是公式1線性多維空間的幾何表示。單位向量R、G、B和A代表基本激勵(lì)，它們界定了空間。他們有共同起點(diǎn)，指向四個(gè)不同方向。

　　圖1 多維色彩空間

　　向量Q與R、G、B和A的原點(diǎn)相同。其四個(gè)組成部分，位于由R、G、B和A定義的軸；長(zhǎng)度分別等于Q的多點(diǎn)激勵(lì)值RQ、GQ、BQ和AQ。方向和長(zhǎng)度可由公式（1）定義的簡(jiǎn)單矢量方程獲得。R、G、B和A定義的空間，被稱(chēng)為多激勵(lì)空間。在該空間，顏色激勵(lì)Q可看作一個(gè)多激勵(lì)向量（RQ、GQ、BQ和AQ）。在顏色混合算法中，固件計(jì)算這些值應(yīng)該是什么，以獲得色彩激勵(lì)Q。

　　混色

　　圖2顯示的是CIE 1932色度圖。圖中有三個(gè)LED：紅色，綠色和藍(lán)色。通過(guò)以適當(dāng)比例混合兩個(gè)原色（如紅色和藍(lán)色），就能夠產(chǎn)生它們連線上的顏色；同樣，當(dāng)混合藍(lán)色和綠色時(shí)，可以產(chǎn)生藍(lán)色和綠色連線上的所有顏色。

　　圖2 CIE色度圖

　　對(duì)這三種LED色進(jìn)行混合可以產(chǎn)生位于這個(gè)三角形內(nèi)的任何顏色。該區(qū)域被稱(chēng)為色域。但在CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)中，顏色分布是不均勻且不連續(xù)的。因此，在決定生成所需的次級(jí)色而計(jì)算原色的比例時(shí)，不能采用線性變換。

　　在混色應(yīng)用中，固件按照CIE色度坐標(biāo)的形式輸入數(shù)值。對(duì)每個(gè)LED通道，它將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)恼{(diào)光值。簡(jiǎn)單說(shuō)，調(diào)光值就是LED必須具有的調(diào)光范圍所對(duì)應(yīng)最大光通量的比例。如果以智能方式迅速接通和關(guān)斷LED的工作電流，就可對(duì)LED的光通量輸出實(shí)施控制。

　　固件會(huì)將該坐標(biāo)與預(yù)編程的系統(tǒng)中所用LED特點(diǎn)的知識(shí)相結(jié)合。然后，它完成必要的將色度坐標(biāo)正確轉(zhuǎn)換成每個(gè)LED亮度值的轉(zhuǎn)換功能。該過(guò)程使得其光輸出混合在一起以生成輸入到系統(tǒng)中的顏色的色度坐標(biāo)。

　　多通道混色

　　在三通道混色中，如果將三個(gè)LED的色點(diǎn)映射到CIE 1931圖表，就構(gòu)成一個(gè)三角形。如果是紅，綠，藍(lán)三個(gè)LED，則其形成的三角形就被稱(chēng)為色域（見(jiàn)圖2）。三角形的面積內(nèi)，是這三個(gè)特定LED可以實(shí)現(xiàn)顏色的色域。三角形內(nèi)任何（X，Y）坐標(biāo)都是進(jìn)入系統(tǒng)的輸入。它提供了該系統(tǒng)可生成顏色的廣闊范圍和特定色彩的高分？？辨率。

　　四通道混色方案基于疊加原理。它以三通道混色算法為基礎(chǔ)。對(duì)四通道混色來(lái)說(shuō)，如果將四個(gè)LED的色點(diǎn)映射到一個(gè)色彩空間圖，很明顯，四個(gè)LED色點(diǎn)間的連線，就構(gòu)成了四個(gè)三角形，圖3。

　　圖3 四通道混色疊加

　　這里介紹的方法可很容易地?cái)U(kuò)展到超過(guò)4個(gè)LED的顏色。在圖3中，四個(gè)三角形分別是由以下的三個(gè)LED構(gòu)成的：TR1（R、G、B）、TR2（R、A、B）、TR3（R、G、B）和TR4（G、A、B）。

　　求解每個(gè)三角形以獲得用于三通道混色功能的調(diào)光值。在這四個(gè)三角形中，兩個(gè)給出全部非負(fù)的調(diào)光值；另兩個(gè)，有一個(gè)或全部的負(fù)調(diào)光值。帶負(fù)值的三角形是無(wú)效的應(yīng)丟棄掉。對(duì)全部正值的調(diào)光陣列進(jìn)行累計(jì)。

　　對(duì)負(fù)調(diào)光值的解釋是：所需的點(diǎn)位于由三種基本顏色組成的三角形外。例如，圖4中，RGB三角形為P1返回所有非負(fù)值；對(duì)P2，至少有一個(gè)亮度值是負(fù)的。

　　圖4 正和負(fù)調(diào)光值。

　　為每個(gè)所需的顏色增加兩個(gè)正調(diào)光值，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)適。負(fù)調(diào)光值意味著所需的顏色不在色域內(nèi)，因此不能使用特定的基色產(chǎn)生。

　　混色實(shí)施細(xì)則

　　固件采用CIE 1931色彩空間輸入顏色要求。CIE 1931色彩空間中的特定點(diǎn)由三個(gè)值（x、y、Y）代表。（X，Y）定義點(diǎn)，其中：X和Y值表示顏色的色調(diào)和飽和度。色調(diào)是CIE 1931色彩空間的一個(gè)維度。飽和度是該色彩空間的第二個(gè)維度。（x、y、Y）向量的第三個(gè)值規(guī)定光通量，以流明（lm）表示。固件必須有（x、y、Y）向量的輸入，這些輸入指定在某些額定電流和結(jié)溫下的顏色和光通量輸出。

　　圖5所示是采用賽普拉斯的PowerPSoC系列控制器的混色算法框圖；PowerPSoC系列控制器基于8位微控制器，并整合了四個(gè)通道的具有滯環(huán)控制器特點(diǎn)的獨(dú)立恒流驅(qū)動(dòng)器。它還含有可配置的模擬和數(shù)字外圍模塊；工作電壓為7V至32V；采用內(nèi)部MOSFET開(kāi)關(guān)可驅(qū)動(dòng)1A電流。