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光源常用光品质参数(二):光源显色性

2016-8-10 10:14:32      点击:

接上期话题,本期继续光源光品质话题(十分感谢魏敏晨博士撰文介绍)。 


大家一定都有这样一些经历:在一些光源下看到的物体的颜色与其在印象中的颜色差异很大,非常不真实,如路灯;明明在橱窗中看到的蛮好的衣服色彩搭配,放置到室外色彩感觉就不对了;其实这都是光源显色特性所造成的。学术上通常把光源对物体色外貌所产生的影响称为显色,而将光源固有的显色特性称为显色性(Color Rendering Property)。光源的光谱功率分布决定了光源的显色性,具有连续光谱分布的光源均有较好的显色性,如日光、白炽灯等,而光源的色温和显色性之间没有必然的联系,因为具有不同光谱分布的光源可能有相同的色温,但是其显色性可能差别很大。  






CIE显色指数

国际照明委员会(CIE)对显色性的定义如下:

The effect of an illuminant on the colour appearance ofobjects by conscious orsubconscious comparison with their colour appearanceunder a reference illuminant

CIE13.3-1995标准定义了光源显色性评价方法。标准规定评价色温在5000K以下的光源的显色性时,将5000K以下的相同色温的黑体作为参考光源,认为对应黑体的显色指数为100;把相同色温的标准照明体D作为评价色温在5000K以上的高色温光源显色性的参考光源。在评价光源的显色性时,采用一套共14种试验色用于光源一般显色指数和特殊显色指数的计算,其中R1-R8代表了各种不同的常见颜色,其饱和度适中、明度值接近相等;而R9~R14号共6种试验色是一些饱和色和皮肤色,专用于特殊显色指数的计算,常见的R9就是专门针对红色的光源显色性。



CIE显色性计算方法中14个测试样品


接着,计算待测光源及试验色在待测光源下的1960 UCS色品坐标,并通过von kries色适应修正。然后,计算在CIE1964均匀颜色空间内试验色在待测光源与参考光源下的总色位移,分别记为∆Ei(i为14种试验色的序号,即i = 1, 2, 3, …, 14),那么计算出各种试验色的特殊显色指数Ri为:

Ri= 100-4.6∆Ei

光源的显色指数越高,其显色性越好。如果Ri = 100,表示该号试验色样品在待测光源下与参考光源照明下的色品坐标一致。


由1~8号试验色求得的8个特殊显色指数取平均值称为一般显色指数CIE Ra。




CIE Ra计算流程


下表为一些常用光源的显色性参数仅供参考,日常应用一般CIE Ra在80及以上即可,若90以上则可较好的还原物体在日光或黑体照明下的色彩。





其他显色指数

由于LED技术的大力发展,CIE显色指数评价指标对于LED显色性的评价往往有所偏差,有些LED的CIE Ra显色指数较高,但实际的显色效果不佳;为了更好地描述光源的显色性指标,国际相关研究者陆续推出了多种计算方法如IES TM30-15、CQS、CRI2012、mCRI、FCI,GAI等,用于改进CIE显色性评价方法的不足;原理上基本计算步骤与上述一致,对试验色的选择、参考光源的选择、色适应公式的选择、试验色的饱和度等进行了重新考量和优化;目前IESTM30-15的认同度最高,且最有可能成为国际标准。


IES显色指数

北美照明学会(IES)于2015年5月18日在历时两年的工作后正式发布了对于光源显色能力的新的评价方法——IESTM-30-15 IES Method for Evaluating Light Source Color Rendition。这一新的评价体系由IES颜色质量工作组(IES ColorMetrics Task Force)提出,该工作组共有8位委员:Mike Royer博士(美国西北太平洋国家实验室)、Yoshi Ohno博士(美国NIST)、Kevin Houser博士(美国宾夕法尼亚州立大学)、Minchen Wei博士(香港理工大学)、Paul Fini博士(Cree)、AurelienDavid博士(Soraa)、Kees Teunissen博士(Philips)和Randy Burkett(美国Randy Burkett照明设计事务所)。该文件在经过IES颜色委员会、技术审查委员会和董事会审查后批准通过。


相比于现有的CIE显色指数CRI,IES的这个新的评价方法有几个重大的改革:


 

1. 双指标:评价光源显色不再仅仅使用一个指标,而是由两个指标——Rf和Rg。Rf用于表征各标准色在测试光源照射下与参考光源相比的相似程度(100代表完全相同;0代表差别很大);Rg则代表各标准色在测试光源下与参考光源相比饱和度的改变(100代表饱和度相同,大于100表示光源可以提高颜色的饱和度,低于100则代表颜色的饱和度在测试光源下较低)。


2. 标准色:与CRI仅有8个标准色相比,新的体系采用99个标准色。这99个标准色不再是梦塞尔色卡,而是从105000个物体的颜色中仔细选取的。它们代表了生活中能看到的常见各种颜色(从饱和到不饱和、从亮到暗),并且这99个标准色对于各波长的敏感度相同(很难通过spectral gaming来提高指数)。




3. 参考光源:由于CRI所使用的参考光源(即低于5000K时使用黑体辐射;高于5000K时使用自然光模型)存在5000K的突变问题,这个新的体系在4500K-5500K的范围内使用了黑体辐射与自然光模型混合的光谱作为参考光源。另外,Rf和Rg都采用了与待测光源色温相同的参考光源,由此克服了GAI的一个重要弊端。


4. 色度学:该体系采用了更均匀的色度空间、色适应方程和色貌模型(CIE Color Appearance Model02)。


5. 颜色失真图标:由于2个指标只能综合评价光源对于各种颜色的平均显色能力,对于某些特定颜色的显色能力有时也很重要(特别对于照明设计师而言)。新的方法在提供双指标的同时还提供了一个颜色是真图标可以提供更为直观的信息,用以表示各种颜色的色漂以及饱和度的改变。