白光LED光譜調(diào)制對(duì)紡織品照明顯色能力的影響

孔 荀，居家奇

(1.上海大學(xué)數(shù)碼藝術(shù)學(xué)院，上海 200444；2.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)理學(xué)院，上海 200418)

引言

同色異譜的重要性在紡織、印刷、繪畫(huà)、攝影、彩色電視等行業(yè)中，經(jīng)常會(huì)遇到匹配色問(wèn)題，要匹配出與已有色樣顏色相同的色彩。而匹配顏色要達(dá)到相同光譜屬性是很困難的，一般情況下都是同色異譜色，即看起來(lái)感覺(jué)是一樣的。而實(shí)際上同色異譜現(xiàn)象應(yīng)用得當(dāng)?shù)脑?，可以讓光源呈現(xiàn)的光色和照射物體的效果都按預(yù)設(shè)想法去進(jìn)行。同樣地，在進(jìn)行紡織品色樣研究時(shí)，同色異譜現(xiàn)象也具有重要作用，合理利用這個(gè)現(xiàn)象，對(duì)紡織品照明設(shè)計(jì)有很大的幫助。

為了研究同色異譜LED光源對(duì)紡織品顏色表達(dá)的作用，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)一為FM-100色棋實(shí)驗(yàn)，主要探究同色異譜現(xiàn)象對(duì)于色彩識(shí)別帶來(lái)的顯色問(wèn)題；實(shí)驗(yàn)二為紡織品色樣顯色實(shí)驗(yàn)，通過(guò)不同光源和不同色樣的顯色對(duì)比，得到不同光源(相同色溫，不同光譜組成)對(duì)于紡織品的顯色能力和色差比較。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)均選擇在暗室中操作，目的是為避免環(huán)境光干擾，環(huán)境溫度控制在25 ℃，相對(duì)濕度為65%。每個(gè)實(shí)驗(yàn)的受測(cè)者人均測(cè)試時(shí)長(zhǎng)都約為20 min從而保證測(cè)試中不會(huì)產(chǎn)生視疲勞狀態(tài)。被試者年齡范圍在18～24歲之間，5男5女共10名，平均年齡為22歲。所有被試者的校正視力或本體視力正常，沒(méi)有出現(xiàn)色盲或色弱的視覺(jué)測(cè)試者。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，所有被測(cè)試的心理和生理狀態(tài)穩(wěn)定。

1 FM-100色棋實(shí)驗(yàn)

色棋實(shí)驗(yàn)選取十種光源，均為同色異譜，色溫均為6 500 K，誤差控制在±200 K，其中一種模擬D65日光，其他九種為同色異譜光源，基本信息如表1所示，十種光源的光譜能量分布如圖1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用光源顯色性

圖1 光源光譜能量分布曲線Fig.1 The spectral power distribution of the light sources

由圖1可以清晰地看到每種光源的光譜特點(diǎn)，除了光源7以外，其他光源的光譜各有缺失。光源1光譜組成中缺失黃光波段，藍(lán)光波段較弱。光源2的光譜同樣缺失黃光波段，青、藍(lán)光較弱。光源3則是缺少青色、紅光波段，其他部分較完整。光源4光譜缺失紅光波段，同時(shí)綠光、紫光部分較弱。光源5與光源4相近似，但紫光部分完整。光源6光譜缺失黃光和紫光波段。光源8光譜較為完整，綠光波段稍差。光源9藍(lán)綠波段與紅光波段比例大，黃光部分相對(duì)缺失。光源10光譜的青色和紅色波段有所缺失。所有光源光譜在特別短和特別長(zhǎng)波長(zhǎng)部分。

本實(shí)驗(yàn)中使用的孟塞爾色棋FM 100 Hue Test色覺(jué)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)包括4盒共85個(gè)橫跨可見(jiàn)光譜的可移動(dòng)式色棋(色相漸變)，此測(cè)試系統(tǒng)提供了易于管理、而又有效的測(cè)試方法。在實(shí)驗(yàn)前，已經(jīng)對(duì)被試人員在模擬D65光源下進(jìn)行色覺(jué)測(cè)試，確認(rèn)各被試視覺(jué)正常。被試人員在指定光源下根據(jù)色相排列色棋順序。由于實(shí)驗(yàn)中研究的是同色異譜光源對(duì)于色彩辨識(shí)的影響，因此整個(gè)實(shí)驗(yàn)中其他參數(shù)為控制變量，保持不變。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)在暗室中進(jìn)行。在單個(gè)燈箱下，選擇一種光譜光源，進(jìn)行色棋辨識(shí)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)改變光源，被試人員將在不同光源下分別對(duì)不同色系的色棋進(jìn)行排序，將排序結(jié)果，評(píng)分軟件根據(jù)不同的排序自動(dòng)打分，稱為錯(cuò)誤得分。完全排序正確，錯(cuò)誤得分為0；排序錯(cuò)誤越大，則得分越高。由此能夠評(píng)價(jià)被測(cè)各不同光源的顯色性性能。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，被試者全程獨(dú)立完成排序，不受他人干擾。

根據(jù)色棋測(cè)試軟件系統(tǒng)的自動(dòng)評(píng)分，將實(shí)驗(yàn)中十位被試人員的十種同色異譜光源的色棋得分做了歸納統(tǒng)計(jì)，分別計(jì)算出每種光源十位被試人員的平均錯(cuò)誤得分和標(biāo)準(zhǔn)差。色棋顏色對(duì)應(yīng)的序號(hào)如圖2所示，正確排序時(shí)，得分為0，當(dāng)排序與相應(yīng)序號(hào)不對(duì)應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生錯(cuò)誤得分。

圖2 用于實(shí)驗(yàn)的色棋和色棋序號(hào)Fig.2 Hue test button and the sequence number of hue test button

圖3 十種光源色棋測(cè)試各色棋辨識(shí)平均錯(cuò)誤得分Fig.3 The average score for hue test under the ten lighting condition

實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示，通過(guò)對(duì)比十名被測(cè)者的色棋辨識(shí)實(shí)驗(yàn)中十種光源的測(cè)試平均分，可以得出這些光源的顯色效果。光源7表現(xiàn)最好，平均錯(cuò)誤得分最低；光源8、光源10、光源3都表現(xiàn)較好；而光源1、光源4、光源6則表現(xiàn)較差，在幾個(gè)相對(duì)集中的區(qū)域都有很大偏差。綠色部分的色棋排序在除光源7外的九種光源下都出現(xiàn)了較大偏差，而黃色部分則相反，錯(cuò)誤較少，在所有光源下幾乎都有較好表現(xiàn)。

通過(guò)分析單個(gè)光源下的十名被測(cè)者的平均得分表明，光源1中，與色棋序號(hào)顏色相對(duì)應(yīng)，出現(xiàn)偏差較大的色棋序號(hào)對(duì)應(yīng)的顏色為綠色和青色。光源2中，與色棋序號(hào)顏色相對(duì)應(yīng)，出現(xiàn)偏差較大的色棋序號(hào)對(duì)應(yīng)的顏色為黃綠色和綠色。在光源3中，與色棋序號(hào)顏色相對(duì)應(yīng)，普遍表現(xiàn)較好，黃綠色部分偏差相對(duì)較大。在光源4中，與色棋序號(hào)顏色相對(duì)應(yīng)，出現(xiàn)偏差較大的色棋序號(hào)對(duì)應(yīng)的顏色為橙紅色、橙黃色、青色和藍(lán)色，有偏差的顏色較多，顯色效果不理想。在光源5中，與色棋序號(hào)顏色相對(duì)應(yīng)，出現(xiàn)偏差較大的色棋序號(hào)對(duì)應(yīng)的顏色為綠色和青色和紅色。綠色部分相對(duì)偏差的更大。在光源6中，與色棋序號(hào)顏色相對(duì)應(yīng)，出現(xiàn)偏差較大的色棋序號(hào)對(duì)應(yīng)的顏色為綠色和青色。在光源7中，與色棋序號(hào)顏色相對(duì)應(yīng)，整體表現(xiàn)較好，以平均分來(lái)看，并無(wú)明顯集中的偏差序號(hào)。在光源8中，與光源7相類(lèi)似，除青綠色部分稍有偏差外，整體較好。在光源9中，與色棋序號(hào)顏色相對(duì)應(yīng)，出現(xiàn)偏差較大的色棋序號(hào)對(duì)應(yīng)的顏色為綠色和青色。在光源10中，與色棋序號(hào)顏色相對(duì)應(yīng)，出現(xiàn)較大偏差的色棋序號(hào)對(duì)應(yīng)的顏色為黃綠色。

2 紡織品顯色實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用了CAC-600-六光源標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)色燈箱，使用六種光源中的兩種D65和TL84作為實(shí)驗(yàn)光源。實(shí)驗(yàn)中采用的紡織品色樣均為非鏡面反射材料，因此可采用直接光照模型，將不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)效果。并且，實(shí)驗(yàn)材料將采用使用廣泛的棉麻制品，色樣之間具有相同的透射、反射、吸收率。

紡織品顯色實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)紡織品顏色，設(shè)置不同色樣，包括紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫在內(nèi)的約數(shù)十種紡織品標(biāo)準(zhǔn)色樣。實(shí)驗(yàn)前用蒸汽對(duì)色樣進(jìn)行熏制，使其充分發(fā)色。發(fā)色能夠使紡織品顏色更加均勻，更快的達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的溫度和濕度條件，減短適應(yīng)時(shí)間，避免色差選取4 000 K和6 500 K兩種色溫下的八種光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，包括兩種熒光燈(TL84及D65)和兩種色溫下的各四種同色異譜LED燈。實(shí)驗(yàn)中這全部10種光源光譜如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)中，兩燈箱中的紡織品色樣采用的是同一批次的布料，經(jīng)過(guò)同樣時(shí)間的發(fā)色處理，在同樣的環(huán)境溫濕度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因此，用來(lái)作為參考的色樣與被測(cè)色樣之間，不會(huì)影響被測(cè)者的主觀判斷。

圖4 實(shí)驗(yàn)用光源光譜能量分布曲線Fig.4 The SPD of 6 500 K and 4 000 K light sources

實(shí)驗(yàn)在暗室內(nèi)進(jìn)行，分兩個(gè)燈箱操作。其中一個(gè)燈箱為參考光源(標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)色燈箱模擬的D65和TL84)，另外一個(gè)燈箱選用這兩種光源同色溫下的同色異譜光源，分別對(duì)紡織品色樣進(jìn)行照射。參考燈箱如圖5所示，采用了11通道的LED，各LED具有不同峰值波長(zhǎng)，覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光光譜范圍，可分別對(duì)11通道多芯片LED進(jìn)行控制；軟件控制顯示模塊可靈活控制模擬燈箱任意光源光色，精確呈現(xiàn)多種高品質(zhì)光源，提供多種光色配比設(shè)計(jì)方案。

圖5 實(shí)驗(yàn)用調(diào)光燈箱Fig.5 Light box for experiment

將在參考光源下織品的顯色效果作為100分，讓測(cè)試者對(duì)其他同色異譜光源的顯色性進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，被試人員依據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)光源的對(duì)比效果進(jìn)行打分，測(cè)試全程獨(dú)立評(píng)價(jià)，無(wú)相關(guān)干擾，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示，而實(shí)驗(yàn)色樣如圖6所示(在參考光源D65下拍攝)。采用的4 000 K和6 500 K色溫同色異譜光源對(duì)應(yīng)的GAI面積如圖7、圖8所示。

表2 主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

紡織品色樣分為全色系、紅色系、黃色系以及藍(lán)色系。被測(cè)者將分別依次進(jìn)行評(píng)分，每位被測(cè)者的實(shí)驗(yàn)觀察順序完全相同。紅色系和藍(lán)色系布料分開(kāi)測(cè)評(píng)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)，測(cè)試一種色系時(shí)用白紙遮擋另一組，避免不同色系的顏色相互干擾。由于標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)色燈箱模擬的D65和TL84都是熒光燈，因此有些情況下，對(duì)比光源效果有可能比參考光源更好一些，因此另外設(shè)置了一檔評(píng)分100～110分。

圖6 紅、藍(lán)色系布料，全色系布料，黃色系布料Fig.6 Red and blue, the whole color, yellow and brown

圖7 4 000 K同色異譜光源和6 500 K同色異譜光源下GAI計(jì)算Fig.7 The GAI of 4 000 K and 6 500 K metamerism light sources

圖8 4 000 K同色異譜光源和6 500 K同色異譜光源下GAI絕對(duì)面積值Fig.8 The GAI area for 4 000 K and 65 000 K metamerism light sources

實(shí)驗(yàn)光源分為兩組，標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)色燈箱模擬的D65和其它6 500 K色溫下的四種同色異譜光源為一組，標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)色燈箱模擬的TL84和其他4 000 K色溫下的四種同色異譜光源為另一組。6 500 K色溫組四種同色異譜光源顯色性的主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9所示，4 000 K色溫組同色異譜光源顯色性的主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖10所示(線段長(zhǎng)度表示分值標(biāo)準(zhǔn)差，中點(diǎn)表示平均分)。

圖9 6 500 K同色異譜光源對(duì)不同色系布料的光源顯色性評(píng)價(jià)Fig.9 6 500 K metamerism light sources for different cloth color rendering evaluation

圖10 4 000 K同色異譜光源不同色系布料下的光源顯色性評(píng)價(jià)Fig.10 Color rendering evaluation of 4 000 K metamerism light sources for different cloth

主觀評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，同種光源對(duì)不同色系的布料顯色性呈現(xiàn)出較大差異，而在相同條件下的同色異譜光源之間顯色評(píng)價(jià)更是相差甚遠(yuǎn)。如圖9，在色溫6 500 K組，光源1與光源2兩種光源顯色表現(xiàn)普遍較好，光源3顯色效果最差。其中，光源1在不同色系的彩色布料下顯色表現(xiàn)更均勻，對(duì)紅色系布料更為敏感；光源2則在藍(lán)色系布料的顯色效果上有突出表現(xiàn)。綜合評(píng)價(jià)，這四種光源相較而言光源2顯色效果更好。如圖10所示，在色溫4 000 K組，光源1顯色效果最好且對(duì)不同色系布料顯色性非常均勻。其他三種光源都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，普遍紅、藍(lán)色系顯色效果好，黃色系顯色效果較差。

以布料色系為參照，對(duì)兩組光源顯色性進(jìn)行縱向比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖11、圖12所示。

圖11 4 000 K組四種光源對(duì)同一色系布料的顯色性評(píng)價(jià)Fig.11 The color rendering properties of 4 000 K metamerism in four different light-sources to the same color series cloth

圖12 6 500 K組四種光源對(duì)同一色系布料的顯色性評(píng)價(jià)Fig.12 The color rendering properties of 6 500 K metamerism in four different light-sources to the same color series cloth

實(shí)驗(yàn)表明，在4 000 K這組中，四種光源在紅色系、藍(lán)色系的顯色效果上相差不大，而光源1在全色系中的顯色效果明顯優(yōu)于其他三種光源，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，原因在于光源1對(duì)黃色系的顯色效果好?，F(xiàn)在需要找出光源1與其他三種光源根本的差異，并分析它對(duì)黃色系布料顯色效果的影響。這組實(shí)驗(yàn)中的光源均為同色異譜，色溫相同，實(shí)驗(yàn)條件一致，那么唯一的對(duì)其顯色性可能造成影響的變量因素是光源的光譜組成，接下來(lái)將進(jìn)一步通過(guò)光譜成分的分析對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

在6 500 K組的這四種光源，在不同的色系布料中顯色效果有不同的表現(xiàn)，每種光源都有不同的特點(diǎn)，與4 000 K的那組光源一起，可以進(jìn)一步佐證光源的光譜組成與其顯色性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

這4種光源的光譜能量分布圖表明，光譜的完整性、光譜組成成分以及波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的顏色在組成中的占比與該光源在相應(yīng)色系的顯色性正相關(guān)。在4 000 K色溫光源組中，在光源2、3、4的三種光源光譜中，黃綠波段相對(duì)光源1缺失，導(dǎo)致在黃色系布料的顯色性對(duì)比中，光源1占有明顯優(yōu)勢(shì)。同樣在6 500 K色溫光源組中，光源1和光源2在光譜完整性上明顯優(yōu)于光源3和光源4，與之對(duì)應(yīng)的顯色效果也優(yōu)于光源3和光源4；光源3光譜中藍(lán)光波段相對(duì)較多，在顯色效果上也是藍(lán)色布料表現(xiàn)最好；光源4則紅光部分波長(zhǎng)較多，主觀評(píng)價(jià)顯色效果上同樣是紅色布料最好。從光源光譜角度對(duì)光源的顯色性進(jìn)行分析，使得光源的顯色性更可控，幫助我們有針對(duì)性的選擇有利于布料顯色效果的光源。

3 結(jié)論

本研究通過(guò)兩個(gè)不同類(lèi)型的辨色實(shí)驗(yàn)，充分論證了同色異譜現(xiàn)象對(duì)光源顯色性的影響，可以根據(jù)使用者的需求，通過(guò)對(duì)光源光譜成分的有機(jī)選擇，調(diào)制出適宜的光源，達(dá)到對(duì)其顯色效果的優(yōu)化。也就是說(shuō)，光源將不再是由工廠統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，可以根據(jù)使用者的個(gè)性化需求進(jìn)行定制，在不同的人工照明領(lǐng)域達(dá)到各自優(yōu)良的顯色效果。

在實(shí)驗(yàn)二中，色溫6 500 K的四種光源的顯色指數(shù)CRI分別為93、77、61、56，色溫4 000 K四種光源的顯色指數(shù)CRI分別為96、65、82、69。由此可見(jiàn)，顯色指數(shù)在一定程度上與光源顯色性正相關(guān)，但并不是絕對(duì)的，LED燈的顯色指數(shù)測(cè)試結(jié)果與顯色能力主觀評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定出入。因此，不能單純依靠光源顯色指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)光源顯色性。

將每種光源的光譜能量曲線圖與這種光源對(duì)不同色系彩色布料的顯色效果主觀評(píng)價(jià)分值進(jìn)行比較，光源光譜組成中哪種波長(zhǎng)的顏色居多，該光源對(duì)這種顏色的顯色性主觀評(píng)價(jià)就較好。被測(cè)者的主觀評(píng)分中，紅、黃、藍(lán)這三個(gè)色系均表現(xiàn)出這種趨勢(shì)，反映了不同顏色的光對(duì)該種顏色有加強(qiáng)效果，即使其更加鮮亮，在一定范圍內(nèi)可以讓人的視覺(jué)感受更好，主觀評(píng)價(jià)分值就更高。這種現(xiàn)象給我們提出一種思考，在評(píng)價(jià)光源的顯色效果時(shí)，是否只需要關(guān)注它的顯色性好壞即顏色的逼真程度。光源對(duì)物體顏色的適當(dāng)加強(qiáng)效果，在事實(shí)上影響著人們對(duì)光源顯色效果的評(píng)價(jià)，而且是正面的評(píng)價(jià)，所以對(duì)光源顯色效果進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，顯色性不應(yīng)該作為唯一標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)該根據(jù)該光源光譜組成和被測(cè)物體的固有色進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。對(duì)待測(cè)光源的光譜分析讓實(shí)驗(yàn)從簡(jiǎn)單的現(xiàn)象評(píng)價(jià)到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的成因推測(cè)得以證實(shí)。為進(jìn)一步研究光源的優(yōu)化方案找到了可行性的方法。

綜上所述，影響白光LED視覺(jué)功效的關(guān)鍵因素在于色溫與顯色性，而歸結(jié)為一點(diǎn)，即相對(duì)光譜功率分布(SPD)。對(duì)于工業(yè)照明而言，宜選擇6 500 K高色溫白光LED照明，而該白光的光譜在中長(zhǎng)波段卻不應(yīng)缺失。以等能白光作為基準(zhǔn)譜線以滿足實(shí)際顏色能力的分辨，在此基礎(chǔ)上增加短波峰值能力，提升視亮度效果，如實(shí)驗(yàn)光譜7便是一例成功的調(diào)制案例。

由于在不同色溫下同色異譜現(xiàn)象的存在，使得光譜可能存在極大的差異，也具有不同的性能，具體來(lái)說(shuō)，是對(duì)應(yīng)不同的光效和顯色性。因此在具體的照明設(shè)計(jì)中要綜合考慮不同性能的作用。對(duì)于紡織廠照明而言，由于工人需要保持一定工作的警覺(jué)性，因此選擇高色溫光源會(huì)相對(duì)好一些，而具有連續(xù)性光譜的光源由于在各方面都具有更好的性能，是相對(duì)更好的照明光源。一般情況下，當(dāng)光譜不是很連續(xù)時(shí)，則要綜合考慮光譜功率分布、光效、顯色性等具體性能，以此來(lái)判斷是否適合相應(yīng)場(chǎng)所的應(yīng)用。