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光源显色性的评价方法

文章作者:深圳市聚利兴仪器有限公司    时间:2015/6/1 15:21:27

      颜色是人的感觉之一,它总是与观察者个人的主观体验有关。每个人看到一种颜色后的感觉,别人难以知晓。所以颜色的研究总是充满了神秘的想象。同时,颜色又使世界变得五彩缤纷,视觉艺术、图象显示与传输、纺织品印染、彩色印刷等,都离不开颜色的研究。因此颜色的研究、对颜色进行客观的定量的描述,成为许多科学家研究的对象


     牛顿在1664年用棱镜把白色的太阳光色散成不同色调的光谱,奠定了光颜色的物理基础。1860年麦克斯韦用不同强度的红、黄、绿三色光配出了从白光一直到各种颜色的光,奠定了三色色度学的基础。在此基础上,1931国际照明委员会建立了CIE色度学系统,并不断完善。如今CIE色度系统已广泛用于定量地表达光的颜色。


    颜色离不开照明,只有在光照下物体才有可能显示出颜色,而且光的颜色对人们的心理有非常大的影响。同济大学杨公侠教授已在他的专著视觉与视觉环境一书的第五章中,作了非常精采的描述。(1)  在不同光源照射下,同一个物体会显示出不同的颜色。例如绿色的树叶在绿光照射下,有鲜艳的绿色,在红光照射下近于黑色。由此可见,光源对被照物体颜色的显现,起着重要的作用。光源在照射物体时,能否充分显示被照物颜色的能力,称为光源的显色性。1965年,国际照明委员会推荐在CIE色度系统中,用一般显色指数Ra来描述光源的显色性。一般显色指数Ra应用得还很成功,已被照明界广泛接受,但是也存在一些问题,本文将为光源显色性的评价方法,以及近年来的进展作一介绍。


1. 一般显色指数Ra


    光源显色性的评价方法,希望能够既简单又实用。然而简单和实用往往是两个互相矛盾的要求。在CIE颜色系统中,一般显色指数Ra就是这样一个折衷的产物:它比较简单,只需要一个100以内的数值,就可以表达光源的显色性能,Ra=100被认为是最理想的显色性。但是,有时候人们的感觉并非如此。例如在白炽灯照射下的树叶,看上去并不太鲜艳。问题在哪里?我们来讨论影响什么是一般显色指数。


    为简便起见,我们这里只讨论一般显色指数Ra的主要构成方法,而不讨论它的具体计算方法。事实上,我们在日常生活里,常常在检验光源的显色性。许多人都有这样的经验,细心的女士在商场买衣服的时候,常常还要到室外日光下再看一看它的颜色。她这样做,实际上就是在检验商场光源的显色性:看一看同样一件衣服,在商场光源的照明下和在日光的照明下,衣服的颜色有什么不同。所以描述光源的显色性,需要两个附加的要素:日光(参考光源)和衣服(有色物体)。在CIE颜色系统中,为确定待测光源的显色性,首先要选择参考光源,并认为在参考光源照射下,被照物体的颜色能够最完善的显示。CIE颜色系统规定,在待测光源的相关色温低于5000K时,以色温最接近的黑体作为参考光源;当待测光源的相关色温大于5000K时,用色温最相近的D光源作为参改光源。这里D光源是一系列色坐标可用数字式表示、并与色温有关的日光。


    在选定参考光源后,还需要选定有色物体。由于颜色的多样性,需要选择一组标准颜色,使它们能充分代表常用的颜色。CIE颜色系统选择了8种颜色,它们既有多种色调,又具有中等明度值和彩度。在u-v颜色系统中,测定每一块标准色板,在待测光源照射下和在参考光源照射下色坐标的差别,即色位移ΔEi,就可得到该色板的特殊显色指数Ri。


                        Ri=100—4.6ΔEi


    对8块标准色板所测得的特殊显色指数Ri取算术平均,就得到了一般显色指数Ra。可见光源的一般显色指数Ra的最大值为100,认为这时光源的显色性最好。


2. 一般显色指数Ra的局限性


    尽管一般显色指数Ra简单实用,但是它在许多方面表现出严重不足。首先,颜色是人们主观的感觉,不是物体固有的属性,它与照明条件、观察者、辐照度、照度、周围物体和观察角度等有关,并不存在什么所谓“真实颜色”。但是由于在CIE系统中,已定义Ra在近似黑体的辐射下达最高值100,所以灯泡制造商都有意识地设计灯泡,使在用它照射物体时的显色性与黑体或日光照射时尽可能相近。这意味着光源的光谱分布与黑体或日光有偏离时,会使显色指数下降。例如用红、绿、兰三个单色LED组成的白光LED,当在它的一般显色指数Ra较低时,它的显色性有时并不一定很坏。    但是事实上,许多研究者Judd(2)、Thorntou(3)和Jerome(4) 已证实人们不一定最喜欢CIE所规定的参考光源照明时的颜色。例如前面已经提到的用色温很低的白炽灯照射绿色的树叶,并不一定是最好的选择。规定在黑体或日光照射时显色指数为最佳值Ra = 100,存在疑问。


    CIE规定的参考光源是与待测光源的相关色温最接近的黑体或日光,它们都是辐射连续光谱的光源,具有多种颜色的光谱成分。当色温在6500K时,其长短波的光谱功率分布较为均衡,作为参考光源应该说较为合理。但当色温在400K以下时,光谱功率分布严重不对称,兰色的短波光谱功率远小于红色的长波光谱功率,其颜色偏向红色,作为参考光源存在疑问。


    在CIE颜色系统中,8块标准色板都是处在中等明度和色饱和度,在u~v  系统中为等距离间隔。它们对于室内照明,可认为已能充分代表各种常用颜色。但在室外照明时,往往存在一些色饱和度较高的颜色,这8块标准色板已不能充分代表常用颜色。许多学者认为标  色板数太少,是一般显色指数的另一个不足。虽然CIE还有9—14号色饱和度较高的6块色板,但它们并不包含在一般显色指数Ra之中。在照明实践中,人们熟知的颜色为皮肤、树叶、食品等,它们的颜色极为重要,但它们都被排除在一般显色指数之外。Seim曾提议用20快标准色板,(5) 但由于这会使计算变得太复杂而被拒绝。当前,计算机普遍使用,似乎这个提议又得重新考虑。


    由于光源的显色性评价存在这两大问题、许多其它的评价方法引起广泛兴趣,本文将就作者所知作一简要介绍。


3. 夫勒特利指数Rf


    研究表明人们倾向于记住比较熟悉的物体的颜色,而且是记住它的生动的、饱和度较高时的颜色。这种记忆色与喜爱色往往相一致,而且倾向于向饱和度高方向偏移。如人们肤色的记忆色,倾向于向红方向偏移,树叶色向绿色方向偏移。显然与CIE中的Ra方法不同。


    Rf事实上是对Ra的修正,这个修正包括二个方面:第一,在参考光源的照明下定义Rf = 90,只有在假想的“完美光源”照明下,才有Rf = 100。第二,选择10块标准色板,即除了原来1-8号标准色板外,还加上13号14号二块色板,相应于皮肤色和树叶色。这时,“完美光源”就是指在它的照射下,能把10块标准色板的颜色向喜爱方向偏移的光源。由此可见,对每块标准色板来说,相应的“完美光源”的色坐标是各不相同的,可以由实验确定。这也说明了这样的“完美光源”只能是假想的。


     Rf的计标方法与Ra相似,但有二点不同:(1)对于每块标准色板,参考光源的色坐标都需要调整,即根据实验确定的“完美光源”色坐标。然后,在待测光源照明时,每块色板的色差是与其相应的“完美光源”相比较后得到。(2)在计算Rf时,取10块色板的色差平均值,但是每块色板的权重不同。13号色板是肤色,权重是35%、2号是15%、14号是15%、其余是每块5%。这里特别强调了肤色的重要性。所以待测光源的Rf可以高于参考光源Rf = 90,但小于100。


4. 颜色偏爱指数(CPI)


    颜色偏爱指数CPI(colour preference index)利用上节提出的喜爱色概念,定义在D65光源照明下,颜色偏爱指数CPI =100。于是待测光源的CPI可以这样得到:在待测光源照射下,计算8块标准色板的色坐标与最喜爱色的色坐标之差,并求其矢量和的平均值( )     


        CPI=156-7.18( )    以上计算都是在CIE的UV色度系统中进行。


虽然CPI与Rf都利用了最喜爱色这一概念,但两者有很大差别:


(1)在计算Rf时,用1—8号和13、14共10块标准色板,而CPI只用1—8块标准色板。


(2)技术Rf时,色差(ΔE)取实验值的1/5,而CPI取原始实验值。


(3)计算Rf时,各块色板的权重不同,而CPI取相同权重


(4)根据定义Rf的最大值为100,而CPI的最大值为156


    最后要指出提出Rf与CPI两个指数的研究人员,都用实验确定喜爱色,而在实验中采用的是日光色照明。现在有证据表明喜爱色与光源的相关色温有关。所以在使用Rf和CPI来恒量显色性时,仅仅适用高色温的光源。


5. 色分辩指数(CDI)


     用Ra、Rf或CPI来描述光源的显色性,参考光源必须与待测光源有相同的色温。颜色分辩指数CDI(colour discrimination index)克服了这个局限性。


该指数的提出,基于这样一个假定:在某种光源的照明下,能区别颜色的能力愈强,则此光源的显色性愈好。在某个光源照明时,8块标准色板在CIE的UV色度图中,所包围的面积为


                 GA =0.5Σ(UiVj-UjVi)       i,j=1,2,…8;  i≠j


   在C光源照明下,该面积GA=0.005,定义这时CDI=100,于是在待测光源的照明下,其色分辩指数为


                   CDI=(GA/0.005)×100


6. 结束语


    由上述讨论可知,光源显色性的评价方法很多,而且在不断发展和完善之中,本文介绍的仅仅是其中的一部分,它们各有优缺点。即使目前广为采用的一般显色指数Ra,也还有许多缺点。它最主要的缺点,是参考光源的选择:参考光源是一个光谱连续的光源,用它作为标准来衡量光谱不连续的光源,不很合适。参考光源的色温必须与待测光源的相关色温相近,而事实上,对于一定的照明作业,色温本身对显色性就有很大的影响,这个方法限制了只能用在光源色温已经确定的条件下使用。它的第二个缺点是标准色板的选择:对于室内照明,可认为8块标准色板已能充分代表各种常用颜色。但在室外照明时,对一些色饱和度较高的颜色,不能充分代表常用颜色。


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