舞台影视灯具光度数据照相测试法

柳得安，俞世熊

（1. 上海戏剧学院，上海 200040；2. 上海程韵网络科技有限公司，上海 200540）

舞台影视灯具光度数据照相测试法

柳得安1，俞世熊2

（1. 上海戏剧学院，上海 200040；2. 上海程韵网络科技有限公司，上海 200540）

光度数据照相测试法是自主研发的一种全新的舞台影视灯具光度数据测试方法，能替代复杂烦琐的手工测试和昂贵的分布光度计测试。本文介绍照相测试法的测试项目、测试方法、基本原理、技术关键、准确性和其独特的优点。

舞台灯具；光度数据；照相测试法；分布光度计测试

1 光度数据照相测试法诞生的背景

舞台灯光是一种艺术照明，照明效果通常以人的感觉为准，因此，在早期的舞台灯光设计中，对灯具要求也是以人眼主观判断为主。电视灯光的诞生对照明提出了色温、照度、均匀度等要求，人们开始对灯具自身的光学物理参数有所重视。近年来，随着舞台和影视灯光艺术要求的提高和灯具技术的发展，特别是LED灯具在发光效能上的要求，业内对灯具的光度物理参数越来越重视。

为了规范光度参数的测试，文化部制定颁布了文化行业标准WH/T 26-2007《舞台灯具光度测试与标注》。《舞台灯具光度测试与标注》标准的制定，对指导和规范舞台影视灯具的生产和应用起了很大作用。

在此基础上，中国演艺设备技术协会自2008年开始在行业内开展了舞台影视专业灯具优质产品的评定活动。笔者有幸参与了标准的制定和专业灯具评优的全过程，在评优过程中深感灯具的光度参数测试的艰难。灯具光度参数通常采用分布光度计测试或手工测试。分布光度计测试需要专业的大型测试设备，还要根据灯具的不同形状，设计、加工专门的夹具，同时需要支付昂贵的委托测试费。而手工测试需要人工测试100多个点，并有大量的数据计算以及曲线绘制，工作量大，耗费时间长。2008年第一次评优正是采用手工测试方式，数据采集和处理环节影响了整个评优工作的进度。经调研，得知美国有一家公司研制了光度参数照相测试法，并在美国演艺灯具行业中有所应用，但是其不仅价格昂贵，而且不能完全符合我国行业标准的要求。因此，迫切需要寻找一种高效快速、适合中国演艺设备行业专业灯具的光度测试方法。在广州市珠江灯光科技有限公司的支持下，经过数年的探索、实践，照相测试法的检测精度不断提升、检测过程不断精简，最终形成了完善的光度数据照相测试法。该测试法已成功地应用在舞台影视灯具光度测试领域。

2 光度数据照相测试法测试的项目

光度数据照相测试法的开发是完全依据文化行业标准WH/T 26-2007《舞台灯具光度测试与标注》，能测试该标准规定的全部光度参数。具体可测试以下参数和曲线：

（1）光斑角（θ）

圆形有效光斑的直径两端与出光口中心点连线所形成的夹角。

注：硬光斑的全部为有效光斑。柔（软）光斑中照度值不小于最高照度值10%的范围为有效光斑。

（2）光束角（θ1/2）

圆形半峰值光斑的直径两端与出光口中心点连线所形成的夹角。

注：光斑中照度值不小于最高照度值50%的范围为半峰值光斑。

（3）有效光通量（Fe）

有效光斑范围内的总光通量。

（4）平均照度值（Ea）

有效光斑内照度的平均值。

（5）照度均匀度（ξ）

有效光斑内平均照度值与最高照度值的比值。

（6）灯具效率（ηl）

灯具的有效光通量与所用光源总光通量的比值。

（7）灯具发光效能（ηe）

灯具的有效光通量与光源及保证光源正常工作所必需的全部电器附件消耗的总电功率的比值。

（8）光斑射距系数（K）

圆形有效光斑的直径与射距的比值。

（9）等照度曲线图

将一系列表示不同照度值的等照度曲线绘制在一起的图（见图1）。

（10）光强分布曲线图

光强度随方向变化的关系曲线图（见图2）。

注：光强分布曲线也称配光曲线，在民用照明行业内通常采用极坐标形式。由于舞台专业灯具与民用灯具不同，极大多数是聚光类灯具，其光斑角较小，只有在直角坐标系统才能更好地表现其光分布特性。

（11）射距、光斑直径与照度关系图

圆形光斑中心照度或平均照度与有效光斑直径随射距变化的关系图（见图3）。

除此之处，照相测试法还能获得光斑中心照度、光斑内最高照度及最高照度偏离光斑中心的位置等辅助参数。

3 光度数据照相测试法的测试方法及其基本原理

图1 等照度曲线图

图2 光强分布曲线图

图3 射距、光斑直径与照度关系图

将灯具调整至正常工作状态，在暗室中将光束投射到漫反射的测试面（通常可以是平整的亚光墙面），调整投射距离，在测试面形成直径为3 m或2 m的光斑（具体按行业标准WH/T 26要求），照相机在计算机控制下，拍摄光斑照片（见图4-1）1张、尺寸比对照片（见图4-2）1张以及照度比对照片（见图4-3）5张，输入射距、功率等原始数据，即可在计算机中完成分析运算，生成上述光度测试报告（见图5）。

图4-1 光斑照片

图4-2 尺寸比对照片

图4-3 照度比对照片之一

图5 舞台灯具光度测试报告

光度数据照相测试法是运用计算机对光斑的数码照片进行数据分析，将灯具光斑影像的灰度数值转换成相对应的照度值，并形成一系列光度数据与图表的一种测试方法。其中，尺寸比对照片是计算机采集光斑物理尺寸的过程；照度比对照片是用于采集光照面实际照度与照相机相片灰度之间的对应函数关系。5张照度对比照片中应包括在最高照度和最低照度点附近采集的数据，其他3张照度对比照片应在最高照度和最低照度之间的均分值点（即3/4、1/2和1/4）附近采集。据此，计算机程序建立起相应的拟合曲线，提供灰度和照度转换时的对应依据。在此基础上，计算机对光斑照片逐点扫描并转译成照度值，获得光斑的照度数据集。然后再将各点的照度值乘以该点微面积即得到各点的微光通量，有效光斑内各点微光通量的合计值即为光斑的有效光通量。最后一步光通量的计算原理与分布光度计或手工测试是完全相同的。

4 光度数据照相测试法的技术关键

光度数据照相测试法是一种全新的测试技术，在研发中需要解决很多技术难点，主要的技术难点包括以下内容。

4.1 照片灰度等级与实际光照度间对应关系的确立

不同灯具光斑亮度的幅度差极大，数码相机在采样拍摄时光圈大小、快门速度、感光度高低等选项的变动，都直接影响着数码成像结果；且数码相机本身感光器件的特性并非线性，而是半导体器件固有的S型曲线。通过大量的数据测试和研究，最后找到和确定了它们的相互对应关系，建立了特定函数的拟合曲线，解决了照片灰度与照度间的非线性对应关系。

4.2 海量数据运算速度

光斑照片的像素点高达数百万、甚至上千万，经去毛刺、柔化等处理，最后用于计算光通量的数据点也近85万，海量的数据计算，对计算机的运算速度是极大的考验。如果用原始的计算方法，在一般的家用或商用笔记本计算机中运算，将需几十分钟，这将严重影响软件的使用和推广。经过反复的算法分析，优化了算法，极大地提高了运算速度，将运算时间压缩到1分钟以内，为测试法的使用和推广创造了良好的基础。

4.3 光斑影像变形问题

为了使光斑内的光分布尽可能接近舞台上实际应用的情况，《舞台灯具光度测试与标注》标准的要求，一般灯具的测试光斑直径为3 m。对于如此大的光斑，照相机镜头通常处于中、广角状态，变形就很难避免。为了尽可能地减少变形对测试的影响，取景时尽量使光斑的影像位于取景框的中央部位，四周留出一定的空间，这样可以很大程度上减小成像的变形程度。缩小了成像面积，光斑的有效像素虽然有所降低，但目前照相机的像素非常高，即使以光斑面积占整个相片面积的1/3计算，也有百万数量级像素，作为光通量的计算并不需要如此多的计算点，实际上光斑相片经处理后，用作计算的单元近85万个。此外拍照时相机的位置尽可能靠近灯具出光口，以减小图像变形失真。

4.4 反射面的漫反射特性

为使光斑在照相机内的成像尽可能真实地反映光斑的实际情况，灯具投光的反射面必须具有理想的漫反射特性，此漫反射面理论上应该是当光照射时向不同方向的反射特性均匀一致的朗伯面。但在实际测试中，不可能达到如此高的要求，否则照相测试法就难以进行实际应用和推广。经研究，并在软件上采取适当措施后，在一个平整、稍作处理的墙面上涂上亚光的涂料，即可作为拍照的反射面使用。在这样的墙面上拍出来照片难免会产生一些光的突变点，这就需要在图像处理中予以识别和处理，排除干扰。在软件编制时采用了一些特殊的计算和处理，既保证了测试的准确性，又降低了对照片拍摄测试面的要求。

5 光度数据照相测试法准确性分析

光度数据照相测试法的有效光通量计算方法与手工测试法和分布光度测试法都是相同的，都是采用先计算光斑中一个微区域内的光通量，即微区域内的平均照度乘以此微区域的面积，然后将整个有效光斑的各微光通量相加获得总有效光通量。因此，从计算原理上看，照相测试法不会在这个环节上影响测试准确性。相反，照相测试法有85万的采样计算点，用作计算单元的微区域更多、面积更小，应该能更准确地反映光斑的实际情况。相比之下，手工测试只有一百多个采样点（按《舞台灯具光度测试与标注》标准的要求计算），分布光度计测试时灯具旋转的步进角度通常为1°或0.5°，因此，一般也只有几百个采样点，远远少于照相测试法。

那么，相片的成像质量和影像的灰度与照度间的转换将成为影响测试准确性的关键，正如前面所述，准确的拟合曲线保证了计算的准确性，照片拍摄中影像变形的控制，计算软件中对照度突变点的识别和处理等技术措施都有效地保证了测试的准确性。

表1是对3个灯具分别用照相测试法和分布光度计测试结果的比对表：

表1 照相测试法和分布光度计测试结果比对表

根据上述测试数据对比，照相法均为正偏差，但测试误差均在3%左右。误差在可以接受的范围内，能够胜任对舞台灯具光度参数的测试工作。

6 光度数据照相测试法的特点

灯具的光度数据测试长期以来一直是一件比较麻烦的事，特别是光的分布数据测试更为困难，以至于一些灯具企业对生产的灯具几乎不作光度测试，这在很大程度上阻碍了行业的发展和进步。舞台灯具光度数据照相测试法就是针对这些问题开发的，使灯具的光度数据测试变得简单、可行，有利于推广应用，促进行业进步。与光度数据手工测试和分布光度计测试相比，光度数据照相测试法有以下独特的优点。

6.1 测试速度快

照相测试法测试一个灯具只需拍摄7张照片，即可在计算机中运算得出所有的光度数据，总共只需要几分钟时间。而在手工测试中需以手工方式测度100多个点，并手工记录，再数据处理和曲线绘制，测试一个灯具前后共需要几个小时，费时费力。分布光度计测试时灯具需在x、y两个方向旋转测试，步进角通常为1°或0.5°，大致共测试数百个点，耗时也需几十分钟至一个多小时。

6.2 不固定占用场地

照相测试法只需一面平整的漫反射墙面和能满足灯具一定投射距离的空间，在不测灯具时，该场地仍可用作原有用途。而分布光度计则需永久性占据较大的空间，对于一般的灯具厂和研究单位，灯具测试的频度不可能很高，因此空间的利用率很低。

6.3 不需要专用的夹持装置

照相测试法只要将灯具放置到1.6 m～1.7 m高度（测试光斑直径为3 m时）即可，因此只需一个普通的立式灯架就能解决，甚至用桌子、箱子等也能将就。但分布光度计测试时，必须加工专用的夹持装置才能将灯具固定在分布光度计上进行测试。不同规格、不同外形的灯具都需配用不同的专用的夹持装置，前期准备工作时间长，需要花费材料及加工方面的费用。由于灯具的品种很多，夹持装置也相应很多，因此还需占用空间存放和保管。

6.4 对测试灯具种类适应性好

照相测试法对被测灯具的外形、重量等均无要求。一些外形庞大、重量极大的灯具根本无法夹持在分布光度计上测试，但对照相测试法而言毫无困难。特别是在灯具开发研制时，无灯壳的实验灯具、甚至在光具座临时组成的试验光路也完全可用照相法测试，这对灯具生产商研发新灯具非常有益。

6.5 费用投入少

相对于购置分布光度计的几十万元费用而言，照相测试法的资金投入就相当之少。分布光度计还需要有日常的维护保养费用，而照相测试法则无这方面的要求，且软件的升级维护是免费的。

6.6 便携性好

照相测试法全套设备只有几千克，随身携带非常方便。笔者在承担“LED舞台灯具通用技术条件”标准编制课题时，曾带着照相测试法的设备在各灯具厂实地测试，顺利地完成了LED灯具的调研工作。在这方面，分布光度计是望尘莫及的。

6.7 操作简便、易于学习

照相测试法易学、易用，操作人员只要稍加学习或培训就可上手操作。灯具厂一般的研发人员都可使用，这样研发和测试直接相关联，研发人员能直接、快速获得灯具的光度数据，对新灯具的研发大有好处。分布光度计需要由专门的技术人员操作和管理，局限性较大。

“舞台灯具光度数据照相测试法”是经文化部批准立项的科技创新计划项目，并由文化部文化科技司验收。验收报告认定：照相测试法能替代复杂、烦琐的人工测试方法，具有先进性和创新性；对文化行业标准《舞台灯具光度测试与标注》的贯彻推广提供了一种可靠、便捷、实用的测试方法；该成果具有实际应用价值及推广前景；该项目填补了国内舞台灯具光度照相测试法的空白，为规范舞台灯具行业对舞台灯具光度检测，提供了一种新颖、便捷、可靠的科学手段，具有现实意义。“舞台灯具光度数据照相测试法”在中国演艺设备技术协会主办的历届演艺设备行业优质产品评定中得到全面的应用，并在测试实践中不断改进和完善，使测试更方便快捷。该方法也在一些灯光相关的研究单位和企业中应用，在舞台影视灯具的科研、新品开发和产品检测等方面起到了积极的作用，将促进舞台影视灯具行业的发展更加理性、科学、规范。

（编辑 张冠华）

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