白光LED顏色質(zhì)量評價(jià)方法研究*

程雯婷 孫耀杰 童立青 林燕丹

(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)

1 顯色指數(shù)與光源顏色質(zhì)量評價(jià)

如今人們對室內(nèi)照明質(zhì)量的要求越來越高，照明評價(jià)也從過去以照度為主要指標(biāo)，向基于舒適性的綜合評價(jià)發(fā)展。其中光源的顏色質(zhì)量(color quality)是決定室內(nèi)照明效果的重要指標(biāo)之一。

1.1 顯色指數(shù)(CRI)存在的缺陷

在過去數(shù)十年，國際照明學(xué)會(CIE)制定的顯色指數(shù)(CRI)是最常用的評價(jià)顏色質(zhì)量的指數(shù)。但隨著新光源的出現(xiàn)和研究的深入，其存在的問題也日益凸顯［1］。根據(jù)CIE對于顯色性(color rendering)的定義，它是指與參考照明體下的色表相比較，一個光源對于物體的色表產(chǎn)生的效果［2］。用于評價(jià)的指數(shù)即顯色指數(shù)CRI(Color Rendering Index)。

美國［3，4］、匈牙利［5～8］、法國［9～11］等研究者均發(fā)現(xiàn)，CRI在用于評價(jià)光源，尤其是LED的顯色性時(shí)，存在許多問題，如色空間不均勻、顏色樣品數(shù)量少且飽和度過低等。不僅如此，用光源的顯色性來評價(jià)顏色質(zhì)量本身存在著問題。根據(jù)顯色性的定義，其評價(jià)的是光源對于物體在參考照明體下的顏色還原性(color fidelity)，所以不管物體的色表往什么方向偏離，顯色指數(shù)都會降低。但實(shí)際運(yùn)用中，如果光源使顏色飽和度增加，可以提高視覺清晰度和視亮度，所以單純用顯色指數(shù)來評判光源顏色質(zhì)量是不全面的［12］?；谝陨峡紤]，CIE在2007年的技術(shù)報(bào)告［13］中明確提出:目前的顯色指數(shù)CRI不能有效反映包括白光LED在內(nèi)的白光照明光源的顯色性優(yōu)劣。

1.2 新的光源顏色質(zhì)量評價(jià)體系的形成

為了修正CRI的一些問題，美國NIST的Wendy Davis和Yoshi Ohno［14，15］開發(fā)了一套新的評價(jià)系統(tǒng)CQS(Color Quality Scale)。但該系統(tǒng)主要基于數(shù)學(xué)計(jì)算開發(fā)，其可靠性仍有待更多的視覺實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。例如Nicola Pousset等人［16］將其顏色偏好度實(shí)驗(yàn)結(jié)果與各光源的CQS值進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CQS值在反映真實(shí)顏色質(zhì)量上不盡人意。

要全面地評價(jià)光源的顏色質(zhì)量，需要考慮很多因素，如顏色還原性，色調(diào)的區(qū)分度(hue discrimination)，顏色鮮艷度(vividness)，人們對顏色的偏好度(preference)，視覺清晰度(visual clarity)，視覺舒適度等等。目前為止國際上未形成統(tǒng)一的光源顏色質(zhì)量評價(jià)體系，但有一點(diǎn)可以肯定:決定光源顏色質(zhì)量的是人的視覺感受。因此，我們需要基于大量的視覺實(shí)驗(yàn)來確定該評價(jià)體系。

目前的研究主要采用的方法可歸納為:保持桌面照度或視線方向亮度相同;并保證各待測光源具有接近的色溫或色坐標(biāo);被試進(jìn)行的視覺任務(wù)主要有:考察顏色還原性(即顯色)的色差評價(jià);考察偏好度、鮮艷度、協(xié)調(diào)度等的主觀評分;考察顏色區(qū)分度的辨色實(shí)驗(yàn)。但目前大多研究均為視覺實(shí)驗(yàn)結(jié)果與顯色指數(shù)CRI的比較，并已獲得明確結(jié)論，對于CQS體系的驗(yàn)證僅含顏色偏好度，不含顏色還原性等其他方面的研究，因此還有待完善。此外，大部分視覺實(shí)驗(yàn)針對歐洲人群，由于東西方人群的顏色偏好差異，其結(jié)果未必適用于亞洲人。因此，本實(shí)驗(yàn)對光源的CRI和CQS均進(jìn)行了計(jì)算，并基于視覺實(shí)驗(yàn)考量了顏色還原性和顏色偏好度兩方面特性，以期在CQS系統(tǒng)的可靠性驗(yàn)證方面作出完善，并為顏色質(zhì)量評價(jià)的視覺實(shí)驗(yàn)補(bǔ)充亞洲人樣本。

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)選取了5種光源，其中2種鹵素?zé)簟?種LED和1種緊湊型熒光燈(CFL)，均為市場上的高端產(chǎn)品，其中鹵素?zé)糇鳛橄嗤珳叵碌膮⒖脊庠?。光源基本信息見?，按照色溫將5種光源分為6500K組與5000K組兩組進(jìn)行，分開進(jìn)行視覺實(shí)驗(yàn)。首先采集了各光源的相對光譜功率分布，見圖1、圖2，光譜采集儀器為STC3000光譜儀，然后基于光譜計(jì)算了CRI和CQS兩類指數(shù)。

表1 實(shí)驗(yàn)用光源的相關(guān)信息

視覺實(shí)驗(yàn)在一暗室內(nèi)進(jìn)行，制成兩個獨(dú)立的隔間，如圖3所示。隔間頂部安裝有光源，不產(chǎn)生眩光，均勻照射在桌面上，兩隔間桌面平均照度均為500 lx。

圖1 光源相對光譜功率分布(6500K組)

圖2 光源相對光譜功率分布(5000K組)

圖3 視覺實(shí)驗(yàn)場景

實(shí)驗(yàn)采用被試者內(nèi)設(shè)計(jì)(within-subjects design)的方法，選取10名被試，其中5男5女，年齡為20至24歲，均具有正常的視力或矯正視力，且經(jīng)過篩選，無色盲等其他眼疾。利用抵消實(shí)驗(yàn)條件的設(shè)計(jì)(reversal experimental condition design)，每位被試均參與所有實(shí)驗(yàn)條件下的三組實(shí)驗(yàn)任務(wù)。第一項(xiàng)為色差的評分。實(shí)驗(yàn)采用的MCC色卡是CIE規(guī)定的用以比較待測光源與參考光源色差的標(biāo)準(zhǔn)方法。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在兩個隔間桌面上分別放置MCC色卡，隔間一邊放置待測光源(CFL或LED)，另一邊放置相同色溫的鹵素?zé)糇鳛閰⒖脊庠矗畋辉囉^察兩套色卡中的24對顏色樣品，并對每一對的色差進(jìn)行打分。打分的規(guī)則是，首先將色差感受歸入VS(very small，非常小)，S(small，較小)，M(medium，中等)，L(large，大)，VL(very large，很大)五個大類(表2)，然后再進(jìn)行5個等級的細(xì)分，最后以諸如VS4，L2的形式表示。為便于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)過過時(shí)將得分轉(zhuǎn)換為末尾行1～25的數(shù)字。

第二、三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)均為偏好度的評價(jià)。隔間內(nèi)放置了仿真花朵和水果，便于被試觀察并作出判斷。其中第二項(xiàng)為對各個光源的單獨(dú)評分，包括從0(非常不喜歡)到100(非常喜歡)的評分，和從1(非常不喜歡)到5(非常喜歡)的評分。第三項(xiàng)為兩兩比較，令被試選出更喜歡的光源編號。

表2 色差評定標(biāo)準(zhǔn)及得分轉(zhuǎn)換

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 CRI和CQS計(jì)算結(jié)果

表3顯示了各個光源的CRI和CQS計(jì)算值。對于顯色指數(shù)CRI，除了計(jì)算了一般顯色指數(shù)(Ra)，還計(jì)算了4個高飽和度特殊顯色指數(shù)的平均值R(9～12)，另外還單獨(dú)列出了9號樣品的特殊顯色指數(shù)R9，因?yàn)镽9是高飽和度紅色樣品，而目前LED往往在紅色區(qū)域的顯色性較差。由表可見，由于9號樣品在5號光源下產(chǎn)生過大的色差，R9呈現(xiàn)了負(fù)值。這也正證明了CRI指數(shù)存在問題。CQS的計(jì)算值里包括了Qa，Qp，Qf三種。CRI中存在的一個問題是把有益于視亮度增加的飽和度增加也作為色差，引起CRI值的降低，因此Qa計(jì)算中將由飽和度增加引起的色差去除在外，而Qf(fidelity)則完全依照顯色性的顏色還原性這一定義，未剔除此類色差，而Qp(preference)則從偏好度角度考慮，鑒于增加飽和度可以提高偏好度，所以飽和度增加引起的色差不但不減小分?jǐn)?shù)，反而額外增加分?jǐn)?shù)。因此從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，三個CQS值不盡相同，1，2，3，4號光源從整體上看都使顏色樣品的飽和度在不同程度上有所增加。

表3 測試光源的CRI和CQS計(jì)算值

3.2 視覺實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

24個顏色樣品在不同光源(2號6500K LED，3號6500K CFL，5號5000K LED)與對應(yīng)的參考光源(同色溫的鹵素?zé)?下的色差得分結(jié)果如圖4所示。方差分析(ANOVA)顯示，對其中8個樣品，三種光源在0.05的顯著水平下有顯著差異(見表4)。通過進(jìn)一步的兩兩比較得到各光源在一些顏色樣品下的還原性優(yōu)劣(見圖5):(1)對于樣品4，11，16，2號(6500K LED)優(yōu)于3號(6500K CFL);(2)對于樣品7，18，3號(6500K CFL)優(yōu)于2號(6500K LED);(3)對于樣品1，2，4，16，21，2號(6500K LED)優(yōu)于5號(5000K LED);(4)對于樣品1，2，7，18，3號(6500K CFL)優(yōu)于5號(5000K LED)。由此可見，對于不同顏色樣品，三種光源(6500K LED;6500K CFL;5000K LED)在顯色性能上各有利弊，顯色指數(shù)高的CFL，未顯示出特別優(yōu)勢。

圖4 24個MCC色卡的顏色樣品在3種光源于其對應(yīng)的參考光源下的色差得分平均值

表4 ANOVA和配對比較結(jié)果(本表僅顯示了ANOVA得到顯著差異P＜0.05的顏色樣品)

偏好度的主觀評分中，0～100的評分與1～5的評分基本一致，但方差分析(ANOVA)顯示6500K組和5000K組之間的各光源都不存在顯著差異(假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)果分別為p=0.069和p=0.572)。

偏好度的比較實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)每位被試評分計(jì)算，6500K組的光源偏好度順序?yàn)?CFL(3號)＞LED(2號)＞Halogen(1號);而5000K組中，Halogen(4號)與LED(5號)相同。為了檢驗(yàn)被試評分的一致性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了肯德爾和諧系數(shù)W(Kendall's coeficient of concordance)檢驗(yàn)，6500K組中W=0.31，P＜0.05，說明被試對6500K組的評分具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的一致性。

圖5 各測試光源對各MCC色卡上顏色樣品的顏色還原性優(yōu)劣比較

3.3 視覺實(shí)驗(yàn)與CRI、CQS計(jì)算值的比較

關(guān)于顏色還原性，基于顯色指數(shù)CRI和美國NIST提出的CQS指數(shù)的計(jì)算，6500K和5000K的LED樣品比6500K熒光燈樣品的顯色性(顏色還原性)差，但基于顏色樣品色差評價(jià)的視覺實(shí)驗(yàn)，該熒光燈樣品較LED未見明顯優(yōu)勢，對于不同顏色的樣品，它們的還原性各有利弊。

人們對各樣品的偏好度更是與CRI和CQS大相徑庭。其中，對飽和度因素進(jìn)行補(bǔ)償?shù)腝p的計(jì)算值與Qa有所區(qū)別，但是仍然與實(shí)際的偏好度不符合。具有很高的CRI和CQS值的6500K鹵素?zé)舴炊韧珳氐臒晒鉄簟ED偏好度低。可能的原因是，熒光燈和LED的光譜具有一些峰值，提高了一些顏色的飽和度，使顏色更鮮艷，物體更清晰。

4 結(jié)論

(1) 顯色指數(shù)CRI無法反映光源顯色性(即對被照物體的顏色還原性)的實(shí)際情況，更不能用以評價(jià)人們的偏好度;

(2) 針對本次測試的樣品，CQS指數(shù)與顯色指數(shù)CRI計(jì)算值接近，在評價(jià)光源顏色質(zhì)量的準(zhǔn)確性上，與CRI相比未見優(yōu)勢。若CQS要取代CRI成為新的標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)體系，仍有待進(jìn)一步的完善，提高其普適性;

(3) 光源的顏色質(zhì)量是一項(xiàng)綜合性的評價(jià)，需考慮顯色性、偏好度等多種因素;

(4) LED在提高某些顏色飽和度、從而增加人們偏好度方面有一定優(yōu)勢，在實(shí)際應(yīng)用中可加以利用，如在商業(yè)照明中，提供白光普通照明的同時(shí)，在照明藍(lán)色、黃綠色商品時(shí)，可增加其顏色飽和度，以提高商品吸引力。

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