一种面向国画展陈照明的多级照度色温喜好度预测方法及系统与流程

本发明属于led智能照明技术领域，具体涉及一种面向国画展陈照明的多级照度色温喜好度预测方法及系统。

背景技术：

国画是中国的传统绘画形式，主要指的是画在绢、宣纸、帛上并加以装裱的卷轴画。如何合理依托现代led照明技术，针对性开展文博展陈照明方案设计工作，以展现国画为代表的中华文化美学，满足人民精神需求，已成为我国文博工作者重点关注的一大课题。

自蓝色发光二极管问世以来，led光源制造技术飞速发展，推动了展陈照明技术的进步。相比于传统光源，led光源具有高光效，低辐射，长寿命等诸多优势，而其光色可调的技术特点，更是为智能化展陈照明创造了可能，现今已经广泛应用于文博领域。

其中，照明喜好度因其可衡量人们对于展陈照明场景的综合视觉感知评价而逐渐成为工业界及学术界的一大研究热点。现阶段研究人员主要以照度和色温为两大切入点，探究其对于展陈照明喜好的内在影响。

参考文献[1].yuw,qiangl,wenyug,michaelr.p,zhengh,weic,jiaxinw.interactiveeffectofilluminanceandcorrelatedcolourtemperatureoncolourpreferenceanddegreeofwhitelightsensationforchineseobservers.optik.2020；224:165675.

参考文献[2].chenh-s,chouc-j,luoh-w,luom.museumlightingenvironment:designingaperceptionzonemapandemotionalresponsemodels.lightingresearch&technology.2016；48(5):589-607.

参考文献[3].khanht,bodrogip,guox,anhp.towardsauserpreferencemodelforinteriorlighting.part2:experimentalresultsandmodelling.lightingresearch&technology.2019；51(7):1030-1043.

然而，现阶段尚未出现一种面向国画展陈照明，并结合实际展陈照明条件对国画展陈光源进行评价的方法。具体而言，照度和色温对于展陈照明喜好具有不可割裂的交互作用，已被相关研究多次证实(见参考文献[1-3])；而现有评价方法并未充分考虑到实际展陈场景中常采用色温固定光源并通过调节物理距离或光源亮度改变照度的现状，仅通过粗略的照度色温双向复合方式评价展陈光源的照明喜好，极易忽略照度和色温的交互影响，在科学准确性和实应用性中存在局限。

对于上述问题，亟待提出一种技术方案，针对国画展陈光源进行基于分类多级照度色温量化的喜好度表征与评价，进而为国画展陈照明设计提供指导。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决背景技术中所述问题，提出一种面向国画展陈照明的多级照度色温喜好度预测方法及系统。

本发明的技术方案为提供一种面向国画展陈照明的多级照度色温喜好度预测方法，包括以下步骤：

步骤1，测量待展陈国画表面照度e；

步骤2，判断待展陈国画表面照度e是否在本发明所适用的照度范围内，即判断e1≤e≤e2是否成立，若不成立则不适用本发明，若成立则进行下一步骤；

步骤3，测量待评价光源的光谱功率分布；

步骤4，在均匀颜色空间s中计算待评价光源的相关色温t；

步骤5，判断待评价光源的相关色温t是否在本发明所适用的相关色温范围内，即判断ta≤t≤tf是否成立，若不成立则不适用本发明，若成立则进行下一步骤；

步骤6，将步骤1和步骤5中所获得的照度和色温信息输入到对应的本发明所构建的多级喜好度预测模型m1、m2、m3、m4和m5中，得到国画展陈光源的照明喜好度评价量值，进而实现对国画展陈光源照明质量的表征。具体而言，

m1适用条件为：{ta≤t<tb}∩{e1≤e≤e2}，具体形式如下，

其中，m1为喜好度预测量值，e为待展陈国画表面照度，t为待评价光源的相关色温。

m2适用条件为：{tb≤t<tc}∩{e1≤e≤e2}，具体形式如下，

其中，m2为喜好度预测量值，e为待展陈国画表面照度，t为待评价光源的相关色温。

m3适用条件为：{tc≤t<td}∩{e1≤e≤e2}，具体形式如下，

其中，m3为喜好度预测量值，e为待展陈国画表面照度，t为待评价光源的相关色温。

m4适用条件为：{td≤t<te}∩{e1≤e≤e2}，具体形式如下，

其中，m4为喜好度预测量值，e为待展陈国画表面照度，t为待评价光源的相关色温。m5适用条件为：{te≤t≤tf}∩{e1≤e≤e2}，具体形式如下，

m5＝-4.59+0.0038×t+0.005×e-4.519×10^-7×t²+1.473×10^-7×t×e-3.63×10^-6×e²

其中，m5为喜好度预测量值，e为待展陈国画表面照度，t为待评价光源的相关色温。

而且，步骤2中，e1＝100lux,e2＝1000lux；

而且，步骤3中，对测量得到的待评价光源的光谱功率分布采用400nm-700nm波段信息；

而且，步骤4中，均匀颜色空间s采用cie1976ucs均匀颜色空间；

而且，步骤5中，ta＝2500k,tf＝5500k；

而且，步骤6中，e1＝100lux,e2＝1000lux；ta＝2500k,tb＝3000k,tc＝3500k,td＝4000k,te＝4500k,tf＝5500k。

本发明还提供一种面向国画展陈照明的多级照度色温喜好度预测系统，包括以下模块：

待展陈国画表面照度采集模块，用于测量待展陈国画表面照度e；

照度范围判断模块，用于判断待展陈国画表面照度e是否在本发明所适用的照度范围内，即判断e1≤e≤e2是否成立，若不成立则不适用本发明；

待评价光源光谱信息采集模块，用于测量待评价光源的光谱功率分布；

待评价光源相关色温计算模块，用于在均匀颜色空间s中计算待评价光源的相关色温t；

相关色温范围判断模块，用于判断待评价光源的相关色温t是否在本发明所适用的相关色温范围内，即判断ta≤t≤tf是否成立，若不成立则不适用本发明；

展陈照明喜好度评价模块，用于采用本发明所构建的多级喜好度预测模型，对待评价光源进行喜好度预测，根据输出结果衡量待评价光源的照明质量。实现方式为，将待展陈国画表面照度和待评价光源的相关色温信息输入到本发明所构建的多级喜好度预测模型m1、m2、m3、m4和m5中，通过喜好度预测模型得到对应估计量值，实现对待评价光源展陈照明喜好度的表征。

m1适用条件为：{ta≤t<tb}∩{e1≤e≤e2}，具体形式如下，

其中，m1为喜好度预测量值，e为待展陈国画表面照度，t为待评价光源的相关色温；

m2适用条件为：{tb≤t<tc}∩{e1≤e≤e2}，具体形式如下，

其中，m2为喜好度预测量值，e为待展陈国画表面照度，t为待评价光源的相关色温；

m3适用条件为：{tc≤t<td}∩{e1≤e≤e2}，具体形式如下，

其中，m3为喜好度预测量值，e为待展陈国画表面照度，t为待评价光源的相关色温；

m4适用条件为：{td≤t<te}∩{e1≤e≤e2}，具体形式如下，

其中，m4为喜好度预测量值，e为待展陈国画表面照度，t为待评价光源的相关色温；

m5适用条件为：{te≤t≤tf}∩{e1≤e≤e2}，具体形式如下，

m5＝-4.59+0.0038×t+0.005×e-4.519×10^-7×t²+1.473×10^-7×t×e-3.63×10^-6×e²

其中，m5为喜好度预测量值，e为待展陈国画表面照度，t为待评价光源的相关色温。

而且，照度范围判断模块中，e1＝100lux,e2＝1000lux。

而且，待评价光源光谱信息采集模块中，对测量得到的待评价光源的光谱功率分布采用400nm-700nm波段信息。

而且，待评价光源相关色温计算模块中，均匀颜色空间s采用cie1976ucs均匀颜色空间。

而且，待评价光源光谱信息采集模块中，对测量得到的待评价光源光谱功率分布采用400nm-700nm波段信息。

而且，相关色温范围判断模块中，ta＝2500k,tf＝5500k。

而且，展陈照明喜好度评价模块中，e1＝100lux,e2＝1000lux；ta＝2500k,tb＝3000k,tc＝3500k,td＝4000k,te＝4500k,tf＝5500k。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明提出的一种面向国画展陈照明的多级照度色温喜好度预测技术方案，以待展陈国画表面照度特性为依托，以五个喜好度估计模型为手段，实现了对国画展陈光源照明喜好度准确的表征，进而为本领域提供了一种全面且具有针对性的国画展陈光源评价方法。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2是本发明实施例中实验视觉环境实拍图。

具体实施方式

结合附图，提供本发明实施例具体描述如下。

如图1所示实施例提供的一种面向国画展陈照明的多级照度色温喜好度预测技术方案，以待展陈国画表面照度特性为依托，以五个喜好度估计模型为手段，实现了对国画展陈光源照明喜好度准确的表征，进而为本领域提供了一种全面且具有针对性的国画展陈光源评价方法。

实施例采用5类具有不同相关色温的led光源作为待评价光源，其相关色温分别为2700k、3300k、3900k、4500k和5200k；每类光源共有三盏轨道射灯(相关色温相同)，其可调节与待展陈国画的物理距离。以三种典型的国画(绘画内容分别为：紫藤、竹子和桃花)作为待展陈物体，国画表面的照度分别设定为100lux、400lux、700lux和1000lux。并以心理物理学实验结果为模型检验依据，对本文提出的一种面向国画展陈照明的多级照度色温喜好度预测方法准确性进行说明。需要说明的是，本发明并不局限上述光源与物体，对于其他led光源或其他国画，本方法同样适用。

本发明技术方案具体实施时可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行。实施例提供的方法流程包括以下步骤：

1)测量待展陈国画表面照度e；

在实施例中，以三种典型的国画(内容分别为：紫藤、竹子和桃花)作为待展陈物体，并采用远方照度计spic-300测量国画表面的照度。国画表面的照度分别设定为100lux、400lux、700lux和1000lux。

2)判断待展陈国画表面照度e是否在本发明所适用的照度范围内，即判断e1≤e≤e2是否成立，若不成立则不适用本发明，若成立则进行下一步骤；

在实施例中，e1＝100lux,e2＝1000lux；

3)测量待评价光源的光谱功率分布，采用400nm-700nm波段信息；

在实施例中，采用x-ritei1pro分光光度仪测量5类具有不同相关色温的led光源，其相关色温分别为2700k、3300k、3900k、4500k和5200k，波长范围为400nm-700nm。

4)在均匀颜色空间s中计算待评价光源的相关色温t；

在实施例中，采用cie1976ucs颜色空间，计算所有待评价光源的相关色温。

5)判断待评价光源的相关色温t是否在本发明所适用的相关色温范围内，即判断ta≤t≤tf是否成立，若不成立则不适用本发明，若成立则进行下一步骤；

在实施例中，ta＝2500k,tf＝5500k；

6)将1)和5)中所获得的照度和色温信息输入到对应的本发明所构建的多级喜好度预测模型m1、m2、m3、m4和m5中，得到国画展陈光源的照明喜好度评价量值，进而实现国画展陈光源照明质量的表征。具体而言，

m1适用条件为：{2500k≤t<3000k}∩{100lux≤e≤1000lux}，具体形式如下，

其中，m1为喜好度预测量值，e为待展陈国画表面照度，t为待评价光源的相关色温。

m2适用条件为：{3000k≤t<3500k}∩{100lux≤e≤1000lux}，具体形式如下，

其中，m2为喜好度预测量值，e为待展陈国画表面照度，t为待评价光源的相关色温。

m3适用条件为：{3500k≤t<4000k}∩{100lux≤e≤1000lux}，具体形式如下，

其中，m3为喜好度预测量值，e为待展陈国画表面照度，t为待评价光源的相关色温。

m4适用条件为：{4000k≤t<4500k}∩{100lux≤e≤1000lux}，具体形式如下，

其中，m4为喜好度预测量值，e为待展陈国画表面照度，t为待评价光源的相关色温。

m5适用条件为：{4500k≤t<5500k}∩{100lux≤e≤1000lux}，具体形式如下，

m5＝-4.59+0.0038×t+0.005×e-4.519×10^-7×t²+1.473×10^-7×t×e-3.63×10^-6×e²

其中，m5为喜好度预测量值，e为待展陈国画表面照度，t为待评价光源的相关色温。

为进一步证实本发明所述方法在国画展陈光源照明喜好度预测方面所具有的技术优势，采用心理物理学视觉实验，通过相关系数平方值r²之方法，计算主观实验所获得的观察者对于国画的喜好度主观评价值与6)中五类照明喜好度预测量值m1、m2、m3、m4和m5之间的pearson相关系数平方值r²。具体实施为：以上述5类具有不同相关色温的待评价光源组为实验光源，将国画表面的照度分别设定为100lux、400lux、700lux和1000lux，随后进行主观喜好视觉实验。具体实验方式如下：

1)为模拟文博展陈实际照明环境，实施例所涉及的心理物理学实验在一个墙壁均为中性灰的光学实验室中进行，如图2所示。以上述三类待展陈国画为实验物体，挂于同侧墙壁，三幅国画的主要绘画内容分别为紫藤、竹子和桃花；国画尺寸为70cm×70cm，两两国画中心之间的间距为180cm。待评价led光源安装于天花隔板，共包含3盏射灯，实验过程中可通过调节射灯仰角、光束角及物理距离等方式改变待展陈国画的表面照度。

2)实验过程中，观察者需要在20种照明场景(5种相关色温×4种照度)下根据7级评价方法对3幅国画分别进行喜好度评价。7级喜好度评价规则具体如下：

“非常喜欢”用数字7表示，“比较喜欢”用数字6表示，“一点点喜欢”用数字5表示，“不喜欢也不讨厌”用数字4表示，“一点点不喜欢”用数字3表示，“比较不喜欢”用数字2表示，“非常不喜欢”用数字1表示。

3)实验均选取40名具有正常视力的观察者(20男20女)，每位观察者进行实验时，进行同样的处理：实验开始前进行5分钟的暗适应，在暗适应时实验人员通过口述的方式介绍实验情况。实验时，观察者按照2)中的评价规则在每一组实验场景中对三幅国画分别进行喜好评价。实验场景为随机调节(调试每两种不同实验场景之间间隔20秒)，更换场景时观察者处于闭眼状态，直至观察者评价完最后一组实验场景。最终获得观察者对于不同照明场景下国画的主观喜好度评价结果，如表1所示。

表1.实施例中观察者喜好度主观评价得分

通过上述主观实验可获得观察者对于不同照明场景下国画的喜好度主观评价值，并进一步计算其与本发明所构建的多级喜好度预测模型m1、m2、m3、m4和m5之间的pearson相关系数平方值r²，如表2所示。结果显示，主观喜好评价值与模型估计值之间的相关系数平方值r²均在0.88以上，证明本发明所构建的面向国画展陈光源照明喜好度预测模型均具有极高的准确性，进而证明本发明所述方法在国画展陈光源照明质量评价方面具有较强的技术优势。

表2.主观评价值与模型估计值之间的相关系数平方值

为进一步证明本发明所述方法在不同相关色温和照度展陈场景下对于国画展品的喜好度预测优势，本发明还计算了上述心理物理学实验主观喜好数据与另外3类同样基于照度与色温的照明喜好度预测模型之间的pearson相关系数平方值r²，最终与本发明所述方法结果(表2中“平均值”)进行比较。

另外3类照明喜好度预测模型分别来源于：1)已公开发明专利“一种基于照度和相关色温的展陈照明光品质评价方法及系统”，申请号为2020103346505；该发明所包含的喜好度预测模型具体形式详见其审查信息，本发明不予赘述，现记为mx；2)来源于现有研究khanht,bodrogip,guox,anhp.towardsauserpreferencemodelforinteriorlighting.part2:experimentalresultsandmodelling.lightingresearch&technology.2019；51(7):1030-1043，该研究共包含2个喜好度预测模型--cp和sp，具体构造形式详见该研究论文，本发明不予赘述。

最终比较结果如表3所示，可以看到，本发明所述方法的总体平均r²显著高于其他现有模型，尤其在2700k及4500k照明场景下具有较大优势。该结果再次突出本发明所述方法在不同相关色温和照度展陈场景下对于国画展品的喜好度预测优势。

表3.主观评价值与4类喜好度预测模型估计值之间的pearson相关系数平方值r²

本发明还提供一种面向国画展陈照明的多级照度色温喜好度预测系统，包括以下模块：

待展陈国画表面照度采集模块，用于测量待展陈国画表面照度e；

照度范围判断模块，用于判断待展陈国画表面照度e是否在本发明所适用的照度范围内，即判断e1≤e≤e2是否成立，若不成立则不适用本发明；

待评价光源光谱信息采集模块，用于测量待评价光源的光谱功率分布；

待评价光源相关色温计算模块，用于在均匀颜色空间s中计算待评价光源的相关色温t；

相关色温范围判断模块，用于判断待评价光源的相关色温t是否在本发明所适用的相关色温范围内，即判断ta≤t≤tf是否成立，若不成立则不适用本发明；

展陈照明喜好度评价模块，用于采用本发明所构建的多级喜好度预测模型，对待评价光源进行喜好度预测，根据输出结果衡量待评价光源的照明质量。实现方式为，将待展陈国画表面照度和待评价光源的相关色温信息输入到本发明所构建的多级喜好度预测模型m1、m2、m3、m4和m5中，通过喜好度预测模型得到对应估计量值，实现对待评价光源展陈照明喜好度的表征。

m1适用条件为：{ta≤t<tb}∩{e1≤e≤e2}，具体形式如下，

其中，m1为喜好度预测量值，e为待展陈国画表面照度，t为待评价光源的相关色温；

m2适用条件为：{tb≤t<tc}∩{e1≤e≤e2}，具体形式如下，

其中，m2为喜好度预测量值，e为待展陈国画表面照度，t为待评价光源的相关色温；

m3适用条件为：{tc≤t<td}∩{e1≤e≤e2}，具体形式如下，

其中，m3为喜好度预测量值，e为待展陈国画表面照度，t为待评价光源的相关色温；

m4适用条件为：{td≤t<te}∩{e1≤e≤e2}，具体形式如下，

其中，m4为喜好度预测量值，e为待展陈国画表面照度，t为待评价光源的相关色温；

m5适用条件为：{te≤t≤tf}∩{e1≤e≤e2}，具体形式如下，

m5＝-4.59+0.0038×t+0.005×e-4.519×10^-7×t²+1.473×10^-7×t×e-3.63×10^-6×e²

其中，m5为喜好度预测量值，e为待展陈国画表面照度，t为待评价光源的相关色温。

而且，照度范围判断模块中，e1＝100lux,e2＝1000lux。

而且，待评价光源光谱信息采集模块中，对测量得到的待评价光源的光谱功率分布采用400nm-700nm波段信息。

而且，待评价光源相关色温计算模块中均匀颜色空间s采用cie1976ucs均匀颜色空间。

而且，待评价光源光谱信息采集模块中，对测量得到的待评价光源光谱功率分布采用400nm-700nm波段信息。

而且，相关色温范围判断模块中，ta＝2500k,tf＝5500k。

而且，展陈照明喜好度评价模块中，e1＝100lux,e2＝1000lux；ta＝2500k,tb＝3000k,tc＝3500k,td＝4000k,te＝4500k,tf＝5500k。

各模块具体实现和各步骤相应，本发明不予赘述。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。