光源顯色性度量標準的發(fā)展與現(xiàn)狀

邁克·伍德

【摘 要】 光源顯色性是光源重要的性能之一，對它的度量和傳達是一個重要的課題。對原有的CRI表述一直存有爭議。 由于LED集成光源的興起，最近幾年全世界對這個經(jīng)典課題的研究又掀起了一股新的熱潮。本文簡明扼要地綜 述了光源顯色性度量的進展，介紹了色質指數(shù)（CQS）、色域指數(shù)（CGI）等指數(shù)的特點，并結合演藝燈光行 業(yè)，闡述了作者的看法和建議。

【關鍵詞】 顯色性；度量指數(shù)；色飽和度；顯色指數(shù)CRI；色質指數(shù)CQS；色域指數(shù)CGI

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.09.005

【Abstract】Color rendering is one of the important properties of lighting source， whose measurement and transmission are the important subject. Original CRI statements have been controversial for years. As the LED integrated lighting source is on the upgrade， the study of this classical subject all over the world sets off a new upsurge. The progress of the light source color rendering measurement was briefly summarized， the color quality scale （CQS）， color gamut index （CGI） and other index were introduced， and combined with performing lighting industry， the author's views and suggestions were expounded in this paper.

【Key Words】color rendering； measure index； color saturation； color rendering index； color quality scale； color gamut index

筆者曾設想將對顯色性度量指數(shù)的所有選擇作一綜述，并試圖將全部的度量標準集聚在一起。但是，這件事說起來容易，做起來就難了。坦率地說，顯色性度量的整個主題有點混亂。實際上，它一直處于混亂的狀況，不過對于連續(xù)光譜的光源和接近連續(xù)光譜的光源，例如HID（High-intensity discharge，高強度氣體放電光源）燈泡，還是可以接受的。用戶可能正瞇著眼、抿著嘴，并試圖說服自己相信技術數(shù)據(jù)表所列舉的那些數(shù)字?，F(xiàn)在的問題是，窄光譜、多光源LED發(fā)光源的引進，意味著用戶不能再騙自己，說原有的顯色性度量是有意義的。CRI（Color Rendering Index，顯色指數(shù)）真是令人無望，它可以給用戶完全誤導性的信息；CQS（Color Quality Scale，色質指數(shù)）稍微好些，但是幾乎無人使用它；還有許多其他的度量標準。所有這些標準都具有實用性，但是沒人知道它們表述的內涵是什么。

另一個問題是，即使它們是有意義的，也并非誤導，但是這些現(xiàn)有的度量標準中，沒有一個標準能呈現(xiàn)其顯色性度量標準的全貌。它們的目的是對照明物體的單一光源進行評估。對于世上大多數(shù)人而言，這種度量運作得很好。他們想知道在這個光源照明下廚房臺面看上去如何，或辦公室在另一個光源照明下看上去如何，以及用作評估依據(jù)的單一顯色性度量標準的類型。然而，度量標準沒有說明：在同一時間被許多不同光源共同照明下的一個情景看上去會如何呈現(xiàn)，而其中的每一個光源可能具有不同的特性；也就是說，光源將如何一起工作，受照的情景將如何呈現(xiàn)。讓我們簡要地復述目前所知道的有關顯色性度量標準的情況，然后再看看它運作得如何以及它失敗在哪里。

1 CRI——顯色指數(shù)

CRI是所有顯色性度量標準中的第一個標準，現(xiàn)在仍然是最著名的標準。它最初是在20世紀50年代和60年代作為區(qū)別和度量熒光燈顯色性的方法而研發(fā)的。還有其他相關的故事，但是就筆者對它的了解而言，燈泡制造商推進CRI的開發(fā)是將其作為一種與用戶爭辯的工具，勉為其難地證明熒光燈這種具有陌生光色的新燈泡的性能。早期熒光燈的顯色性很糟糕（如同早期的白光LED光源），迫切需要一種度量/營銷工具來勸說用戶在燈泡顯色性得到改善時，再一次使用它們。CRI就是這樣一種營銷工具。它與改進后的顯色性信息的緊密聯(lián)系，提供了區(qū)別一種燈泡和另一種燈泡的方法。你能說筆者對CRI多少有點冷嘲熱諷嗎？事實上，盡管它最終用作通用度量標準，但它最初絕不是為用戶和設計師設計的，它純粹是制造商為了區(qū)別和銷售他們的燈泡產(chǎn)品而設計的。

已頒布的標準CRI度量值是Ra。這是一個來源于有限試驗色的綜合度量值，這些試驗色都是非飽和色。為度量Ra的CRI試驗色樣品被指定為圖1中的TCS01～TCS08（來自于這些樣品的相應度量結果被稱為R1～R8）。從這些淺淡的非飽和色里，一點兒也看不出，飽和度更高的色彩在這個光源照明下會如何呈現(xiàn)。

CRI也能夠反映更飽和色彩的測試結果，其附加試驗色樣品TCS09～TCS14偶爾被報道。作為顯示對深紅色的響應，TCS09（R9）特別有用。LED和熒光燈產(chǎn)品常常將其排除在外，因為它們對深紅色通常會產(chǎn)生令人震驚的結果。R9非常低或甚至負值是常見的，表明該光源根本不能顯現(xiàn)深紅色。圖2和圖3顯示RGB LED光源的特殊CRI，該光源顯現(xiàn)這種紅色糟透了，但仍然能夠達到綜合CRI為80。

由CRI可知，被報告的Ra值是R1～R8結果的簡單平均數(shù)，而一個低分值容易被隱藏在這個平均數(shù)中。你可能有一個光源，在7個試驗色上可得96分，但在第8個試驗色上得0分，它仍然能獲得CRI 的Ra值為84。實際上，這樣的光源將是一個糟糕的選擇。換句話說，有的光源可能表面上具有較高的CRI，而關鍵色彩的顯現(xiàn)卻很差。有關CRI還有很多話要說，特別是關于它是如何被不嚴格的制造商所玩弄的，筆者此前也寫過專門文章，不再贅言（編者注：可參考本刊2010年11期《解析顯色指數(shù)CRI》一文）。一言以蔽之，對于窄光譜發(fā)射體光源，比如RGB LED光源，CRI幾乎是無用的度量值。對于寬光譜光源，比如白光LED，它表現(xiàn)得好一點，但仍然不是很好。就像當初燈泡和LED制造商生產(chǎn)熒光燈時喜歡它一樣，他們仍然喜歡它。此外，它是制造商的營銷工具，而不是對最終用戶有用的工具。endprint

2 CQS——色質指數(shù)

CQS是CRI的改進版，試圖解決CRI某些不足之處，使其對用戶更有用些。尤其是，它采用范圍較廣的、色彩更加飽和的試驗色樣品，見圖4，并綜合它們的試驗結果，在這種度量方法中不再會隱藏單一的糟糕結果。

圖5顯示圖2和圖3中相同RGB LED光源的CQS結果，這次紅色表現(xiàn)的不足就暴露出來了，而相應的欠佳的膚色表現(xiàn)也是顯而易見的。尤其要察看試驗色樣品VS1、VS14和VS15。

筆者想舉一個實例說明CRI值是如何被人誤解的。圖6顯示同一情景的兩張照片。左邊的影像是受照于RGB LED光源，該光源的CRI為82，CQS為74。在這種情況下，CRI和CQS之間產(chǎn)生差異的主要原因是彩色都被沖淡了，即飽和度都減小了，因而對CRI的不利影響沒有對CQS的影響那么大。此外，其中也有一些兩個度量值所引發(fā)的真實的呈現(xiàn)誤差。在現(xiàn)行規(guī)章下，這種光源要能通過美國能源之星（Energy Star，要求有最小的CRI值）的認證。右邊的影像則受照于LED不同排列的另一個RGB LED光源，該光源具有較低的CRI值，僅為71，但CQS值較高，為83。這是因為彩色已經(jīng)被選中，從而它們或因過飽和、或因彩色增加，而不是因未飽和而導致失分。CQS容許一些過飽和的彩色，這常常是無異議的，但CRI則對這些彩色扣分很大，使CRI數(shù)值降分。除了過飽和情況之外，在這個影像中顯示的色彩誤差實際比第一個影像中顯示的少。在現(xiàn)行規(guī)章下，這種光源因其CRI值太低而不符合能源之星標準。這明顯是荒謬的。用戶更喜歡哪一個度量指標？像這樣增加彩色的所有光譜都會引發(fā)色調改變。因此，彩色增加型光源的CQS值絕不會達到100。CQS并不喜好彩色增加型光源或產(chǎn)生過飽和但又限定扣分程度的光源。

在筆者看來，對于演藝燈光，CQS是比CRI更有用的指標。然而，單一的CQS指標是我們需要的足夠信息嗎？可惜，不是。

3 缺失的信息

在顯色性問題上，依然有缺失的信息。CRI和CQS兩個度量值提供了光源顯色性如何好或如何不好的指示，如果單獨使用某個光源，且該光源將平均呈現(xiàn)各種彩色，那么其度量值就足夠充分了。但是，沒有哪一個顯色度量值能說明，它的不足之處在哪里。如果有兩個光源，它們的CRI同為85（或CQS，這個度量值同樣適用于這兩個光源）。就許多用途而言，這個顯色水平是可接受的，所以，用戶能正確地判斷兩者中的任一個可能是適用的，對于這項照明工作雖不是很好但能勝任。然而，這沒有說明一點：它們一起使用時看上去色彩會如何呈現(xiàn)。或許它們中的一個光源缺乏紅色，而另一個缺乏綠色。因此，它們獨自使用時，每一個都是可接受的；但當它們被同時使用時，則可能是相當可怕的。在演藝行業(yè)，設計師可能經(jīng)常遇見這樣一種情況：提供輔助光和側光的泛光燈來自制造商A，而提供主光的聚光燈則來自于制造商B。兩個產(chǎn)品都采用窄光譜LED發(fā)射光源，而且它們都擁有相同的CRI：85。單獨使用其中一個產(chǎn)品為演員照明，都能產(chǎn)生良好的顯色效果，但是，它們被一起使用時，舞臺上的色彩將會改變，其變化取決于哪一個產(chǎn)品起支配作用。設計師要做什么呢？當這些燈具第一次出現(xiàn)在舞臺燈光裝置中，在燈光彩排之前，設計師如何能夠預先知道舞臺色彩效果及其變化的相關信息。這是個讓設計師很撓頭的問題。在一定程度上，以前也有這個問題：在將HID電腦燈連同白熾光源燈具一起使用時。但是現(xiàn)在，在伴有每個變化的場景中有可能還看見這種用法。在使用電腦燈時，用戶似乎學會了接受或容忍這種狀況，但是筆者依然認為：它看上去是挺糟糕的。

CQS的2013第9版本試圖通過引入色彩飽和度圖標（Color Saturation Icon）來說明這個問題。這是一個小的圖像，以簡單方式表明光源在哪里表現(xiàn)得好，哪里表現(xiàn)得不好，它應該伴隨著產(chǎn)品說明書上的原始CQS值。

圖7顯示白熾光源的色飽和度圖標；展示光源光輸出的彩虹狀有色區(qū)域幾乎完全填充了外圈，標志一個完美的光源，只是在深藍色區(qū)域稍稍有點缺失——白熾光源缺乏深藍色成分。因為CQS試驗色樣品已經(jīng)被慎重地選擇以使其擁有相同的色度值，這是CGI運作的目的。圖8、圖9分別顯示了兩個RGB LED光源的色飽和度圖標，兩個光源的CRI值均為67，因此，單獨借助此指標的應用，不能區(qū)別它們的顯色性。然而這兩個色飽和度圖標清楚地顯示出它們的區(qū)別，圖8顯示紅色和綠色過飽和了，而在另一個圖標（圖9）中，則顯示紅色和綠色未達飽和點。借助這個額外的信息，更容易做出判斷：這兩個光源一起使用，很可能效果不好。

盡管還沒有見過哪一家制造商在其產(chǎn)品說明書上運用CQS色飽和度圖標，但是筆者可以看出，它是一個非常有用的添加物。它很容易演算和印制，并在簡單的小圖像中轉達了許多信息。NASA（National Aeronautics and Space Administration，美國國家航空航天局）的約翰遜航天中心正在考慮，在評估用作航天器照明和彩色指示器的光源時應用這些色飽和度圖標。彩色通常被用來指示航天器的不同控制和安全特性，因而照明需要足夠良好，以使用戶看清這些色彩。黃色或橙色是一種警告，無論哪一個，可能都是重要的指示。具有高CRI值的良好光源，呈現(xiàn)一個特定的關鍵彩色卻很差，在迅速地了解CRI作為度量的缺點時， NASA已經(jīng)碰到麻煩。

4 其余的顯色性度量標準

CRI和CQS可能是最常見的顯色性度量指數(shù)，然而，除此之外還有很多其他的度量指數(shù)。對一些公認的CRI缺點，其他改進建議還包括采用更多的試驗色。最近的一個建議是：采用許多理論上的單色波段樣品，它們彼此部分交疊以覆蓋整個光譜。這將提供比現(xiàn)行的兩個試驗中都更精細的結果。圖10顯示了具有多重交疊色彩的理念。當然，這些純色在真實生活中實際上沒有一個作為色素存在，但是，這沒有關系，因為所有試驗都是在計算機里完成的。然而，即使達到這個波段間隔尺寸，用戶依然不能憑一個簡單的數(shù)字指數(shù)就知道色彩呈現(xiàn)方面的不足究竟在哪里。endprint

CGI（Color Gamut Index，色域指數(shù)）是另一個得到大力支持的顯色性度量指數(shù)。這一次它被推薦為CRI或CQS的添加物，而不是它們的替代物。CGI的建議者理解和確認CRI和CQS的長處，以及它們的固有缺點——在未飽和與過飽和之間不能加以區(qū)別。在上述任一種情況中，CGI和CQS的指數(shù)值都會下降，但是無法判斷引起變化的是哪一個因素。CGI是將CQS色飽和度圖標表示方式的試驗進行量化的一種手段，它采取如同CRI和CQS一樣的色彩樣品，并在u'、v'色度坐標圖上繪制試驗光源照明下的合成顏色。這創(chuàng)建了多邊形的圖形，多邊形范圍就是試驗色受到該光源照射時色彩呈現(xiàn)的整個范圍。這些多邊形區(qū)域，或稱色域（Color Gamut Area，CGA）表示產(chǎn)生的顏色范圍中色飽和度狀況如何，因而提供了對未飽和或過飽和光源的一種量度。一般而言，色域越大，色樣品越飽和，人眼區(qū)別它們就越容易。然后，通過CGI與相同色溫的最好光源的CGA比較，從CGA獲得CGI。與CRI或CQS相結合，CGI提供了對光源整體顯色性能更好的感覺。然而，這兩個指數(shù)依然不能說明，哪些色彩在該光源照明下呈現(xiàn)得好或不好，所以筆者不確信它能提供本行業(yè)中用戶需要的一切。圖11顯示各種不同光源的CGA的例子。

與所談論過的其他顯色性度量不同， CGI的數(shù)值實際上可以很高也可以很低，其間會有可被接受的CGI數(shù)值范圍，而不是只有較低的下限。對于正常照明而言，當前普遍建議的可接受的CGI范圍是：大于80而小于100，外加CRI（或CQS）大于80。（筆者推薦倫斯勒理工學院照明研究中心為獲取更多CGI及其應用的信息而所做的工作。）

其他較為成熟的顯色性度量指數(shù)包括：全光譜顏色指數(shù)（FSCI——Full Spectrum Color Index）、顯色示意圖

（CRM——Color Rendering Map）、顏色識別指數(shù)（CDI——Color Discrimination Index）、顯色能力（CRC——Color Rendering Capacity）、反差感覺指數(shù)（FCI——Feeling of Contrast Index）、佛萊特瑞指數(shù)（FI——Flattery Index）、顏色偏好指數(shù)（CPI——Color Preference Index）等。這些指數(shù)的目的，本質上都是相同的：提供單一的數(shù)字（或圖形），以評估某光源在人眼看來其顯色性如何良好?！傲己谩币辉~在這里的意思是，從一種度量值變化到另一個度量值的量差有多少。但總的說來，它是試驗光源對完美的假設光源（常常以日光用作其范例）的對照。至少在一定程度上，它們全都擔當起這項評估工作。但是在目前，世界還沒有對這些度量指數(shù)中的哪一個取得一致意見以便統(tǒng)一使用。在最近幾年中，許多國際委員會一直努力尋找新的度量指數(shù)以替代有缺陷的CRI，迄今為止沒有達成一致協(xié)議，每個委員會都終止了尋求一致協(xié)議的企圖和努力（一個值得注意的例外是PLASA技術標準計劃（PLASA Technical Standards Program）。決定哪一個度量指數(shù)適用于本行業(yè)，不能永遠等待別人來決定。）有太多的既得利益者忙于取得一致的意見：制造商有其商業(yè)的關注，而不希望有一個度量值使它們的產(chǎn)品顯得很難看，專業(yè)學者不會贊同接受不完美的任意度量指數(shù)（一個依賴于心理學和統(tǒng)計學的度量值，這或許是不可能取得的），而最終用戶和設計師只是想要今天有助于其某個事物乃至任何事物。

每一個人都認同CRI是無用的，但是因為人們對它的替代者沒取得一致意見，致使無用的CRI作為唯一編入法典的顯色度量標準能夠長久存在。遺憾的是，筆者不能確定，在這樣的小行業(yè)中，人們針對這個問題所做出的決定究竟可以產(chǎn)生多大的影響。但重要的是，至少知道將發(fā)生什么，并認識到能對顯色性做出惟一正確而快速判斷的是用戶的眼睛。

（本文編譯自美國《PROTOCOL》雜志2014年冬季刊第19卷第1期《Color Rendering - Where are we ？》一文，http：//na.plasa.org/publications/protocol.html）

（編輯 張冠華）endprint