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390 nm~700 nm 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“ color gamut”（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%），cue 2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，cue 1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2800 K的光，要比5600 K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3200 K的光，更像是2800 K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