舞臺(tái)影視燈具光度數(shù)據(jù)照相測(cè)試法

柳得安，俞世熊

（1. 上海戲劇學(xué)院，上海 200040；2. 上海程韻網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，上海 200540）

舞臺(tái)影視燈具光度數(shù)據(jù)照相測(cè)試法

柳得安1，俞世熊2

（1. 上海戲劇學(xué)院，上海 200040；2. 上海程韻網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，上海 200540）

光度數(shù)據(jù)照相測(cè)試法是自主研發(fā)的一種全新的舞臺(tái)影視燈具光度數(shù)據(jù)測(cè)試方法，能替代復(fù)雜煩瑣的手工測(cè)試和昂貴的分布光度計(jì)測(cè)試。本文介紹照相測(cè)試法的測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試方法、基本原理、技術(shù)關(guān)鍵、準(zhǔn)確性和其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

舞臺(tái)燈具；光度數(shù)據(jù)；照相測(cè)試法；分布光度計(jì)測(cè)試

1 光度數(shù)據(jù)照相測(cè)試法誕生的背景

舞臺(tái)燈光是一種藝術(shù)照明，照明效果通常以人的感覺(jué)為準(zhǔn)，因此，在早期的舞臺(tái)燈光設(shè)計(jì)中，對(duì)燈具要求也是以人眼主觀判斷為主。電視燈光的誕生對(duì)照明提出了色溫、照度、均勻度等要求，人們開(kāi)始對(duì)燈具自身的光學(xué)物理參數(shù)有所重視。近年來(lái)，隨著舞臺(tái)和影視燈光藝術(shù)要求的提高和燈具技術(shù)的發(fā)展，特別是LED燈具在發(fā)光效能上的要求，業(yè)內(nèi)對(duì)燈具的光度物理參數(shù)越來(lái)越重視。

為了規(guī)范光度參數(shù)的測(cè)試，文化部制定頒布了文化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)WH/T 26-2007《舞臺(tái)燈具光度測(cè)試與標(biāo)注》。《舞臺(tái)燈具光度測(cè)試與標(biāo)注》標(biāo)準(zhǔn)的制定，對(duì)指導(dǎo)和規(guī)范舞臺(tái)影視燈具的生產(chǎn)和應(yīng)用起了很大作用。

在此基礎(chǔ)上，中國(guó)演藝設(shè)備技術(shù)協(xié)會(huì)自2008年開(kāi)始在行業(yè)內(nèi)開(kāi)展了舞臺(tái)影視專(zhuān)業(yè)燈具優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的評(píng)定活動(dòng)。筆者有幸參與了標(biāo)準(zhǔn)的制定和專(zhuān)業(yè)燈具評(píng)優(yōu)的全過(guò)程，在評(píng)優(yōu)過(guò)程中深感燈具的光度參數(shù)測(cè)試的艱難。燈具光度參數(shù)通常采用分布光度計(jì)測(cè)試或手工測(cè)試。分布光度計(jì)測(cè)試需要專(zhuān)業(yè)的大型測(cè)試設(shè)備，還要根據(jù)燈具的不同形狀，設(shè)計(jì)、加工專(zhuān)門(mén)的夾具，同時(shí)需要支付昂貴的委托測(cè)試費(fèi)。而手工測(cè)試需要人工測(cè)試100多個(gè)點(diǎn)，并有大量的數(shù)據(jù)計(jì)算以及曲線繪制，工作量大，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。2008年第一次評(píng)優(yōu)正是采用手工測(cè)試方式，數(shù)據(jù)采集和處理環(huán)節(jié)影響了整個(gè)評(píng)優(yōu)工作的進(jìn)度。經(jīng)調(diào)研，得知美國(guó)有一家公司研制了光度參數(shù)照相測(cè)試法，并在美國(guó)演藝燈具行業(yè)中有所應(yīng)用，但是其不僅價(jià)格昂貴，而且不能完全符合我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，迫切需要尋找一種高效快速、適合中國(guó)演藝設(shè)備行業(yè)專(zhuān)業(yè)燈具的光度測(cè)試方法。在廣州市珠江燈光科技有限公司的支持下，經(jīng)過(guò)數(shù)年的探索、實(shí)踐，照相測(cè)試法的檢測(cè)精度不斷提升、檢測(cè)過(guò)程不斷精簡(jiǎn)，最終形成了完善的光度數(shù)據(jù)照相測(cè)試法。該測(cè)試法已成功地應(yīng)用在舞臺(tái)影視燈具光度測(cè)試領(lǐng)域。

2 光度數(shù)據(jù)照相測(cè)試法測(cè)試的項(xiàng)目

光度數(shù)據(jù)照相測(cè)試法的開(kāi)發(fā)是完全依據(jù)文化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)WH/T 26-2007《舞臺(tái)燈具光度測(cè)試與標(biāo)注》，能測(cè)試該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的全部光度參數(shù)。具體可測(cè)試以下參數(shù)和曲線：

（1）光斑角（θ）

圓形有效光斑的直徑兩端與出光口中心點(diǎn)連線所形成的夾角。

注：硬光斑的全部為有效光斑。柔（軟）光斑中照度值不小于最高照度值10%的范圍為有效光斑。

（2）光束角（θ1/2）

圓形半峰值光斑的直徑兩端與出光口中心點(diǎn)連線所形成的夾角。

注：光斑中照度值不小于最高照度值50%的范圍為半峰值光斑。

（3）有效光通量（Fe）

有效光斑范圍內(nèi)的總光通量。

（4）平均照度值（Ea）

有效光斑內(nèi)照度的平均值。

（5）照度均勻度（ξ）

有效光斑內(nèi)平均照度值與最高照度值的比值。

（6）燈具效率（ηl）

燈具的有效光通量與所用光源總光通量的比值。

（7）燈具發(fā)光效能（ηe）

燈具的有效光通量與光源及保證光源正常工作所必需的全部電器附件消耗的總電功率的比值。

（8）光斑射距系數(shù)（K）

圓形有效光斑的直徑與射距的比值。

（9）等照度曲線圖

將一系列表示不同照度值的等照度曲線繪制在一起的圖（見(jiàn)圖1）。

（10）光強(qiáng)分布曲線圖

光強(qiáng)度隨方向變化的關(guān)系曲線圖（見(jiàn)圖2）。

注：光強(qiáng)分布曲線也稱(chēng)配光曲線，在民用照明行業(yè)內(nèi)通常采用極坐標(biāo)形式。由于舞臺(tái)專(zhuān)業(yè)燈具與民用燈具不同，極大多數(shù)是聚光類(lèi)燈具，其光斑角較小，只有在直角坐標(biāo)系統(tǒng)才能更好地表現(xiàn)其光分布特性。

（11）射距、光斑直徑與照度關(guān)系圖

圓形光斑中心照度或平均照度與有效光斑直徑隨射距變化的關(guān)系圖（見(jiàn)圖3）。

除此之處，照相測(cè)試法還能獲得光斑中心照度、光斑內(nèi)最高照度及最高照度偏離光斑中心的位置等輔助參數(shù)。

3 光度數(shù)據(jù)照相測(cè)試法的測(cè)試方法及其基本原理

圖1 等照度曲線圖

圖2 光強(qiáng)分布曲線圖

圖3 射距、光斑直徑與照度關(guān)系圖

將燈具調(diào)整至正常工作狀態(tài)，在暗室中將光束投射到漫反射的測(cè)試面（通常可以是平整的亞光墻面），調(diào)整投射距離，在測(cè)試面形成直徑為3 m或2 m的光斑（具體按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)WH/T 26要求），照相機(jī)在計(jì)算機(jī)控制下，拍攝光斑照片（見(jiàn)圖4-1）1張、尺寸比對(duì)照片（見(jiàn)圖4-2）1張以及照度比對(duì)照片（見(jiàn)圖4-3）5張，輸入射距、功率等原始數(shù)據(jù)，即可在計(jì)算機(jī)中完成分析運(yùn)算，生成上述光度測(cè)試報(bào)告（見(jiàn)圖5）。

圖4-1 光斑照片

圖4-2 尺寸比對(duì)照片

圖4-3 照度比對(duì)照片之一

圖5 舞臺(tái)燈具光度測(cè)試報(bào)告

光度數(shù)據(jù)照相測(cè)試法是運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)光斑的數(shù)碼照片進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，將燈具光斑影像的灰度數(shù)值轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的照度值，并形成一系列光度數(shù)據(jù)與圖表的一種測(cè)試方法。其中，尺寸比對(duì)照片是計(jì)算機(jī)采集光斑物理尺寸的過(guò)程；照度比對(duì)照片是用于采集光照面實(shí)際照度與照相機(jī)相片灰度之間的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系。5張照度對(duì)比照片中應(yīng)包括在最高照度和最低照度點(diǎn)附近采集的數(shù)據(jù)，其他3張照度對(duì)比照片應(yīng)在最高照度和最低照度之間的均分值點(diǎn)（即3/4、1/2和1/4）附近采集。據(jù)此，計(jì)算機(jī)程序建立起相應(yīng)的擬合曲線，提供灰度和照度轉(zhuǎn)換時(shí)的對(duì)應(yīng)依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算機(jī)對(duì)光斑照片逐點(diǎn)掃描并轉(zhuǎn)譯成照度值，獲得光斑的照度數(shù)據(jù)集。然后再將各點(diǎn)的照度值乘以該點(diǎn)微面積即得到各點(diǎn)的微光通量，有效光斑內(nèi)各點(diǎn)微光通量的合計(jì)值即為光斑的有效光通量。最后一步光通量的計(jì)算原理與分布光度計(jì)或手工測(cè)試是完全相同的。

4 光度數(shù)據(jù)照相測(cè)試法的技術(shù)關(guān)鍵

光度數(shù)據(jù)照相測(cè)試法是一種全新的測(cè)試技術(shù)，在研發(fā)中需要解決很多技術(shù)難點(diǎn)，主要的技術(shù)難點(diǎn)包括以下內(nèi)容。

4.1 照片灰度等級(jí)與實(shí)際光照度間對(duì)應(yīng)關(guān)系的確立

不同燈具光斑亮度的幅度差極大，數(shù)碼相機(jī)在采樣拍攝時(shí)光圈大小、快門(mén)速度、感光度高低等選項(xiàng)的變動(dòng)，都直接影響著數(shù)碼成像結(jié)果；且數(shù)碼相機(jī)本身感光器件的特性并非線性，而是半導(dǎo)體器件固有的S型曲線。通過(guò)大量的數(shù)據(jù)測(cè)試和研究，最后找到和確定了它們的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立了特定函數(shù)的擬合曲線，解決了照片灰度與照度間的非線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4.2 海量數(shù)據(jù)運(yùn)算速度

光斑照片的像素點(diǎn)高達(dá)數(shù)百萬(wàn)、甚至上千萬(wàn)，經(jīng)去毛刺、柔化等處理，最后用于計(jì)算光通量的數(shù)據(jù)點(diǎn)也近85萬(wàn)，海量的數(shù)據(jù)計(jì)算，對(duì)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度是極大的考驗(yàn)。如果用原始的計(jì)算方法，在一般的家用或商用筆記本計(jì)算機(jī)中運(yùn)算，將需幾十分鐘，這將嚴(yán)重影響軟件的使用和推廣。經(jīng)過(guò)反復(fù)的算法分析，優(yōu)化了算法，極大地提高了運(yùn)算速度，將運(yùn)算時(shí)間壓縮到1分鐘以?xún)?nèi)，為測(cè)試法的使用和推廣創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)。

4.3 光斑影像變形問(wèn)題

為了使光斑內(nèi)的光分布盡可能接近舞臺(tái)上實(shí)際應(yīng)用的情況，《舞臺(tái)燈具光度測(cè)試與標(biāo)注》標(biāo)準(zhǔn)的要求，一般燈具的測(cè)試光斑直徑為3 m。對(duì)于如此大的光斑，照相機(jī)鏡頭通常處于中、廣角狀態(tài)，變形就很難避免。為了盡可能地減少變形對(duì)測(cè)試的影響，取景時(shí)盡量使光斑的影像位于取景框的中央部位，四周留出一定的空間，這樣可以很大程度上減小成像的變形程度。縮小了成像面積，光斑的有效像素雖然有所降低，但目前照相機(jī)的像素非常高，即使以光斑面積占整個(gè)相片面積的1/3計(jì)算，也有百萬(wàn)數(shù)量級(jí)像素，作為光通量的計(jì)算并不需要如此多的計(jì)算點(diǎn)，實(shí)際上光斑相片經(jīng)處理后，用作計(jì)算的單元近85萬(wàn)個(gè)。此外拍照時(shí)相機(jī)的位置盡可能靠近燈具出光口，以減小圖像變形失真。

4.4 反射面的漫反射特性

為使光斑在照相機(jī)內(nèi)的成像盡可能真實(shí)地反映光斑的實(shí)際情況，燈具投光的反射面必須具有理想的漫反射特性，此漫反射面理論上應(yīng)該是當(dāng)光照射時(shí)向不同方向的反射特性均勻一致的朗伯面。但在實(shí)際測(cè)試中，不可能達(dá)到如此高的要求，否則照相測(cè)試法就難以進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用和推廣。經(jīng)研究，并在軟件上采取適當(dāng)措施后，在一個(gè)平整、稍作處理的墻面上涂上亞光的涂料，即可作為拍照的反射面使用。在這樣的墻面上拍出來(lái)照片難免會(huì)產(chǎn)生一些光的突變點(diǎn)，這就需要在圖像處理中予以識(shí)別和處理，排除干擾。在軟件編制時(shí)采用了一些特殊的計(jì)算和處理，既保證了測(cè)試的準(zhǔn)確性，又降低了對(duì)照片拍攝測(cè)試面的要求。

5 光度數(shù)據(jù)照相測(cè)試法準(zhǔn)確性分析

光度數(shù)據(jù)照相測(cè)試法的有效光通量計(jì)算方法與手工測(cè)試法和分布光度測(cè)試法都是相同的，都是采用先計(jì)算光斑中一個(gè)微區(qū)域內(nèi)的光通量，即微區(qū)域內(nèi)的平均照度乘以此微區(qū)域的面積，然后將整個(gè)有效光斑的各微光通量相加獲得總有效光通量。因此，從計(jì)算原理上看，照相測(cè)試法不會(huì)在這個(gè)環(huán)節(jié)上影響測(cè)試準(zhǔn)確性。相反，照相測(cè)試法有85萬(wàn)的采樣計(jì)算點(diǎn)，用作計(jì)算單元的微區(qū)域更多、面積更小，應(yīng)該能更準(zhǔn)確地反映光斑的實(shí)際情況。相比之下，手工測(cè)試只有一百多個(gè)采樣點(diǎn)（按《舞臺(tái)燈具光度測(cè)試與標(biāo)注》標(biāo)準(zhǔn)的要求計(jì)算），分布光度計(jì)測(cè)試時(shí)燈具旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)角度通常為1°或0.5°，因此，一般也只有幾百個(gè)采樣點(diǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于照相測(cè)試法。

那么，相片的成像質(zhì)量和影像的灰度與照度間的轉(zhuǎn)換將成為影響測(cè)試準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，正如前面所述，準(zhǔn)確的擬合曲線保證了計(jì)算的準(zhǔn)確性，照片拍攝中影像變形的控制，計(jì)算軟件中對(duì)照度突變點(diǎn)的識(shí)別和處理等技術(shù)措施都有效地保證了測(cè)試的準(zhǔn)確性。

表1是對(duì)3個(gè)燈具分別用照相測(cè)試法和分布光度計(jì)測(cè)試結(jié)果的比對(duì)表：

表1 照相測(cè)試法和分布光度計(jì)測(cè)試結(jié)果比對(duì)表

根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，照相法均為正偏差，但測(cè)試誤差均在3%左右。誤差在可以接受的范圍內(nèi)，能夠勝任對(duì)舞臺(tái)燈具光度參數(shù)的測(cè)試工作。

6 光度數(shù)據(jù)照相測(cè)試法的特點(diǎn)

燈具的光度數(shù)據(jù)測(cè)試長(zhǎng)期以來(lái)一直是一件比較麻煩的事，特別是光的分布數(shù)據(jù)測(cè)試更為困難，以至于一些燈具企業(yè)對(duì)生產(chǎn)的燈具幾乎不作光度測(cè)試，這在很大程度上阻礙了行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。舞臺(tái)燈具光度數(shù)據(jù)照相測(cè)試法就是針對(duì)這些問(wèn)題開(kāi)發(fā)的，使燈具的光度數(shù)據(jù)測(cè)試變得簡(jiǎn)單、可行，有利于推廣應(yīng)用，促進(jìn)行業(yè)進(jìn)步。與光度數(shù)據(jù)手工測(cè)試和分布光度計(jì)測(cè)試相比，光度數(shù)據(jù)照相測(cè)試法有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

6.1 測(cè)試速度快

照相測(cè)試法測(cè)試一個(gè)燈具只需拍攝7張照片，即可在計(jì)算機(jī)中運(yùn)算得出所有的光度數(shù)據(jù)，總共只需要幾分鐘時(shí)間。而在手工測(cè)試中需以手工方式測(cè)度100多個(gè)點(diǎn)，并手工記錄，再數(shù)據(jù)處理和曲線繪制，測(cè)試一個(gè)燈具前后共需要幾個(gè)小時(shí)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。分布光度計(jì)測(cè)試時(shí)燈具需在x、y兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)測(cè)試，步進(jìn)角通常為1°或0.5°，大致共測(cè)試數(shù)百個(gè)點(diǎn)，耗時(shí)也需幾十分鐘至一個(gè)多小時(shí)。

6.2 不固定占用場(chǎng)地

照相測(cè)試法只需一面平整的漫反射墻面和能滿(mǎn)足燈具一定投射距離的空間，在不測(cè)燈具時(shí)，該場(chǎng)地仍可用作原有用途。而分布光度計(jì)則需永久性占據(jù)較大的空間，對(duì)于一般的燈具廠和研究單位，燈具測(cè)試的頻度不可能很高，因此空間的利用率很低。

6.3 不需要專(zhuān)用的夾持裝置

照相測(cè)試法只要將燈具放置到1.6 m～1.7 m高度（測(cè)試光斑直徑為3 m時(shí)）即可，因此只需一個(gè)普通的立式燈架就能解決，甚至用桌子、箱子等也能將就。但分布光度計(jì)測(cè)試時(shí)，必須加工專(zhuān)用的夾持裝置才能將燈具固定在分布光度計(jì)上進(jìn)行測(cè)試。不同規(guī)格、不同外形的燈具都需配用不同的專(zhuān)用的夾持裝置，前期準(zhǔn)備工作時(shí)間長(zhǎng)，需要花費(fèi)材料及加工方面的費(fèi)用。由于燈具的品種很多，夾持裝置也相應(yīng)很多，因此還需占用空間存放和保管。

6.4 對(duì)測(cè)試燈具種類(lèi)適應(yīng)性好

照相測(cè)試法對(duì)被測(cè)燈具的外形、重量等均無(wú)要求。一些外形龐大、重量極大的燈具根本無(wú)法夾持在分布光度計(jì)上測(cè)試，但對(duì)照相測(cè)試法而言毫無(wú)困難。特別是在燈具開(kāi)發(fā)研制時(shí)，無(wú)燈殼的實(shí)驗(yàn)燈具、甚至在光具座臨時(shí)組成的試驗(yàn)光路也完全可用照相法測(cè)試，這對(duì)燈具生產(chǎn)商研發(fā)新燈具非常有益。

6.5 費(fèi)用投入少

相對(duì)于購(gòu)置分布光度計(jì)的幾十萬(wàn)元費(fèi)用而言，照相測(cè)試法的資金投入就相當(dāng)之少。分布光度計(jì)還需要有日常的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用，而照相測(cè)試法則無(wú)這方面的要求，且軟件的升級(jí)維護(hù)是免費(fèi)的。

6.6 便攜性好

照相測(cè)試法全套設(shè)備只有幾千克，隨身攜帶非常方便。筆者在承擔(dān)“LED舞臺(tái)燈具通用技術(shù)條件”標(biāo)準(zhǔn)編制課題時(shí)，曾帶著照相測(cè)試法的設(shè)備在各燈具廠實(shí)地測(cè)試，順利地完成了LED燈具的調(diào)研工作。在這方面，分布光度計(jì)是望塵莫及的。

6.7 操作簡(jiǎn)便、易于學(xué)習(xí)

照相測(cè)試法易學(xué)、易用，操作人員只要稍加學(xué)習(xí)或培訓(xùn)就可上手操作。燈具廠一般的研發(fā)人員都可使用，這樣研發(fā)和測(cè)試直接相關(guān)聯(lián)，研發(fā)人員能直接、快速獲得燈具的光度數(shù)據(jù)，對(duì)新燈具的研發(fā)大有好處。分布光度計(jì)需要由專(zhuān)門(mén)的技術(shù)人員操作和管理，局限性較大。

“舞臺(tái)燈具光度數(shù)據(jù)照相測(cè)試法”是經(jīng)文化部批準(zhǔn)立項(xiàng)的科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目，并由文化部文化科技司驗(yàn)收。驗(yàn)收?qǐng)?bào)告認(rèn)定：照相測(cè)試法能替代復(fù)雜、煩瑣的人工測(cè)試方法，具有先進(jìn)性和創(chuàng)新性；對(duì)文化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《舞臺(tái)燈具光度測(cè)試與標(biāo)注》的貫徹推廣提供了一種可靠、便捷、實(shí)用的測(cè)試方法；該成果具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值及推廣前景；該項(xiàng)目填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)舞臺(tái)燈具光度照相測(cè)試法的空白，為規(guī)范舞臺(tái)燈具行業(yè)對(duì)舞臺(tái)燈具光度檢測(cè)，提供了一種新穎、便捷、可靠的科學(xué)手段，具有現(xiàn)實(shí)意義。“舞臺(tái)燈具光度數(shù)據(jù)照相測(cè)試法”在中國(guó)演藝設(shè)備技術(shù)協(xié)會(huì)主辦的歷屆演藝設(shè)備行業(yè)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品評(píng)定中得到全面的應(yīng)用，并在測(cè)試實(shí)踐中不斷改進(jìn)和完善，使測(cè)試更方便快捷。該方法也在一些燈光相關(guān)的研究單位和企業(yè)中應(yīng)用，在舞臺(tái)影視燈具的科研、新品開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品檢測(cè)等方面起到了積極的作用，將促進(jìn)舞臺(tái)影視燈具行業(yè)的發(fā)展更加理性、科學(xué)、規(guī)范。

（編輯 張冠華）

Photographic Test Method of Photometric Data for Luminaires Used in Stage, Film and Television Lighting

LIU De-an1, YU Shi-xiong2
(1. Shanghai Theatre Academy China, Shanghai 200040, China; 2. Shanghai Chengyun Network Technology Co., Ltd., Shanghai 200540, China）

The photographic test method of photometric data is a new method of the determination of photometric data for luminaires. It can replace the complicated manual testing and expensive test meter distribution photometer. In this paper, the writer introduced the test items, test methods, basic principles, technical key accuracy and the unique advantages of the photographic test method.

luminaires; photometric data; photographic test method; distributed photometric test

10.3969/j.issn.1674-8239.2016.03.001