LED光源相關色溫對顯色性主觀評價的影響

姚 步 云， 梁 靜,， 廉 玉 生， 龍 紅 霞， 張 翊 穎

( 1.大連工業(yè)大學 輕工與化學工程學院， 遼寧 大連 116034；2.大連工業(yè)大學 信息科學與工程學院， 遼寧 大連 116034；3.北京印刷學院 印刷與包裝工程學院， 北京 102600 )

0 引 言

LED光源具有高效節(jié)能、壽命長、綠色環(huán)保、體積小、白光色溫可調、點亮反應快、易于集成和智能控制等優(yōu)點，被認為是21世紀最具前景的新興光源，將取代熒光燈成為照明市場的主導[1-3]。國際照明委員會 CIE 將光源的顯色性定義為：與參照標準照明體相比較，某一光源對物體顏色外貌所產生的效果。換言之，被測光源與標準光源在相同照明條件下物體顏色的改變程度，其對應的色差越小，光源的顯色性越好。自1995年起，CIE規(guī)定的顯色指數(CRI)評價指標Ra(一般顯色指數)開始采用，并沿用至今[4]。近年來，顯色指數的評價指標在LED光源照明顯色性方面，出現(xiàn)了一系列問題。英國利茲大學的Li等[5]研究了LED光源顯色性的準確性問題,結果發(fā)現(xiàn)CRI(Ra)不能準確預測觀察者的視覺色差，因為基于顯色指數評價指標的CIEW*U*V*顏色空間與實驗的視覺色差相關性最差。浙江大學的Luo等[6]研究了CRI(Ra)、CRI-CAM02UCS、CQS(Qa)和CRI2012等4種顯色指數評價方法對光源顯色性的預測性能，研究表明這4種顯色指數均取得較好的預測表現(xiàn)性能，研究并對CIEW*U*V*、CIEL*a*b*、CIEL*u*v*和CAM02-UCS 4種顏色空間進行了評價，結果表明CAM02-UCS空間色差預測性能相對最優(yōu)。芬蘭阿爾托大學的Dangol等[7]通過評價2 700、4 000和6 500 K 3種相關色溫及7種特殊設計的LED光源的24種照明環(huán)境，研究了LED光源下物體色的自然程度和觀察者對照明環(huán)境的偏好程度,研究表明CRI(Ra)不能很好地表現(xiàn)光源下物體的自然程度及觀察者對照明環(huán)境的偏好程度。浙江大學的顧海婷[8]采用灰度標尺法，組織了10名觀察者評價9組光源下的30塊色樣的視覺色差來分析和比較視覺色差和理論色差的相關性。研究發(fā)現(xiàn)，CIE2006標準色度觀察者和視覺結果的相關性最高，保真型顯色指數較優(yōu)，略優(yōu)于偏好型顯色指數且顯著優(yōu)于色域型顯色指數，同時發(fā)現(xiàn)CIE Ra和保真型顯色指數不存在顯著差異。

近幾年來，已有相關學者就面向中國人眼視覺的 LED 照明評價問題進行了嘗試[9-13],在LED照明質量客觀評價方面做了大量的研究，只有極少數在主觀感知和客觀評價的關聯(lián)性上做了分析，本研究以LED照明的主觀評價為基礎，結合傳統(tǒng)光源顯色性客觀評價指標顯色指數，評價顯色指數與不同相關色溫LED光源顯色性時的相關程度。

1 實 驗

1.1 實驗光源

現(xiàn)階段，實現(xiàn)白光LED照明的方式主要有3種：一是藍光LED激發(fā)黃光熒光粉產生白光；二是紫外LED激發(fā)三基色熒光粉產生白光；三是紅、綠、藍三基色LED合成白光。3種白光LED合成方式各有優(yōu)缺點，目前大規(guī)模使用的是第一種方法合成的白光LED，此方法合成的白光LED顯色指數一般在70～80。

考慮到若實驗光源和參考光源的CRI(Ra)均很高，會導致照明條件下的蔬菜的色差變化值較小，而心理物理實驗中觀察者在評價小色差時較為困難，視覺評價的準確性和一致性較低。所以，實驗選擇第一種方法合成的白光LED光源作為實驗光源，并結合主觀評價和CRI(Ra)，選擇幾種具有代表性的相關色溫的LED光源，研究LED光源相關色溫對光源顯色性的影響。

參考光源選擇標準照明體D65，實驗光源為YK-009智能LED光源,色溫可調，實驗主要采用4種具有代表性的光源，其相關色溫分別為2 879、3 444、4 545、5 950 K，其中2 879 K色溫與A光源(美式櫥窗射燈，2 856 K)接近，3 444 K色溫與U35光源(指定商店燈光，3 500 K)接近，4 545 K色溫與CWF光源(美國冷白商店白光，4 150 K)接近，5 950 K色溫與D65光源(國際標準人工日光，6 500 K)接近。實驗光源相對光譜能量分布如圖1所示。所選光源在CIE1931x-y色度圖上的色品坐標分布如圖2所示。實驗光源的相關數據如表1所示。

1.2 實驗方法

實驗共選取14名觀察者，年齡20～24歲的在校大學生，無色盲色弱。

實驗采用心理物理實驗方法中的量值估計法，觀察者對不同色溫光源下蔬菜(青椒、黃瓜、西紅柿、茄子、胡蘿卜，表面光滑，無斑點，色澤均勻細膩)的自然程度進行評分，分別是1分—最不自然，2分—比較不自然，3分—自然程度一般，4分—比較自然，5分—最自然。

圖1 實驗光源的光譜分布

圖2 實驗光源的CIE1931 x-y色品坐標分布

表1 實驗光源參數

實驗流程：(1)視覺測試。測試觀察者視覺無缺陷或色盲；D65光源，標準燈箱ColorControl TILO P60(6)，常州瑞品精密儀器有限公司；ST520照度計，先馳光電股份有限公司。照度約為1 050 lx。(2)向觀察者介紹實驗。(3)測試光源場景適應(約60 s)。(4)對蔬菜主觀評價值做出評判。采用問答形式，由實驗人員記錄評判結果。(5)更換蔬菜，直至一輪完畢。(6)切換光源色溫。(7)重復(3)～(5)直至實驗數據采集結束。

2 結果與分析

每位觀察者在5種光源下觀察5種蔬菜，其中，在觀察者不知情的情況下對4 545 K色溫光源下觀察評價兩輪。共做14×5×5+14×5=420次。

心理物理實驗中往往需要計算比較兩組數據的相關性和差異性，實驗比較觀察者之間的數據穩(wěn)定性，采用差異系數(coefficient of variation，CV)來表示[14]，此公式有多種表達形式。實驗采用的差異系數為

(1)

(2)

式中：Xi和Yi表示需要比較的兩組數據；X表示對應數據的均值；f為因子。例如，CV=0表示兩組數據沒有差異，CV=20表示有20%的差異。

計算14名觀察者的CV，以4 545 K光源為例，圖3、圖4所示分別是兩次觀察下觀察者的CV1與CV2。圖中，CV1表示觀察者之間的穩(wěn)定性(Inter-observer variability)，其中CV1-1和CV1-2分別表示第一次和第二次觀察的結果。CV2表示觀察者自身的穩(wěn)定性(Intra-observer variability)，其中CV2-1和CV2-2分別表示兩次觀察的計算值。

實驗的結果均屬于通常顏色科學領域心理物理實驗的正常范圍之內[14]，故后續(xù)的實驗結果處理中，此14名觀察者的全部數據都將被認為是有效的實驗數據。

從兩次的CV也可看出，第二次的平均值整體上好于第一次的平均值，由此可以看出觀察者在實驗了一段時間以后，適應了實驗方法及增加了熟練度，觀察者之間、觀察者自身的穩(wěn)定性都得到相應地提升。

圖3 觀察者兩次觀察下的CV1

圖4 觀察者兩次觀察下的CV2

將觀察者評分作平均數計算，與測得的光源顯色指數進行對比分析，圖5所示為顯色指數與觀察者主觀評價自然程度對比圖。

用SPSS軟件的Pearson相關系數對實驗中的各蔬菜自然程度，光源色溫及顯色指數進行顯著性檢測，如表2所示。在 0.05水平(雙側)上顯著相關的部分已加粗，為使表格更簡單，列表中刪去了對角重復的一半數據。由表2可看出，各變量中，光源色溫分別與“青椒自然程度”“西紅柿自然程度”“茄子自然程度”“胡蘿卜自然程度”呈顯著正相關。顯色指數與色溫及各蔬菜自然程度均未顯現(xiàn)顯著性相關性。

“青椒自然程度”分別與“西紅柿自然程度”“茄子自然程度”呈顯著正相關。

“黃瓜自然程度”分別與“西紅柿自然程度”“茄子自然程度”“胡蘿卜自然程度”呈顯著正相關。

圖5 蔬菜自然程度和光源顯色指數對比

表2 各蔬菜自然程度與光源色溫及顯色指數間的相關性

“西紅柿自然程度”分別與“茄子自然程度”“胡蘿卜自然程度”呈顯著正相關。

“茄子自然程度”與“胡蘿卜自然程度”呈顯著正相關。

CCT(相關色溫)對“青椒自然程度”有顯著性影響，實驗所用4個CCT水平中，5 950 K色溫下被試感覺青椒最為自然。

從圖5可以看出，LED光源下，5 050 K相關色溫下蔬菜的自然程度中，西紅柿和茄子的自然程度最高且明顯高于其他色溫；在4 545 K色溫下，黃瓜和胡蘿卜的自然程度最高，略高于5 950 K色溫，2 879 K色溫時自然程度最差。對比顯色指數時發(fā)現(xiàn)：CRI除了在最低2 879 K色溫和D65光源時與主觀評價時一致，其余與主觀評價一致性均不理想。

3 結 語

通過心理物理學實驗得到觀察者在不同色溫LED光源下蔬菜的自然程度的主觀評分，結合CIE評價顯色性標準的CRI，主客觀結合評價LED光源的顯色性。

由Person相關性分析可知，顯色指數與主觀性評價蔬菜的自然程度之間關聯(lián)性不強，即評價傳統(tǒng)光源顯色性評價指標顯色指數不能很好地表現(xiàn)LED光源下的主觀感知。由此可以判斷，顯色指數不能很好地評價LED光源的顯色性。

D65光源下，所有蔬菜的自然程度均高于LED光源。在LED光源顯色指數均不太高的情況下，較高的色溫對光源顯色性存在有利影響。