CCS 3.0 Система Согласованности Цвета, версия 3.0…

Художники могут изображать небо красным, ведь они знают, что оно синее.

А вот не художники должны рисовать все, как оно есть, иначе люди подумают, что рисовал дурак.

Джулз Фейффер

 

В 2017 году компания Silver Star разработала новую систему управления цветом матрицы светодиодов и впервые представила ее на XXIII Международной выставке освещения в Гуанчжоу в 2018 году.

Что такое Color Consistency System – «Система Согласованности Цвета», версия 3.0 (CCS 3.0)

Для тех, кому не надо глубоко погружаться в теорию, можно сформулировать основные возможности системы CCS 3.0 так:

• CCS 3.0 калибрует все LED-изделия для получения одинакового цвета и мощности, как каждого светодиода в каждой LED-матрице и в каждом приборе, так и во всех выпускаемых партиях приборов. Иначе говоря, LED-светильники из разных производственных партий, использующие светодиодные чипы из разных поставок, даже произведенные в разные годы – будут выдавать одинаковый цвет и световую мощность.
• CCS 3.0 калибрует цветовую согласованность всех типов LED-светильников. Даже разные модели, но с одинаковым цветовым набором светодиодов (RGBW, RGBL, RGBAL, RGBALC), будут давать одинаковый результат смешения цветов. В большинстве основных цветов даже разные по набору LED-матрицы будут выдавать одинаковый цвет, но с разной спектральной насыщенностью и индексом цветопередачи.
• CCS 3.0 обеспечивает управление цветом по привычной для дизайнеров, работающих в среде Photoshop, системе смешения цвета HSI (hue, saturation, lightness (intensity)) — в цветовой модели, в которой цветовыми координатами являются цветовой тон, насыщенность и светлота. Любой цвет можно интерпретировать через привычные преобразования RGB<>CMY<>HSI.

• CCS 3.0 обеспечивает точность координат любого цвета XY ± 0,009 (на основе диаграммы цветности CIE 1931 года) и обеспечивает управление общей мощностью и каждым цветом с точностью 16 бит.
• CCS 3.0 обеспечивает правильное диммирование цветов – при снижении мощности светового потока цвет и цветовая температура не смещаются, обеспечивая плавные градиенты цветов во всем диапазоне изменений.
• При точности соблюдения цветовой палитры система CCS 3.0 обеспечивает высокий индекс цветопередачи до CRI>96
• CCS 3.0 предлагает набор встроенных в светильник цветовых палитр – аналогов наиболее популярных театральных фильтров ROSCO и LEE: 24 готовых оттенка для 4-цветных и 48 готовых оттенков 5-цветных и более LED-систем.
• CCS 3.0 дает управляемый по DMX выбор из 14 цветовых температур от очень теплого 1800К до очень холодного 10 000К с высоким индексом цветопередачи для приборов с микшированием цвета. HSIC персонализация управления, дополнительно к управлению цветом через HSI, добавляется канал управления цветовой температурой цвета CTO.

 

Сегодня рынок перенасыщен, особенно дешёвыми предложениями разнообразных LED-светильников, имеющих матрицы от RGB до многоцветных, например, RGBWAUv-схем. Но чаще всего, такие модели при попытке получить качественные цвета создают лишь цветовую «кашу» с низким CRI, а также обладают низкой световой эффективностью. 

Чтобы понять, в чем суть системы управления CCS 3.0, и чем отличаются современные LED-системы компании Silver Star от невероятного разнообразия светодиодной продукции, присутствующей на рынке, надо погрузиться в теорию и немного в историю развития LED-технологий.

Теоретический материал не маленький, но после его изучения станет понятно, почему одни LED-системы воспринимаются пользователями с уважением, а от других светодизайнеры воротят нос и часто незаслуженно переносят негативное восприятие на все LED-технологии.

Итак, азы.

Согласно теории цветового зрения, сформулированной впервые в 1736 году М. В. Ломоносовым, все цвета могут быть получены путем сложения (смешения) трех световых потоков: красного, зеленого и синего, называемых основными или первичными. Цветоощущающий аппарат глаза человека содержит рецепторы трёх видов, причем излучение различной длины волны возбуждают эти рецепторы не одинаково. Один вид окончаний наиболее чувствителен к длинноволновой части видимого спектра (красно-оранжевой), другой – к средневолновой части спектра (зелено-желтой), а третий – к коротковолновой (сине-фиолетовой).0

На рис. 1 показаны кривые спектральной чувствительности рецепторов глаза, которые называются кривыми основных возбуждений.

Обычно световое излучение возбуждает все три вида рецепторов одновременно, и совокупность трех различных возбуждений воспринимается человеческим глазом как один какой-либо цвет. Зрительный аппарат анализирует воздействующий на него свет, определяя в нем относительное содержание различных излучений, а затем в мозгу человека происходит синтез трех возбуждений в единый цвет. Следовательно, правильно выбрав три основных источника цвета и смешав их в определенных пропорциях, можно получить любой из наблюдаемых цветовых оттенков.

Всем известно, что при аддитивном смешении цветов, например, Red+Green+Blue получается белый цвет, а в промежутках, при равном смешивании – Cian, Magenta, Yellow.

Основы смешения цветов описаны законами Грассмана.

Первый закон (трехмерности): Любой цвет однозначно выражается тремя, если они линейно независимы. Линейная независимость заключается в том, что ни один из этих трех цветов нельзя получить сложением двух остальных.

Второй закон (непрерывности): При непрерывном изменении излучения цвет смеси также меняется непрерывно. Не существует такого цвета, к которому нельзя было бы подобрать бесконечно близкий.

Третий закон (аддитивности): Цвет смеси излучений зависит только от их цвета, а не от спектрального состава. Следствием является аддитивность цветовых уравнений: если цвета смешиваемых излучений описаны цветовыми уравнениями, то цвет смеси выражается суммой цветовых уравнений. Таким образом, если

Ц1 = R1 + G1 + B1, Ц2 = R2 + G2 + B2 … Цn = Rn + Gn + Bn, то

Ц сумм. = (R1 + R2 + ... + Rn) + (G1 + G2 + ... + Gn) + (B1 + B2 + ... + Bn)

Этот закон имеет первостепенное значение для теории цвета.

Обычно никто не задумывается, какой именно «белый» цвет получается при смешении R+G+B? Какой световой мощности должны быть цветные источники излучения для получения этого результата? И вот тут кроется самое главное – цветовой тон результирующей смеси всегда зависит от соотношения интенсивностей смешиваемых цветов. Если увеличить (или уменьшить) интенсивность первичных цветов в одинаковое число раз, то цветовой тон смеси останется неизменным, изменится лишь его яркость. А любое изменение относительных интенсивностей смешиваемых цветов неизбежно приводит к изменению результирующей смеси. Смешивать цвета в свете для получения белого цвета необходимо в определенной пропорции.

Данные исследования базировались на данных спектральной чувствительности рецепторов глаза и были применены в построении систем цветного телевещания, где, смешивая всего 3 цвета, добивались практически любых оттенков. Экспериментально установлено, что количественно и качественно световой поток Е' может быть определен следующим равенством: Е'Y = rЕ'R+gЕ'G+bЕ'B

Значения коэффициентов R,G,B определяются координатами основных цветов и белого цвета. Однако исторически сложилось так, что для всех систем телевещания приняты одинаковые значения коэффициентов, соответствующих основным цветам и белому (это цвет свечения абсолютно черного тела при температуре 6500°С). При этом формула имеет вид Е'Y = 0,299Е'R+0,587Е'G+0,114Е'B

Если привести все к одному знаменателю, например, принять «зеленый» цвет за единицу, то можно записать эту формулу так: для получения белого цвета с цветовой температурой примерно 6800К и при использовании источников света (например LED) с одинаковой интенсивностью (!) надо использовать их в соотношении R = 51, G = 100, B = 19 (это в идеале) при этом соблюдая Первый закон Грассмана, то есть источники должны  быть  определенной длины волны  R = 613-620 нм,  G = 515-520 нм, B = 455-460 нм

Вернемся к истории создания LED-приборов.

Один из ярких примеров объяснения приведенной выше формулы – прибор, созданный примерно 15 лет назад, Genio Mobile (SGM), в котором для получения цветовой температуры до 6000К использовались 16 светодиодов (4R x 3 Вт + 8G x 4,5 Вт + 4B x 4,5 Вт). К сожалению, мощность LED не показывает интенсивность света источника, но соотношение говорит само за себя… В то время выбор цветных светодиодов был весьма ограничен, и построение таких LED-систем с разным количеством отдельно расположенных «точек» излучения монохромного цвета стало их основным недостатком. Визуально, особенно при работе какого-то одного цвета (например, синего), луч света смотрелся просто ужасно.

Чуть позже, примерно в 2009, компания Silver Star одной из первых вывела на рынок целую серию LED-светильников, использующих одинаковое количество и примерно одинаковую мощность светодиодов, располагая их очень близко друг к другу для получения наиболее равномерной матрицы излучения. Один из примеров — это линейный светильник YG-LED317XWA ROXCYC/TZ, в котором использовались 72 LEDs (18 R + 18 G + 18 B + 9 W + 9 A). В данном типе приборов, источники RGB подбирались именно по правильной интенсивности излучаемого света (см. формулу и рис. 1) и с точной подборкой цветовых бинов. И именно поэтому, при стандартном смешении R+G получался желтый цвет, а R+B – маджента. То есть реально получался нужный цвет, а янтарными и белыми светодиодами можно было добавить теплых или холодных оттенков, что и демонстрировалось ранее на семинарах «Имлайт». Данные модели (выпускаемые под маркой Silver Star) уже сняты с производства по той же причине – недостаточная равномерность светового луча, особенно при узкой оптике и в ближней зоне. Но ввиду популярности модели, правильности цветосмешения и интуитивному удобству управления, продолжают выпускаться по ODM-соглашению для компании Chauvet под названием COLORado Batten 72X.

Понимая взаимосвязь законов смешения цвета в свете с технологиями построения LED-светильников, можно переходить к самому интересному.

С появлением, примерно в 2011 году, полноцветных 10-ваттных RGBW-чипов началась новая эра построения светодиодной техники для шоу-индустрии. Инженеры ROBE, DTS, Silver Star, да и другие, начали создавать светильники и поворотные головы со сплошной поверхностью излучения, чем добились большей схожести светового луча с традиционными ламповыми светильниками. Новые модели с полноцветными чипами стали популярными и постепенно стали вытеснять предыдущие схемы построения LED-светильников в сценических инсталляциях, хотя в сегменте архитектурного света, приборы с отдельными источниками по-прежнему актуальны.  Однако, как говорил тот же Ломоносов «если в одном месте прибавится, то…» –  RGBW-сборки решили проблему единой «точки» излучения света, но баланс цветов по-прежнему оставляет желать лучшего. Зеленый цвет ярче красного, а синий значительно ярче зеленого, и эта проблема окончательно до сих пор не решена.

Что вы видите на этих фотографиях? Фантазию художника на тему фиалок?

Всем эта «картина» известна…  Для получения максимальной световой мощности, заявленной производителем, оператор светового пульта выводит все RGBW-параметры на максимум и получает этот, всем уже опостылевший, светло-фиолетовый оттенок. Так же, экспериментально, пытаясь добиться нормального белого света, желательно «теплого», все вдруг обнаруживают, что синий приходится убирать наполовину и даже немного «глушить» зеленый, и при этом значительно теряется световой поток.  Вот так выглядит спектр RGBW-светильника для получения белого цвета в 3000К. При этом RGBW-светильник имеет достаточно низкий индекс цветопередачи CRI ввиду ненасыщенности спектра.

Для решения этой проблемы в 2016 году Silver Star вводит модели с добавлением дополнительных светодиодов цвета Лайм и Янтарный. Янтарный, PC Amber, широкий по спектру и яркий цвет, призван не только добавить в цветосмешение теплых оттенков, но значительно заполнить спектр света в основных цветах, где человеческий глаз имеет более высокую восприимчивость яркости цветов. Ученые обнаружили, что человеческий глаз может видеть высокий уровень детализации в оттенках зеленого, желтого и цвета апельсина и меньше деталей – в оттенках красного, синего и фиолетового.

Но вопрос – почему добавили именно Lime (лаймовый)? Не желтый, например – средний цвет между красным и зеленым. Ответ в решении задачи по сохранению или усилению световой мощности и компенсации «паразитного» фиолетового света в RGBW-модели. Он на поверхности, если вы знакомы с цветовым кругом и комплиментарными цветами. Не вдаваясь еще больше в теорию, отметим лишь, что комплиментарные цвета – это те, которые находятся в цветовом круге друг напротив друга и при смешивании нейтрализуют друг друга. Подмешивая Lime в RGBW-синтез цвета, повышается выход световой энергии, заполняется спектр излучения с повышением CRI и исчезают «фиалки» в световых картинах.

Такие прожекторы как ECLIPSE 1000 RGBAL и FREZNO ZE-2 RGBAL с широким диапазоном изменения цветовой температуры «белого» от 2700 до 8000К и индексом цветопередачи >90Ra получили очень высокие оценки везде, где их тестировали или использовали в инсталляциях.

Но технологии не стоят на месте, требования художников по свету к качеству светильников повышаются, а стремление к сбережению ресурсов диктует необходимость широкого применения светодиодных источников. В двух словах. Традиционные вольфрамовые (tungsten) светильники имеют широкий спектр излучения, но лампа производит спектр, который состоит из длинных красных и желтых волн, и ему не хватает глубины в голубых волнах. Дуговые лампы производят более глубокий синий цвет, но им не хватает «апельсинового» и красного. Различные типы театральных, студийных, выставочных и концертных инсталляций требуют применения приборов, различных по цветовой температуре «белого» и цветовых оттенков. Но было бы великолепно, если бы это был один прибор, отвечающий всем требованиям, с высоким CRI и высокой мощностью светового потока во всем диапазоне визуального спектра.

Если взглянуть на спектр света уже упомянутого ECLIPSE 1000 RGBAL, то можно легко заметить провал посередине между зеленым и синим цветом…

Таким образом, для решения очередной задачи повышения светового потока, повышения насыщенности спектра, повышения CRI, разнообразия передаваемых цветов – в 2019 Silver Star включает недостающий цвет CYAN в светодиодную матрицу театральных и сценических светильников. Первыми стали SS820XHM AURORA 150 HEX и  SS819XSE ULTIcyc.

Далее, в 2020 выходят новые прожекторы с линзой Френеля SS816XH FREZNO 150 HEX и SS826XH FREZNO 250 HEX, а также новые WASH-головы PLUTO 2000XE HEX и PLUTO 4000XE HEX. А уже сейчас готовятся выпуску новые 6-цветные HEХ-модели профильных прожекторов и заливных циклорамных светильников.

На сегодня стандарт цветосмешения с высоким индексом цветопередачи, который наилучшим образом приближен к солнечному свету, выглядит так:

Но причем здесь CCS 3.0?

Хотя дополнительные цвета (Cian, Lime, Amber) – это долгожданное усовершенствование качества света, каждый цвет привносит свой канал для управления (даже два: 8 и 16 бит), что усложняет математические расчеты результирующего значения. При попытке синтезировать цвет, отдельные уровни каждого цвета могут быть вычислены с помощью сложной серии расчетов, которые учитывают не только цветовые координаты каждого светодиода в цветовом пространстве CIE 1931. Для шести цветов он включает не менее шести переменных (тональность, насыщенность, интенсивность, положение координат на цветовом пространстве, кривые температурных зависимостей светового потока для каждого LED и т.д.), которые зависят друг от друга, поэтому процесс еще больше усложняется. И это справедливо для идеальных источников света с точной длиной волны и интенсивностью.  А в жизни все не совсем так… или совсем не так.

Как бы ни старались производители светодиодов сделать идеальные чипы или отдельные LED, но разброс параметров источников света по бинам (длине волны) и по интенсивности света все равно существует. И для нивелирования этого расхождения Silver Star, во-первых, отбирает наиболее подходящие по длине волны светодиоды, а во-вторых, калибрует матрицы приборов на специальных стендах с использованием профессиональных спектрографов. При этом достигается выравнивание всех светодиодов одного цвета до необходимого общего уровня (пусть и с минимальными потерями в мощности).

Далее в процессор обработки управления цветом закладывается программа сложения цветов на основе цветовых координат стандарта CIE 1931. При это алгоритм расчета цветов имеет обратную связь с датчиками прибора, отвечающими за температуру светодиодов, так как изменение светового потока в зависимости от температуры кристалла для разных по цвету светодиодов имеет очень разную зависимость (например, «красный» теряет яркость от высокой температуры значительно больше других).

Итак, CCS3.0 на основе заложенных данных о длине волны и интенсивности излучения светодиода управляет правильным согласованием цвета по координатам XY стандарта CIE1931 и корректирует цвет во всем диапазоне диммирования и изменения критических температур LED.

Это дает:

1. повторяемость результата смешения цветов (с очень высокой точностью 0,009) в приборах различных партий и цветовых систем,
2. управление цветом всего тремя каналами HSI (тон, насыщенность и светлота), фактически как создание цвета в Photoshop,
3. сохранение цвета при диммировании для формирования правильных цветовых градиентов,
4. готовые расширенные наборы цветовых палитр и широкий диапазон регулировки цветовой температуры белого света от 1800 до 10 000К с высоким индексом цветопередачи до CRI> 96.

Данную технологию высоко оценили многие поставщики светодиодов, такие как Osram и Philips. А некоторые именитые ОDM-партнёры, например, Varilite*Strand, ставят новые театральные светильники c RGBALC-смешением цвета в топ своего модельного ряда.

Светильники Silver Star – это новые приборы с инновационной системой контроля цвета и с более чем демократичной ценой. Они обязательно найдут свое применение на самых серьёзных театральных сценах.