如何拒絕單一顯示：混色背后的科學

作者：時間：2013-05-16 來源：網絡

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

　　混色的本質是通過以適當比例混合基礎原色生成次級（secondary）色彩的過程。本文將解釋混色背后的科學，包括涉及到的數(shù)學公式以及如何有效地應用它們。

　　混色和多點激勵空間背后的科學

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

　　類似于任何其他物理現(xiàn)象的數(shù)學表示，顏色模型可以以不同方式表述。每種模型各有優(yōu)缺點。建模的目標是盡量減少公式的復雜性和變量數(shù)，同時最大化“實質”和覆蓋范圍。

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

　　在多點激勵空間，色彩激勵由字母R、Q、G、B和A等標記。Q指代任意顏色的激勵；字母R、G、B和A，留作表述選定的用于配色實驗的固定基本激勵。紅，綠，藍和琥珀色是基本激勵。

　　色彩匹配是指給定激勵Q由確定的各種基本激勵R、G、B和A以適當數(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Q由多點激勵向量Q表述；其中：標量乘數(shù)（scalar multiplier）RQ、GQ、BQ和AQ分別以給定的基本激勵R、G、B和A的約定的各自度量單位來測量，它們被稱為Q的多點激勵值。

　　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，它們界定了空間。他們有共同起點，指向四個不同方向。

　　圖1 多維色彩空間

　　向量Q與R、G、B和A的原點相同。其四個組成部分，位于由R、G、B和A定義的軸；長度分別等于Q的多點激勵值RQ、GQ、BQ和AQ。方向和長度可由公式（1）定義的簡單矢量方程獲得。R、G、B和A定義的空間，被稱為多激勵空間。在該空間，顏色激勵Q可看作一個多激勵向量（RQ、GQ、BQ和AQ）。在顏色混合算法中，固件計算這些值應該是什么，以獲得色彩激勵Q。

　　混色

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

　　圖2 CIE色度圖

　　對這三種LED色進行混合可以產生位于這個三角形內的任何顏色。該區(qū)域被稱為色域。但在CIE 1931標準中，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色而計算原色的比例時，不能采用線性變換。

　　在混色應用中，固件按照CIE色度坐標的形式輸入數(shù)值。對每個LED通道，它將坐標轉換成適當?shù)恼{光值。簡單說，調光值就是LED必須具有的調光范圍所對應最大光通量的比例。如果以智能方式迅速接通和關斷LED的工作電流，就可對LED的光通量輸出實施控制。

　　固件會將該坐標與預編程的系統(tǒng)中所用LED特點的知識相結合。然后，它完成必要的將色度坐標正確轉換成每個LED亮度值的轉換功能。該過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。

　　多通道混色

　　在三通道混色中，如果將三個LED的色點映射到CIE 1931圖表，就構成一個三角形。如果是紅，綠，藍三個LED，則其形成的三角形就被稱為色域（見圖2）。三角形的面積內，是這三個特定LED可以實現(xiàn)顏色的色域。三角形內任何（X，Y）坐標都是進入系統(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。對四通道混色來說，如果將四個LED的色點映射到一個色彩空間圖，很明顯，四個LED色點間的連線，就構成了四個三角形，圖3。

　　圖3 四通道混色疊加

　　這里介紹的方法可很容易地擴展到超過4個LED的顏色。在圖3中，四個三角形分別是由以下的三個LED構成的：TR1（R、G、B）、TR2（R、A、B）、TR3（R、G、B）和TR4（G、A、B）。

　　求解每個三角形以獲得用于三通道混色功能的調光值。在這四個三角形中，兩個給出全部非負的調光值；另兩個，有一個或全部的負調光值。帶負值的三角形是無效的應丟棄掉。對全部正值的調光陣列進行累計。

　　對負調光值的解釋是：所需的點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返回所有非負值；對P2，至少有一個亮度值是負的。

　　圖4 正和負調光值。

　　為每個所需的顏色增加兩個正調光值，并進行適當?shù)恼{適。負調光值意味著所需的顏色不在色域內，因此不能使用特定的基色產生。

　　混色實施細則

　　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由三個值（x、y、Y）代表。（X，Y）定義點，其中：X和Y值表示顏色的色調和飽和度。色調是CIE 1931色彩空間的一個維度。飽和度是該色彩空間的第二個維度。（x、y、Y）向量的第三個值規(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，并整合了四個通道的具有滯環(huán)控制器特點的獨立恒流驅動器。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；采用內部MOSFET開關可驅動1A電流。