肖 醒，孫耀杰，林燕丹，熊 峰，楊 衛(wèi)

(1.復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，先進(jìn)照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海 200433; 2.上海半導(dǎo)體照明工程技術(shù)研究中心,國家半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,上海 201203)

引言

光源顯色性評(píng)價(jià)方法的提出最早是在1948年，當(dāng)時(shí)提出以8波段的光譜帶法來評(píng)價(jià)白光光源的顯色性。但是在1955年提出的試色法最終取代了8波段的光譜帶法，并在1965年被國際照明委員會(huì)(CIE)正式確立為評(píng)價(jià)白光光源的通用指標(biāo)[1]。1974年，國際照明委員會(huì)對(duì)1965年的版本進(jìn)行了改進(jìn)，采用了更加優(yōu)化的色適應(yīng)公式及均勻色空間[2]。

在過去的幾十年，隨著研究的深入，現(xiàn)行顯色指數(shù)中存在的諸多問題逐漸暴露，例如過時(shí)的均勻色空間、顏色樣本不具代表性等，以新指標(biāo)替代現(xiàn)行顯色指數(shù)的呼聲越來越高[3-4]。國際照明委員會(huì)也成立專門的技術(shù)委員會(huì)(TC1-90)來研究解決這一問題。本文介紹的CRI 2012這一指標(biāo)就是這一技術(shù)委員會(huì)研究的最新成果，也是替代CRI這一指標(biāo)的有力候選。

2013年6月，K.A.G.Smet等人發(fā)表了《CRI 2012: A proposal for updating the CIE color rendering index》的文章，系統(tǒng)地介紹了CRI 2012這一指標(biāo)[5]。CRI 2012指標(biāo)基本原理與現(xiàn)行顯色指數(shù)相同，即采用顏色樣本的評(píng)價(jià)方法、以參照光源作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在計(jì)算流程上也基本相似。但是，CRI 2012指標(biāo)在均勻色空間的選擇、顏色樣本的選用和數(shù)學(xué)計(jì)算方法上對(duì)現(xiàn)行顯色指數(shù)做了改進(jìn)，使得CRI 2012指標(biāo)對(duì)于光源顯色性的評(píng)價(jià)與視覺實(shí)驗(yàn)的結(jié)果更為匹配。

1 CRI 2012簡介

1.1 CRI 2012的提出背景

現(xiàn)行顯色指數(shù)(CRI)的定義為：通過有意識(shí)地或無意識(shí)地與標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)于物體的顏色表現(xiàn)性的比較，一個(gè)光源對(duì)該物體的顏色表現(xiàn)性的效果。CIE標(biāo)準(zhǔn)下的顯色指數(shù)以8種標(biāo)準(zhǔn)色及4種特殊色樣本為基準(zhǔn)，平常一般的顯色指數(shù)由8種顏色樣本為準(zhǔn)，計(jì)算公式如下：

Ri=100-4.6ΔEi

(1)

(2)

式中，ΔEi為每個(gè)特定的顏色樣本在兩個(gè)不同的光源在CIE 1964 U*V*W*均勻色空間下的顏色表現(xiàn)性差異；Ri為某一顏色樣本i的特殊顯色指數(shù)；而Ra為一般顯色指數(shù)(8個(gè)特殊顯色指數(shù)的算術(shù)平均數(shù))。

但是，測試樣本法被提出后就一直爭議不斷，因?yàn)槠浯嬖谠S多缺陷，如下：

(1)現(xiàn)行顯色指數(shù)采用的色空間是U*V*W*均勻色空間，隨著色空間研究的不斷深入，1964年提出的這個(gè)色空間已經(jīng)過時(shí)，在色差計(jì)算方面存在諸多問題。

(2)現(xiàn)行顯色指數(shù)采用的8種顏色樣本代表性不足。雖然之后顏色樣本增加至15種，但由于其色域面積不夠?qū)?、顏色飽和度不足等問題使其仍不具代表性。

(3)現(xiàn)行顯色指數(shù)適用于評(píng)價(jià)光譜連續(xù)的光源而對(duì)于光譜特定波長有峰值的光源(如三基色熒光燈、LED等)評(píng)價(jià)失效。

正是考慮到現(xiàn)行顯色指數(shù)存在的諸多缺陷，國際照明委員會(huì)成立了專門的技術(shù)委員會(huì)TC1-90來研究和解決現(xiàn)行顯色指數(shù)存在的問題，并旨在為工業(yè)界提出能夠合理評(píng)價(jià)白光光源還原性的單一指標(biāo)。該技術(shù)委員會(huì)最近提出的CRI 2012這一指標(biāo)對(duì)均勻色空間、色適應(yīng)變換公式和顏色樣本等方面都做出了改進(jìn)。

1.2 CRI 2012的計(jì)算方法

在前期大量研究工作的前提下，K.A.G.Smet等人在現(xiàn)行顯色指數(shù)計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，并最終提出了CRI 2012這一指標(biāo)。該指標(biāo)的計(jì)算流程與現(xiàn)行顯色指數(shù)相似，但在許多方面做出了改進(jìn)，使得該指標(biāo)對(duì)于光源顯色性的評(píng)價(jià)更為合理。CRI 2012的計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 CRI 2012指標(biāo)計(jì)算流程圖Fig.1 Flowchart: the calculation of CRI 2012

具體計(jì)算步驟如下：

(1)測試得到測試光源的光譜功率分布(SPD)，由光譜功率分布計(jì)算可得測試光源的色溫。根據(jù)色溫值，可以得到對(duì)應(yīng)的參照光源的光譜功率分布。

(2)分別計(jì)算10°視場角下測試光源和參照光源照射下顏色樣本的三刺激值(XYZ10)T, i和(XYZ10)R, i。

(3)在CAM02-UCS均勻色空間中由(XYZ10)T, i和(XYZ10)R, i值分別計(jì)算出測試光源和參照光源下的色坐標(biāo)(J′, aM, bM)T, i和(J′,aM,bM)R， i。

(4)由色坐標(biāo)值可求得不同色塊的色差值ΔEi，經(jīng)過數(shù)學(xué)計(jì)算后可得CRI 2012。

從整體來看，CRI 2012指標(biāo)的計(jì)算流程似乎與現(xiàn)行顯色指數(shù)差別不大。但仔細(xì)觀察，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)二者之間存在諸多不同之處。首先是使用的顏色樣本不同。現(xiàn)行顯色指數(shù)最初使用的顏色樣本是8種顏色樣本，后來增加了4種飽和色、高加索人膚色、葉綠色和亞洲人膚色，共15種色塊。不論是一般顯色指數(shù)還是特殊顯色指數(shù)所使用的顏色樣本都是一致的。但是，在CRI 2012指標(biāo)計(jì)算中使用了兩套顏色樣本，HL17顏色樣本適用于一般顯色指數(shù)的計(jì)算，而Real210顏色樣本則適用于特殊顯色指數(shù)的計(jì)算。其次，是均勻色空間由U*V*W*色空間替換成CAM02-UCS均勻色空間。相應(yīng)地，色適應(yīng)變換公式也發(fā)生了改變。最后是數(shù)學(xué)計(jì)算方面的改進(jìn)，對(duì)算術(shù)平均求解一般顯色指數(shù)做出了改進(jìn)。

2 CRI 2012的改進(jìn)點(diǎn)

2.1 顏色樣本的改進(jìn)

(1)HL17

CRI 2012采用了與現(xiàn)行顯色指數(shù)完全不同的顏色樣本。要解決現(xiàn)行顏色樣本不具代表性的一個(gè)方法是增加顏色樣本的數(shù)量。如果能夠窮盡色域空間中所有顏色的話，則該顏色樣本具有足夠的代表性。但考慮到顯色性評(píng)價(jià)指標(biāo)是要推廣到工業(yè)界的，這就要求指標(biāo)的計(jì)算過程不能太復(fù)雜，耗時(shí)不能過長，故窮盡所有顏色的方法是不可取的。為了解決這一矛盾，該指標(biāo)的提出者對(duì)顏色樣本的光譜進(jìn)行了數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)。通過這一數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)得到了HL17顏色樣本，光譜功率分布如圖2所示。該樣本有17種顏色樣本，這些顏色樣本的光譜特性是均勻分布的。正是光譜特性均勻分布這一特點(diǎn)使得CRI 2012的數(shù)值能夠反映局部光譜的特征。這改進(jìn)了現(xiàn)行顏色樣本對(duì)局部光譜特征不敏感的問題，能夠有效地防止光源生產(chǎn)廠家通過設(shè)計(jì)光源光譜功率分布中特定波長的峰值來提高顯色指數(shù)數(shù)值但實(shí)際并未提高光源顯色性這一缺陷。

圖2 HL17光譜功率分布圖Fig.2 Curve: the spectrum power distribution of HL17

這一套通過數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)得到的顏色樣本適用于一般顯色指數(shù)的計(jì)算。

(2)Real210

Real210這一顏色樣本旨在提供更多的細(xì)節(jié)信息，這些信息能夠更好地解釋不同光源顯色性不同具體體現(xiàn)在哪些色塊的色差不同。

這組顏色樣本中包含90種高顏色恒常性的樣本和90種低顏色恒常性的樣本，這里的顏色恒常性是指當(dāng)照射物體表面的顏色光發(fā)生變化時(shí)，人對(duì)該物體表面顏色感覺是否改變的程度(如圖3所示)。剩下的30種色塊是10種常用的美術(shù)用色和出現(xiàn)4次的5種膚色(亞洲人膚色、高加索人膚色、西班牙裔膚色、大洋洲人膚色和南亞人膚色)，其中讓膚色出現(xiàn)4次是為了提高其所占的權(quán)重。

圖3 90種高顏色恒常性樣本和90種低顏色恒常性樣本、4×5種膚色和10種美術(shù)用色在CAM02-UCS中的色坐標(biāo)Fig.3 CAM02-UCS coordinates aM, bM of the 90 high color constancy (HCC) and 90 low color constancy (LCC)metameric samples, and 4×5 skin tone and 10 artist paint samples

2.2 均勻色空間的改進(jìn)

現(xiàn)行顯色指數(shù)采用的色空間是1964年提出的U*V*W*均勻色空間，采用的色適應(yīng)變換是Von Kries色適應(yīng)變換公式。與U*V*W*均勻色空間相比，CAM02-UCS色空間在色差計(jì)算方面與人眼視覺感受更為相符。同時(shí)，色適應(yīng)變換公式也由原來的Von Kries色適應(yīng)變換變?yōu)镃AT02色適應(yīng)變換。這兩個(gè)方面的變化使得CRI 2012指標(biāo)對(duì)于色差的計(jì)算更為精確。

2.3 數(shù)學(xué)計(jì)算的改進(jìn)

現(xiàn)行顯色指數(shù)是利用Ri=100-4.6×ΔEi這一公式求得特殊顯色指數(shù)，再對(duì)8種顏色樣本的特殊顯色指數(shù)進(jìn)行算數(shù)平均得到一般顯色指數(shù)。這樣的數(shù)學(xué)計(jì)算方法存在的問題是如果特殊顯色指數(shù)中出現(xiàn)極端值對(duì)一般顯色指數(shù)的結(jié)果影響顯著。CRI 2012指標(biāo)針對(duì)這一問題也做出了改進(jìn)。首先，是采用了S型函數(shù)，相比于現(xiàn)行顯色指數(shù)所采用的典型線性尺度，該函數(shù)能夠更好地反映人類的感知反應(yīng)。其次是采用均方根替代一般的算術(shù)平均，增強(qiáng)了極端值對(duì)最終結(jié)果的影響。具體的計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

(5)

利用Real210顏色樣本在CAM02-UCS均勻色空間中測得的色差值ΔEi，將該色差值代入式(3)便可求得特殊顯色指數(shù)Ri,2012。利用HL17顏色樣本得到測試光源和參照光源下的色差值ΔEi，對(duì)其求均方根得到ΔErms，再將ΔErms代入式(5)可求得一般顯色指數(shù)Ra,2012。

3 實(shí)例驗(yàn)證

在本文的前半部分提到現(xiàn)行顯色指數(shù)存在的一大缺陷是其不能合理評(píng)價(jià)光譜特定波長存在極值的光源，如三基色熒光燈和LED等。因此，本文接下來將主要針對(duì)這兩種光源進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，看現(xiàn)行顯色指數(shù)和CRI 2012指標(biāo)對(duì)于這兩種光源顯色性評(píng)價(jià)的異同。

本文采用的光源為色溫小于4000K，Ra值在50到90之間的熒光燈(其中包括一定數(shù)量的三基色熒光燈)，以及LED。光源的光譜功率分布如圖4所示。

圖4 光源光譜功率分布Fig.4 The Spectrum Power Distribution of light sources

通過計(jì)算得到光源的顯色指數(shù)值Ra和CRI 2012的數(shù)值，對(duì)兩者進(jìn)行相關(guān)性驗(yàn)證。結(jié)果如圖5所示。

圖5 光源顯色指數(shù)Ra與CRI 2012指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系Fig.5 The correlation of Ra and CRI 2012

首先是熒光燈組的結(jié)果，我們對(duì)其顯色指數(shù)值Ra和CRI 2012指標(biāo)的值進(jìn)行相關(guān)性驗(yàn)證，得到R2值為0.8796，相關(guān)度較高。說明對(duì)于熒光燈顯色性的評(píng)價(jià)而言，現(xiàn)行顯色指數(shù)與CRI 2012指標(biāo)在總體趨勢(shì)上是一致的。為了進(jìn)一步研究二者評(píng)價(jià)結(jié)果的區(qū)別，我們做了一條過原點(diǎn)的斜率為1的輔助線。我們發(fā)現(xiàn)，顯色指數(shù)在70到90之間的熒光燈的CRI 2012指標(biāo)的數(shù)值低于先行顯色指數(shù)的數(shù)值。這一結(jié)果與視覺實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相符的，即現(xiàn)行顯色指數(shù)對(duì)于Ra值在80到90之間的熒光燈的評(píng)價(jià)是偏高的。這說明CRI 2012指標(biāo)能夠更加合理地評(píng)價(jià)熒光燈的顯色性。

接下來是LED組的結(jié)果，同樣地，我們對(duì)其顯色指數(shù)值Ra和CRI 2012指標(biāo)的值進(jìn)行了相關(guān)性驗(yàn)證，得到R2值為0.7496，相關(guān)度較高。但相較于熒光燈組而言，相關(guān)度較低。CRI 2012指標(biāo)對(duì)于LED光源顯色性的評(píng)價(jià)總體上和現(xiàn)行顯色指數(shù)的評(píng)價(jià)是一致的，但表現(xiàn)出的差異較熒光燈組的大。同樣地，我們做了一條輔助線來幫助分析。我們發(fā)現(xiàn)，顯色指數(shù)Ra值在30到50之間的LED的CRI 2012指標(biāo)的數(shù)值有較大的提高?，F(xiàn)行顯色指數(shù)的一大不足之處是低估了LED的顯色性能，沒能合理地評(píng)價(jià)LED的顯色性。而上述這一結(jié)果說明，CRI 2012指標(biāo)對(duì)于LED光源顯色性的評(píng)價(jià)也做出了相應(yīng)的改進(jìn)。

4 結(jié)論

CRI 2012指標(biāo)從諸多方面對(duì)現(xiàn)行顯色指數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)和完善，因此能夠更加合理地評(píng)價(jià)白光光源的顯色性。CRI 2012指標(biāo)的出現(xiàn)對(duì)于照明行業(yè)的意義是重大的，因?yàn)樗鉀Q了現(xiàn)行顯色指數(shù)中存在的諸多缺陷，能夠更好地評(píng)價(jià)三基色熒光燈和LED等這些新興光源。該指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果與人眼視覺感受更為相符，這對(duì)于光源的使用者來說也是意義重大的。

當(dāng)然，我們也應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，CRI 2012指標(biāo)與現(xiàn)行顯色指數(shù)一樣都是僅從顏色還原性的角度來評(píng)價(jià)光源顯色性的。單一的評(píng)價(jià)角度存在本質(zhì)上的問題，即對(duì)于人類而言，顏色還原性是否能夠代表光源的顯色性本身就是一個(gè)問題。而從更多維的角度來評(píng)價(jià)光源的顯色性，還需要我們照明人做出更多的研究和更大的努力。

目前，CIE TC1-90和TC1-91正在分別針對(duì)顏色還原性和顏色質(zhì)量進(jìn)行綜合的研究，期待早日能有標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果，以滿足工業(yè)界和科研界對(duì)顏色質(zhì)量科學(xué)評(píng)價(jià)的需求。

[1] CIE. Method of measuring and specifying colour rendering properties of light sources. Vienna: Central Bureau of the CIE, 1965.

[2] CIE. Method of measuring and specifying colour rendering properties of light sources. Vienna: Central Bureau of the CIE, 1995.

[3] Guo Xin, Houser K W. A review of colour rendering indices and their application to commercial light sources[J]. Lighting Research and Technology, 2004,36(3):183-199.

[4] 程雯婷，孫耀杰，童立青，等.白光LED顏色質(zhì)量評(píng)價(jià)方法研究[J].照明工程學(xué)報(bào)，2011,22(3):37-42.

[5] Smet KAG, Schanda J, Whitehead L,et al. CRI 2012: A proposal for updating the CIE colour rendering index[J]. Lighting Research and Technology, 2013，45(6):689-709.