发明内容
鉴于此,为解决上述技术问题或部分技术问题,本专利提供一种基于多基色光谱叠加过程的环境光照模拟系统,以准确模拟环境光的光谱特性。
为了解决上述技术问题,本专利提供的技术方案包括:
一种基于多基色光谱叠加过程的环境光照模拟系统,其特征在于,所述系统包括:模拟光源,所述模拟光源具有:箱体,所述箱体由不透光的材料构成;集成电路板,所述集成电路板包括多个六边形拼的电路板单元,各个单元之间以拼接的方式铺设在所述箱体内;LED基色灯珠,包括多个通道的LED基色灯珠,每个通道中的LED基色灯珠的光谱特性相同;多个LED灯珠均匀设置在所述集成电路板的每一个单元上;电源控制器,设置在所述箱体上,与所述集成电路板和LED灯珠电连接;以及模拟计算装置,所述模拟计算装置包括目标参数获取模块,用于获取目标参数,获取待模拟的目标环境的参数;拟合子波筛选模块,用于根据所述目标参数,筛选出组合成多个目标参数的多个单通道拟合子波;其中所述筛选包括采用公式:
求得;
式中,y表示目标光谱;x表示单通道光谱的波形;ai bi ci是系数,其中ai不可以是负值;i从1到n,表示通道数量;ai值的物理意义是可以表示参与混色基色的比例,bi值的物理意义是可以表示参与混色基色通道的峰值位置,ci值的物理意义是可以表示参与混色基色通道的带宽;基色光源确定模块,用于基于筛选出的多个单通道拟合子波确定每个单通道拟合子波所对应的基色光源及其驱动参数。
优选地,在所述基色光源确定模块中,判断每一个所述一级拟合子波是否有对应的单通道基色光源,如果不存在对应的单通道,则以该一级拟合子波为目标参数,筛选出下一级拟合子波,重复此过程直到得到与所有一级子波对应的单通道及该单通道的驱动参数。
优选地,判断每一个所述一级拟合子波是否有对应的单通道单通道基色光源包括判断该拟合子波的光谱数据范围与单通道基色光源范围的重叠程度是否在预定的范围之内。
优选地,所述装置还包括单通道线性矫正模块,所述单通道线性矫正模块用于:获取单通道的基色数据,所述基色数据包括从最小值到最大值驱动信号下的基色灯的照度值或光谱功率分布参数;在首次进行线性化矫正时,记录单通道的电源控制器从0开始按照一定的驱动信号步长输送直流电给单通道基色灯,直至基色灯达到最亮状态,使用环境光测量传感器记录每一个步长发光状态的照度或光谱功率分布参数,按照对应关系记录成表;对于非首次进行线性化矫正时,截取环境光传感器最低照度值反应时的步长值为线性化数据的起始值,然后按照此步长值依次调整电流并记录相应的照度值或光谱功率分布的峰值,直到截取环境光传感器出现第一个最大照度值反应时记录的数据作为线性化数据的终值;S002根据单通道的基色数据确定步长值与照度值或步长值与照度值或光谱功率分布参数的线性函数关系。
优选地,所述模拟计算装置还包括:精度确定模块,用于确定模拟方案的模拟精度是否在预定范围之内;如果模拟精度超出了预定范围,则调整拟合子波筛选模块的公式参数重新运行拟合子波筛选模块、基色光源确定模块和精度确定模块。
优选地,,所述电源控制器产生直流电,输送给基色灯珠的直流电的电流精度在0.002mA以内。
优选地,,所述箱体的一个面上设置有柔光板。
优选地,,所述箱体的内壁为黑色。
优选地,,所述模拟光源还包括,环境光传感器,所述环境光传感器设置在所述箱体顶部的四角上。
优选地,同一个通道的LED灯珠与同一个电源控制器相连。
本专利通过上述系统能够准确将环境的光谱拆分成多个通道,并通过稳定的多通道光源模拟出合适的环境光源光谱。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
为便于对本申请实施例的理解,下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明,实施例并不构成对本申请实施例的限定。
本具体实施方式中提供一种基于多基色光谱叠加过程的环境光照模拟光源系统,以模拟目标照明环境。在本具体实施方式中提供的系统优选地包括光源装置1和作为虚拟装置的模拟装置两部分。
所述光源装置1包括:封装箱体2、多个LED基色光源3、集成线路板4、电源控制器5、环境光测量传感器6以及柔光板7。
所述封装箱体2整体由不透光的材料构成,在本具体实施方式中,箱体可以采用金属、塑料、或者是强度较高的纸制成。所述箱体一方面起到承载各个部件的作用,另一方面起到阻挡光源的作用。所述箱体包括底板8、侧板9、和顶板10,在本具体实施方式中箱体呈现为如图1所示的长方体形状,但是箱体的形状不限于此,包括圆台、圆筒、圆柱、棱台、棱柱、立方体,等等。所述箱体内壁是黑色,且与外界绝光。
在本具体实施方式中,如图1所示,集成线路板4,所述集成电路板铺设在所述箱体的底板上,集成电路板4优选地为多个六边形单元拼接而成,六边形排列发光均匀性更趋于环形,均匀性好,各模块之间可以单独控制也可以协同控制。在本具体实施方式中,通过六边形形成各个模块,这样方便光源的拼装,可以根据需要来调整和加减相应的模块。并且,由于六边形具有较高的稳定性而且近似于圆形,因此光源的均一性好。
所述多色LED基色光源8包括多个LED灯珠11,所述电路板和灯珠均与电源连接,所述灯珠为LED灯珠,包括窄带LED灯珠和宽带LED灯珠。由此形成混合光源,其光谱涵盖范围不少于360-830nm。优选地,所述LED灯珠设置在所述六边形单元的角部位置,优选6个基色的LED灯珠设置在一个模块上。这样,可以相对均匀而且又较为稳定地排列所述LED灯珠,得到较好的混色效果。所述LED灯珠是环境光照模拟系统不可或缺的元件。
电源控制器5,设置在所述箱体上,与所述集成电路板4和LED灯珠12电连接,给所述LED灯珠11供电。所述电源控制器产生直流电,并且为了光源稳定之需,要求控制输送给基色灯的直流电的电流精度在0.002mA以内,且具有较好的线性。
环境光传感器6,所述环境光传感器设置在所述箱体的顶部,优选地设置在所述箱体顶部的四角上,这样可以测量多个位置上的环境光参数,以从多个点考虑所述环境光源的性能。所述环境光传感器包括测量光谱的光谱仪、色温计、照度计。通过这些传感器测量相应位置的光谱功率分布、色温、照度等。
柔光板7,所述柔光板设置在所述封装箱体2上表面的开口上。柔光板是混合光的发光面,能够打散单颗LED灯光线或者线路板模块上的综合光源,完成空间混合,具有一定的均匀性,如发光面被分为“九宫格”四角与中心的差低于5%。
在本实施例中所述系统利用上述光源来实现模拟,并提供如下数据处理装置来控制光源。所述数据处理装置包括如下模块:
单通道线性矫正模块
在本具体实施方式中,所述通道是某一具体的光谱,在物理上通过具有相同光谱特性的灯,例如在光源中理论上或者目标上发射具有相同光谱特性的光的灯的集合来实现与该通道对应的硬件。
在本实施例中,所述单通道线性矫正模块,对每个通道分别进行线性矫正。所述线性矫正是指使得对应于所述通道的光源的输入驱动电流和输出光谱特性呈现大致线性的变化关系。通过对于单通道的线性化矫正能够实现基于光源输入信号来调节光源的输出特性。因此所述单通道线性校正模块是系统运行的初始化模块,是系统运行稳定和准备的前提。依据匹配的环境光参数,优选能够模拟环境光光谱功率分布的基础通道,才能构建应用场景。基色通道线性化是建立基色通道硬件与智能匹配算法之间的基础数据。
在本具体实施方式中,所述单通道线性矫正模块的具体工作过程包括:
S001获取单通道的基色数据,所述基色数据包括从最小值到最大值驱动信号下的基色灯的照度值或光谱功率分布参数
在本模块中,优选地可以采用如下具体的操作来实现,例如,在首次进行线性化矫正时,记录单通道的电源控制器从0开始按照一定的驱动信号步长输送直流电给单通道基色灯,直至基色灯达到最亮状态,使用环境光测量传感器记录每一个步长发光状态的照度或光谱功率分布参数,按照对应关系记录成表。
对于非首次进行线性化矫正时,截取环境光传感器最低照度值(大于0)反应时的步长值为线性化数据的起始值,然后按照此步长值依次调整电流并记录相应的照度值或光谱功率分布的峰值,直到截取环境光传感器出现第一个最大照度值反应时记录的数据作为线性化数据的终值。
S002确定线性化关系,根据单通道的基色数据和进行线性化的步长值确定步长值与照度值或者光谱功率分布的线性函数关系
在本模块中,优选地,可以根据如下两种情况实现,首先绘制步长值与照度值或者光谱功率分布的峰值之间曲线,如果曲线是线性的,拟合线性函数作为基色的线性化关系;如果曲线是非线性的,建立步长值与照度值或者光谱功率分布的峰值的查找表,步长之间的数据使用临近插值求解,作为基色的线性化关系。
由此对每个通道逐一进行线性化关系建立。
虽然光源需要进行线性化,但是线性化并不是每一次运行本专利的方法时都需要运行的,因为线性化耗时较长因此可以在一定时间段内对基色光源进行一次线性化,或者在选择光源安装时就选择已经进行了线性化矫正后的光源。
目标光谱自动匹配模块
用于匹配目标光谱的输出,该模块用于优选出基色通道,调用线性化的数据,以所匹配的环境光光谱和照度为目标值求得最优的拟合光谱。目标光谱自动匹配模块的工作过程包括:
S101获取目标参数
在本模块中,获取待模拟的目标环境的参数。可以通过输入的方式来获取目标参数,例如通过输入的方式获取目标光谱以及目标照度值、色温、显色指数等参数;也可以通过系统配置的环境光传感器测量获取目标光谱以及目标照度值、色温、显色指数等参数。
目标参数是模拟相关环境的目标值。确定目标参数后,就可以在接下来根据目标参数来调配相应的光源,实现匹配。
S102根据所述目标参数,筛选出多个一级拟合子波
然后优选出基色通道,将目标光谱使用基色优选方案算法分解出最佳的基色通道组合,记录各基色组合的比例系数。
核心算法:
式中,y表示目标光谱,ai bi ci是系数,其中ai不可以是负值;i从1到n,表示通道数量。算法的原理是以高斯函数组成小波,对目标光谱进行分解,得到一级小波分解参数,包括高斯函数的数量,高斯函数的系数。ai值的物理意义是可以表示参与混色基色的比例,bi值的物理意义是可以表示参与混色基色通道的峰值位置,ci值的物理意义是可以表示参与混色基色通道的带宽。
S103判断每一个所述一级拟合子波是否有对应的单通道,如果不存在对应的单通道,则以该一级拟合子波的参数作为目标参数,筛选出下一级拟合子波,重复此过程直到得到与所有一级子波对应的单通道及该单通道的驱动参数。
如图2-3所示,在本模块中进行基色模拟,其主要目标是,a)管理LED基色通道的数量,自定义基色通道;b)依据目标光谱,推荐最佳基色叠加过程。光谱基色优先技术路线。
鉴于LED基色的带宽较窄,一级小波分解的结果可能存在超宽带宽的情况存在,需要进行二级小波分解,如此循环一次,可以得到多级分解系数。还原目标光谱时,需将分解过程进行逆运算,从最小的分解开始叠加,最后得到目标光谱的逼近光谱。x为单通道光谱的波形。
在本模块中,将上一级子波作为目标参数,分解得到组成上一级子波的下一级子波的算法和模块S102中相同,即,以高斯函数组成小波,对目标光谱进行分解。因此在本模块中不再详细描述。
目标光谱的分解与拟合过程表现为树状结构
然后确定基色输入值,各基色通道比例系数与目标照度相乘,得到各基色参与混合光时所需的照度,调用基色线性化关系或查找表,求解各基色线性化的步长值。
再确定电源控制器输入值,依据线性化过程中的电源控制器电流与线性化步长值,确定电源控制器输入直流电的数值。
S104确定模拟方案的模拟精度是否在预定范围之内
筛选出来的基色光源与理论上计算得到的子波在光谱参数上有一定的区别。因此需要模拟光源的模拟效果,以确定模拟方案是否能够达到预定的目标。
在本模块中,使用上文所述的核心算法的逆运算得到模拟出来的结果。在本模块中,使用电源控制器输送预计算的电流值,输出各基色光谱,将各基色光谱相加,输出目标光谱。最后评价环境光模拟精度,评价光谱误差,计算拟合光谱与目标光谱的RMSE评价曲线精度或同色异谱指数,数值越小精度越高;依据拟合的光谱计算模拟环境光的色温、色坐标,分别与目标环境的色温差和色差,依据行业标准,要求色温误差在100K以内、色坐标DeltaUV小于0.005等。
如果没达到要求,可重复S101-S103模块,优化基色组合,致使达到使用需求。也可以适度调节基色光源,然后通过动态调节的方式来达到目标光源的要求。
采用上述方案对于CIE标准光源A、B、C、D50、D55、D65、D75进行光谱模拟的一种结果可以参考下表所示:
在一级分级的情况下即可模拟CIE标准光源的光谱,其中采用的全光谱基色还可以进行二级分解,分解为窄带基色。如需要平滑的光谱使用全光谱基色,如需要锐利的光谱继续进行二级分解,采用窄带组合。表中绘制“---”的位置,是本技术方案的优选方案的体现,可以用表中其他窄带基色替换。
本系统创新性地提出了基于目标光谱选配最优基色通道的技术方案,以目标光谱多级分解的方式寻找最佳的窄带LED基色,组成多基色通道,然后再逆向叠加拟合目标光谱。理论上讲本技术方案,最节省、高效,且匹配精度高,为多通道LED光源开发提供了选配基色的方案,具有理论指导意义。
本系统设计了软硬件的基本构成,为多通道LED光源开发提供参考技术。基色通道组合采用模块化设计,六个基色组成一个模块,六边形结构可使空间颜色混合更加均匀,以期模拟人眼视网膜结构。模块化设计系统组装方便,与基色优选方案有益配合。系统配置有环境光传感器,可设计随环境光变化而自动化变光光源,满足智能照明的需求。个性化光谱调节,满足特性测试或者特殊照明的需求。循环校正技术保障光源运行的稳定性和满足目标光谱匹配的精度要求。
使用本系统构建的光源可以完美匹配CIE标准照明体光谱,显色指数可达99以上,无色差,色温误差在10K以内,照度差在20Lux以内。
本系统提供一个模拟CIE A、B、C、D50、D65、D75标准光源的基色组合方案,见附图1-6所示。
专业人员可以进一步意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法模块,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现,为了清楚地说明硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及模块。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的模块可以用硬件、处理器执行的软件模块,或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式,对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本申请的具体实施方式而已,并不用于限定本申请的保护范围,凡在本申请的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。