再論光源顯色性

[美]邁克·伍德

【摘要】闡述光源顯色性度量方法的研發(fā)歷史和應(yīng)用現(xiàn)狀，列舉CRI、CQS的優(yōu)缺點(diǎn)，推薦TM-30-15，引薦新的度量方法，以客觀、準(zhǔn)確和全面地反映光源顯色性的真實(shí)性能。

【關(guān)鍵詞】顯色性；顯色指數(shù)CRI；色質(zhì)指數(shù)CQS；保真度指數(shù)R_f；色域指數(shù)R_g；TM-30-15

筆者已經(jīng)撰寫了許多有關(guān)光源顯色性的專題文章，但是這個(gè)專題如此重要，而通常又有很多誤解，故筆者再次返回到這個(gè)主題。

1關(guān)于一般顯色指數(shù)CRI

在PLASA雜志《PROTOCOL》2010年冬季刊和春季刊上，筆者論述了顯色指數(shù)CRI（Color RenderingIndex）以及它的問題和解決方法色質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)CQS（ColorQuality Standard）。顯色指數(shù)CRI原本只是為電光源制造商研發(fā)的用來描繪熒光燈白光特性的一種度量方法，因而它的作用是非常有限的。CRI對(duì)不連續(xù)光譜的表現(xiàn)是很糟糕的，例如，來自RGB LED光源的光譜，因?yàn)镃RI使用了有限的一套比色試驗(yàn)樣本，光源容易被優(yōu)化而使得CRI數(shù)值比它實(shí)際上的要好?？瓷先ハ嗨频腞GBLED燈具具有不同的CRI，其數(shù)值變化范圍從可憐的40一直到完全可接受的80，這些數(shù)值能真實(shí)地表現(xiàn)它們光輸出的顯色性嗎？

CRI不是被設(shè)計(jì)用來測(cè)量RGB LED多色組合光源所產(chǎn)生的白光，當(dāng)它被應(yīng)用于LED光源時(shí)，可能會(huì)引出誤導(dǎo)的結(jié)果。例如，來自試驗(yàn)色彩比較的8個(gè)特殊顯色指數(shù)被一起平均，以獲得最后的一般顯色指數(shù)CRI，即使光源的呈現(xiàn)測(cè)試過程，其中一個(gè)或兩個(gè)色彩較差，它也能夠獲得很好的CRI數(shù)值。使用RGB LED光源時(shí)，在黃色光譜處有一個(gè)很大的缺口，因而燈具呈現(xiàn)黃色的能力很糟糕，但是仍能獲得可接受的CRI數(shù)值。此外，因?yàn)?個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品色都是飽和度相當(dāng)?shù)偷纳?，光源呈現(xiàn)高飽和度色彩時(shí)它的表現(xiàn)又將如何呢？CRI卻沒有提示相關(guān)的信息。對(duì)于產(chǎn)生自RGB LED光源的分得很開且以窄波峰光譜呈現(xiàn)的這些波峰之外的高飽和度色彩，其顯色性表現(xiàn)得很糟糕，但是一般顯色指數(shù)CRI卻并不指明這個(gè)缺陷。顯然，它也將色彩科學(xué)運(yùn)用于長期過時(shí)了的顯色性數(shù)字化表述。

2關(guān)于色質(zhì)指數(shù)CQS

認(rèn)識(shí)到上述這些以及其他相關(guān)問題，NIST（National Institute of Standards and Technology，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所）提出了一個(gè)稱為色質(zhì)指數(shù)CQS（Color Quality Scale）的新度量標(biāo)準(zhǔn)。目的是，處理解決來源于標(biāo)準(zhǔn)色選擇的缺點(diǎn)和應(yīng)用于顯色綜合結(jié)果的數(shù)學(xué)方法等問題；同時(shí)，它應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)色芯片檢測(cè)時(shí)能保持CRI的優(yōu)點(diǎn)，并指出與現(xiàn)實(shí)世界的直接關(guān)系。CQS試圖使用更多的色彩樣品來處NCRI的主要問題，即，使用15個(gè)色彩樣品替代原先的8個(gè)色彩樣品，選擇這些均衡分布于整個(gè)可見光譜中的飽和色。

這個(gè)被提議的新量度標(biāo)準(zhǔn)曾遭遇到形形色色不同的反應(yīng)。對(duì)于某些用戶，例如娛樂燈光行業(yè)，那些頻繁使用RGB的用戶，它在CRI方面提供了巨大的改進(jìn)。事實(shí)上，PLASA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃（PLASA Technical StandardsProgram）在其光度學(xué)標(biāo)準(zhǔn)中推薦CQS的應(yīng)用，例如，在ANSI E1.41-2012.Recommendations for Measuring andReporting Photometric Performance Data for EntertainmentLuminaires Utilizing Solid State Light Sources（測(cè)量和報(bào)告使用固態(tài)光源的演藝燈具光度學(xué)性能的建議）。然而，對(duì)于僅僅對(duì)白光感興趣的用戶，尤其是對(duì)熒光粉轉(zhuǎn)換型白光感興趣的用戶，其優(yōu)勢(shì)就不太明顯了。

雖然CQS相對(duì)CRI有一些優(yōu)點(diǎn)，但它仍然沒有解決僅提供單一數(shù)字作為量度標(biāo)準(zhǔn)的局限性。我們知道，CRI（或CQS）為70的白光在顯色性方面的性能相當(dāng)糟糕。然而，通過這個(gè)很差的單一數(shù)字，并不能知道問題發(fā)生于紅色還是發(fā)生于藍(lán)色？也不知道它是由于欠飽和或過度飽和顏色的哪一種出現(xiàn)過錯(cuò)？紅色過飽和的光源與藍(lán)色未飽和的光源可能具有相同的CRI（或CQS）。它們單獨(dú)看上去可能是可接受的，但是，如果一起使用的話，看上去那是可怕的。

CIE（International Commission on IHumination，國際照明委員會(huì)）一段時(shí)間以來一直致力于替代CRI的研發(fā)工作，這項(xiàng)工作已被兩個(gè)或三個(gè)委員會(huì)通過，但迄今為止，他們還是沒有達(dá)成共識(shí)，我們還是沒有官方提供的選擇。

筆者還必須說，一些大型電光源制造商一直非常樂于允許原有的描述性的一般顯色指數(shù)CRI能繼續(xù)作為唯一的官方度量標(biāo)準(zhǔn)。CRI使得它們的光源產(chǎn)品看上去很好，因此，很容易將這種光源說成是用戶所需要的產(chǎn)品。那么，什么是用戶需要的新度量標(biāo)準(zhǔn)呢？

3關(guān)于新度量標(biāo)準(zhǔn)TM-30-15

為了行之有效，推出的更好的度量標(biāo)準(zhǔn)必須來自于用戶和燈光實(shí)踐者，因?yàn)樗麄兪亲罱K有影響作用的專業(yè)工作人員。為此，IES（Illumination EngineeringSociety，北美照明工程學(xué)會(huì)）顏色委員會(huì)承擔(dān)了提議一個(gè)新的解決方案的工作，任命組建顏色工作組，以負(fù)責(zé)研發(fā)工作，并提出一個(gè)新的度量標(biāo)準(zhǔn)或一整套度量標(biāo)準(zhǔn)以滿足不同的需要，以及處NCRI和CQS的相關(guān)問題。（信息披露：筆者是IES顏色委員會(huì)的委員，所以了解研發(fā)工作進(jìn)展方面的相關(guān)信息，但是筆者不是研發(fā)該提議的工作組成員。）

該提議由IES作為技術(shù)備忘錄，TM-30-15，IESMethod for Evaluating Lighting Source Color Rendition（IES評(píng)價(jià)照明光源顯色性方法）于2015年8月發(fā)布。TM-30吸取了過去30年開展研發(fā)工作所取得的大量的顏色感知方面的研究成果以及探索回答對(duì)CRI的關(guān)注，并同時(shí)是仍然保持容易使用和辨識(shí)的一種參照標(biāo)準(zhǔn)。

TM-30中的一部分內(nèi)容，讀者會(huì)非常熟悉。它仍然使用顏色樣品以及比較它們?cè)诶硐胝彰鞴庠聪碌某尸F(xiàn)效果。然而，它使用均衡地分布在整個(gè)可見顏色空間和光譜中的99個(gè)顏色樣品，以替代原先的8個(gè)或15個(gè)顏色樣品，見圖1。使用大量的樣品意味著最優(yōu)化和玩弄這個(gè)度量標(biāo)準(zhǔn)是更為困難了，如果這并非不可能辦到的話。

3.1兩個(gè)新度量指數(shù)

TM-30提供兩個(gè)主要的結(jié)果而不是一個(gè)。第一個(gè)是保真度指數(shù)（Fidelity Index）R_f，在概念上它與CRI所提供的單一數(shù)值R_a相似。R_f是一個(gè)表明保真度從0到100的數(shù)值，反映被檢測(cè)光源比較參照的白光光源對(duì)人眼所呈現(xiàn)的顯色效果。其數(shù)學(xué)上優(yōu)于CRI，因?yàn)槭褂玫念伾珮悠窋?shù)量極大地增加，它們的平均值顯得更為合理（雖然R_a和R_f有相似的數(shù)值范圍，但它們是不相同的，因而將不直接被用于比較或被擁有相同的數(shù)值目標(biāo)。）

TM-30所提供的第二個(gè)度量指數(shù)是色域指數(shù)R_g。色域指數(shù)提供的是一種被測(cè)試光源相對(duì)于參照光源所做的色域測(cè)量值。換句話說，它提供一個(gè)新的度量標(biāo)準(zhǔn)，以評(píng)價(jià)被不正確呈現(xiàn)的顏色是過飽和的還是欠飽和的。就一切情況而論，R_g為100顯示，被測(cè)試光源能如同參照光源一樣，以相同的平均飽和度水平呈現(xiàn)色彩。R_g大于100指示過飽和，而低于100則顯示欠飽和。R_g的數(shù)值范圍將取決于光源的保真度。例如，一個(gè)R_f為60的光源具有R_g約為60～140的可能范圍。R_g數(shù)值高于100可能是理想的，也可能是不理想的，這取決于如何使用。依筆者的看法，過飽和色彩正如同欠飽和色彩一樣常常是糟糕的，可能給予目的物一個(gè)卡通片似的外貌。

3.2R_f和R_g的關(guān)聯(lián)

圖2中，通過繪制實(shí)際光源的R_f和R_g，展示這兩個(gè)指數(shù)可能取得的數(shù)值范圍以及它們之間的關(guān)系。注意到，光源保真度R_f越接近100，那么其色域指數(shù)R_g的范圍就有可能越小。一個(gè)完美的光源是這兩個(gè)度量指數(shù)都完美的光源。相反，保真度R_f越低，其色域指數(shù)R_g的可能范圍就越大。光源的顏色保真度越低，那么其欠飽和色或過飽和色就越多。真實(shí)世界的光源趨向聚集于R_g小于100的區(qū)域，也就是，那些色彩是欠飽和的，但是也有許多例外。如果仔細(xì)觀察幾個(gè)真實(shí)光源，就能發(fā)現(xiàn)什么將繼續(xù)是更好些的。

圖3展示被繪制在色域指數(shù)/保真度指數(shù)圖上的幾個(gè)熟悉的光源。鹵素?zé)粑挥谧鳛橥昝拦庠?00：100點(diǎn)位的最右端。一些可能的RGBA光源則以深藍(lán)色標(biāo)記被顯示。它們呈現(xiàn)出擁有一定的R_f和R_g數(shù)值范圍。R_f為90的RGBA光源可能具有極好的顏色保真度，但是要注意到它在R_g接近110時(shí)的色彩如何過飽和的。這種情況可能是可接受的，但是或許是不能接受的。對(duì)于很多應(yīng)用，R_f稍低于85但R_g為100的RGBA光源實(shí)際上可能是更好的。在理想世界里，應(yīng)用于娛樂燈光的光源或許是100：100的白熾燈，但是事實(shí)上沒有真實(shí)光源是這樣的，選擇那些不僅具有可接受的顏色保真度而且具有理想色域指數(shù)的光源，是合乎用戶和設(shè)計(jì)師要求的。筆者建議，對(duì)于劇場(chǎng)和戲劇燈光，大多數(shù)時(shí)間并不需要過飽和色彩。大家更喜歡它們是自然的色彩效果。然而，對(duì)于音樂會(huì)、主題公園以及搖滾樂演出，顯示的可能不是這種情況，過飽和可能恰恰是很好的。TM-30給予的信息以CRI從不能做到的方法作出判斷。

3.3色矢量圖

為了幫助用戶理解R_f和R_g兩個(gè)量值意味著什么，TM-30提供一對(duì)表示信息圖標(biāo)的圖表，在圖表上可看見有多少色彩的呈現(xiàn)效果是糟糕的。例如，圖4展示RGBA LED光源的色矢量（Color Vector，或稱色向量）和彩色失真（Color Distortion）圖表。

這個(gè)光源具有R_f數(shù)值74和R_g數(shù)值90。所以，知道它在顏色保真度方面有些限制，但是這個(gè)單獨(dú)的數(shù)字并沒有告訴限制在哪里。而這個(gè)圖表實(shí)際上能幫助知曉它限制在哪里，在左邊的圖標(biāo)顯示光源在哪里欠飽和，在哪里過飽和。它也顯示了：通過短矢量箭頭，色彩是如何被失真的。例如，用戶可以看見綠色傾向于向黃色變化。第二個(gè)圖表僅僅顯示欠飽和與過飽和，但是以更清晰印刷的圖標(biāo)來顯示，按筆者的看法，方便你能更快地理解。用戶可以立即看見，最大的色彩失真發(fā)生在橙色、紅色和品紅色之間，而藍(lán)色和黃色的影響則沒有這么大。當(dāng)用戶注視一個(gè)以上光源和試圖估計(jì)它們互相是否匹配時(shí)，圖表實(shí)際上變得更為有用了。圖5顯示分別具有完全相同的R_f和R_g數(shù)值，即R_f=82和R_g=95的兩個(gè)光源。單從數(shù)字看，可能假定它們是完全相同的，但是其光譜和圖表則顯示并不是這樣的。

圖中的上部光源欠飽和的紅色和綠色，而下面光源在這些色彩方面幾乎是完美的，取而代之則是欠飽和的黃色。這給用戶一個(gè)顯著的提示，雖然這兩個(gè)光源在白色或淺色背景上可能非常匹配，當(dāng)照明飽和的紅色目的物時(shí)，它們看上去將非常不相同。實(shí)際上，下面光源在630nm的那個(gè)紅色大波峰就確證了那可能是個(gè)問題。

關(guān)于R_f和R_g的應(yīng)用，有更多東西需要學(xué)習(xí)和探討。經(jīng)驗(yàn)需要在為自己和客戶的工作中及工作之余獲得，因而筆者知道需要再一次返回到這個(gè)主題。目前，筆者強(qiáng)烈推薦使用TM-30中的R_f和R_g，也鼓勵(lì)用戶要求光源產(chǎn)品供應(yīng)廠家提供替代CRI的這些新度量指標(biāo)。它們相關(guān)的計(jì)算是很容易的，IES提供Excel電子數(shù)據(jù)表用做數(shù)學(xué)運(yùn)算，并產(chǎn)生本文顯示的所有結(jié)果和圖表。用戶需要的一切是受檢測(cè)光源的光譜。

3.4 CRI≠R_f

現(xiàn)在用如何顯示真實(shí)光源的CRI（R_a）和R_f比較的這張圖表（圖6）來結(jié)束這次闡述。是否可以，假定優(yōu)良的CRI就意味著一個(gè)光源將獲得優(yōu)良的R_f或者相反？回答是明確的：不！實(shí)際情況全反映在這張圖表上，通常，大多數(shù)光源具有低于CRI數(shù)值的R_f值（即，位于圖表上紅線之下），但是也有例外。在CRI值相同的條帶之內(nèi)，擁有R_f可能量值的巨大范圍。例如，觀察CRI=80的色彩較暗的垂直條帶。CRI為80的光源具有R_f的數(shù)值范圍可從71直至87，幾乎包含著16個(gè)分散的點(diǎn)位。大多數(shù)光源的R_f很糟糕，但是一對(duì)LED光源卻表現(xiàn)得很好。將出現(xiàn)在新度量指標(biāo)下顯得更糟糕的光源是非常相同的窄光譜帶的熒光燈，而CRI設(shè)計(jì)得使這種光源（的數(shù)據(jù)）看上去很好，這種情況的出現(xiàn)是毫不驚奇的。