再论光源显色性

[美]迈克·伍德

【摘要】阐述光源显色性度量方法的研发历史和应用现状，列举CRI、CQS的优缺点，推荐TM-30-15，引荐新的度量方法，以客观、准确和全面地反映光源显色性的真实性能。

【关键词】显色性；显色指数CRI；色质指数CQS；保真度指数R_f；色域指数R_g；TM-30-15

笔者已经撰写了许多有关光源显色性的专题文章，但是这个专题如此重要，而通常又有很多误解，故笔者再次返回到这个主题。

1关于一般显色指数CRI

在PLASA杂志《PROTOCOL》2010年冬季刊和春季刊上，笔者论述了显色指数CRI（Color RenderingIndex）以及它的问题和解决方法色质标准CQS（ColorQuality Standard）。显色指数CRI原本只是为电光源制造商研发的用来描绘荧光灯白光特性的一种度量方法，因而它的作用是非常有限的。CRI对不连续光谱的表现是很糟糕的，例如，来自RGB LED光源的光谱，因为CRI使用了有限的一套比色试验样本，光源容易被优化而使得CRI数值比它实际上的要好。看上去相似的RGBLED灯具具有不同的CRI，其数值变化范围从可怜的40一直到完全可接受的80，这些数值能真实地表现它们光输出的显色性吗？

CRI不是被设计用来测量RGB LED多色组合光源所产生的白光，当它被应用于LED光源时，可能会引出误导的结果。例如，来自试验色彩比较的8个特殊显色指数被一起平均，以获得最后的一般显色指数CRI，即使光源的呈现测试过程，其中一个或两个色彩较差，它也能够获得很好的CRI数值。使用RGB LED光源时，在黄色光谱处有一个很大的缺口，因而灯具呈现黄色的能力很糟糕，但是仍能获得可接受的CRI数值。此外，因为8个标准样品色都是饱和度相当低的色彩，光源呈现高饱和度色彩时它的表现又将如何呢？CRI却没有提示相关的信息。对于产生自RGB LED光源的分得很开且以窄波峰光谱呈现的这些波峰之外的高饱和度色彩，其显色性表现得很糟糕，但是一般显色指数CRI却并不指明这个缺陷。显然，它也将色彩科学运用于长期过时了的显色性数字化表述。

2关于色质指数CQS

认识到上述这些以及其他相关问题，NIST（National Institute of Standards and Technology，美国国家标准技术研究所）提出了一个称为色质指数CQS（Color Quality Scale）的新度量标准。目的是，处理解决来源于标准色选择的缺点和应用于显色综合结果的数学方法等问题；同时，它应用于标准色芯片检测时能保持CRI的优点，并指出与现实世界的直接关系。CQS试图使用更多的色彩样品来处NCRI的主要问题，即，使用15个色彩样品替代原先的8个色彩样品，选择这些均衡分布于整个可见光谱中的饱和色。

这个被提议的新量度标准曾遭遇到形形色色不同的反应。对于某些用户，例如娱乐灯光行业，那些频繁使用RGB的用户，它在CRI方面提供了巨大的改进。事实上，PLASA技术标准计划（PLASA Technical StandardsProgram）在其光度学标准中推荐CQS的应用，例如，在ANSI E1.41-2012.Recommendations for Measuring andReporting Photometric Performance Data for EntertainmentLuminaires Utilizing Solid State Light Sources（测量和报告使用固态光源的演艺灯具光度学性能的建议）。然而，对于仅仅对白光感兴趣的用户，尤其是对荧光粉转换型白光感兴趣的用户，其优势就不太明显了。

虽然CQS相对CRI有一些优点，但它仍然没有解决仅提供单一数字作为量度标准的局限性。我们知道，CRI（或CQS）为70的白光在显色性方面的性能相当糟糕。然而，通过这个很差的单一数字，并不能知道问题发生于红色还是发生于蓝色？也不知道它是由于欠饱和或过度饱和颜色的哪一种出现过错？红色过饱和的光源与蓝色未饱和的光源可能具有相同的CRI（或CQS）。它们单独看上去可能是可接受的，但是，如果一起使用的话，看上去那是可怕的。

CIE（International Commission on IHumination，国际照明委员会）一段时间以来一直致力于替代CRI的研发工作，这项工作已被两个或三个委员会通过，但迄今为止，他们还是没有达成共识，我们还是没有官方提供的选择。

笔者还必须说，一些大型电光源制造商一直非常乐于允许原有的描述性的一般显色指数CRI能继续作为唯一的官方度量标准。CRI使得它们的光源产品看上去很好，因此，很容易将这种光源说成是用户所需要的产品。那么，什么是用户需要的新度量标准呢？

3关于新度量标准TM-30-15

為了行之有效，推出的更好的度量标准必须来自于用户和灯光实践者，因为他们是最终有影响作用的专业工作人员。为此，IES（Illumination EngineeringSociety，北美照明工程学会）颜色委员会承担了提议一个新的解决方案的工作，任命组建颜色工作组，以负责研发工作，并提出一个新的度量标准或一整套度量标准以满足不同的需要，以及处NCRI和CQS的相关问题。（信息披露：笔者是IES颜色委员会的委员，所以了解研发工作进展方面的相关信息，但是笔者不是研发该提议的工作组成员。）

该提议由IES作为技术备忘录，TM-30-15，IESMethod for Evaluating Lighting Source Color Rendition（IES评价照明光源显色性方法）于2015年8月发布。TM-30吸取了过去30年开展研发工作所取得的大量的颜色感知方面的研究成果以及探索回答对CRI的关注，并同时是仍然保持容易使用和辨识的一种参照标准。

TM-30中的一部分内容，读者会非常熟悉。它仍然使用颜色样品以及比较它们在理想照明光源下的呈现效果。然而，它使用均衡地分布在整个可见颜色空间和光谱中的99个颜色样品，以替代原先的8个或15个颜色样品，见图1。使用大量的样品意味着最优化和玩弄这个度量标准是更为困难了，如果这并非不可能办到的话。

3.1两个新度量指数

TM-30提供两个主要的结果而不是一个。第一个是保真度指数（Fidelity Index）R_f，在概念上它与CRI所提供的单一数值R_a相似。R_f是一个表明保真度从0到100的数值，反映被检测光源比较参照的白光光源对人眼所呈现的显色效果。其数学上优于CRI，因为使用的颜色样品数量极大地增加，它们的平均值显得更为合理（虽然R_a和R_f有相似的数值范围，但它们是不相同的，因而将不直接被用于比较或被拥有相同的数值目标。）

TM-30所提供的第二个度量指数是色域指数R_g。色域指数提供的是一种被测试光源相对于参照光源所做的色域测量值。换句话说，它提供一个新的度量标准，以评价被不正确呈现的颜色是过饱和的还是欠饱和的。就一切情况而论，R_g为100显示，被測试光源能如同参照光源一样，以相同的平均饱和度水平呈现色彩。R_g大于100指示过饱和，而低于100则显示欠饱和。R_g的数值范围将取决于光源的保真度。例如，一个R_f为60的光源具有R_g约为60～140的可能范围。R_g数值高于100可能是理想的，也可能是不理想的，这取决于如何使用。依笔者的看法，过饱和色彩正如同欠饱和色彩一样常常是糟糕的，可能给予目的物一个卡通片似的外貌。

3.2R_f和R_g的关联

图2中，通过绘制实际光源的R_f和R_g，展示这两个指数可能取得的数值范围以及它们之间的关系。注意到，光源保真度R_f越接近100，那么其色域指数R_g的范围就有可能越小。一个完美的光源是这两个度量指数都完美的光源。相反，保真度R_f越低，其色域指数R_g的可能范围就越大。光源的颜色保真度越低，那么其欠饱和色或过饱和色就越多。真实世界的光源趋向聚集于R_g小于100的区域，也就是，那些色彩是欠饱和的，但是也有许多例外。如果仔细观察几个真实光源，就能发现什么将继续是更好些的。

图3展示被绘制在色域指数/保真度指数图上的几个熟悉的光源。卤素灯位于作为完美光源100：100点位的最右端。一些可能的RGBA光源则以深蓝色标记被显示。它们呈现出拥有一定的R_f和R_g数值范围。R_f为90的RGBA光源可能具有极好的颜色保真度，但是要注意到它在R_g接近110时的色彩如何过饱和的。这种情况可能是可接受的，但是或许是不能接受的。对于很多应用，R_f稍低于85但R_g为100的RGBA光源实际上可能是更好的。在理想世界里，应用于娱乐灯光的光源或许是100：100的白炽灯，但是事实上没有真实光源是这样的，选择那些不仅具有可接受的颜色保真度而且具有理想色域指数的光源，是合乎用户和设计师要求的。笔者建议，对于剧场和戏剧灯光，大多数时间并不需要过饱和色彩。大家更喜欢它们是自然的色彩效果。然而，对于音乐会、主题公园以及摇滚乐演出，显示的可能不是这种情况，过饱和可能恰恰是很好的。TM-30给予的信息以CRI从不能做到的方法作出判断。

3.3色矢量图

为了帮助用户理解R_f和R_g两个量值意味着什么，TM-30提供一对表示信息图标的图表，在图表上可看见有多少色彩的呈现效果是糟糕的。例如，图4展示RGBA LED光源的色矢量（Color Vector，或称色向量）和彩色失真（Color Distortion）图表。

这个光源具有R_f数值74和R_g数值90。所以，知道它在颜色保真度方面有些限制，但是这个单独的数字并没有告诉限制在哪里。而这个图表实际上能帮助知晓它限制在哪里，在左边的图标显示光源在哪里欠饱和，在哪里过饱和。它也显示了：通过短矢量箭头，色彩是如何被失真的。例如，用户可以看见绿色倾向于向黄色变化。第二个图表仅仅显示欠饱和与过饱和，但是以更清晰印刷的图标来显示，按笔者的看法，方便你能更快地理解。用户可以立即看见，最大的色彩失真发生在橙色、红色和品红色之间，而蓝色和黄色的影响则没有这么大。当用户注视一个以上光源和试图估计它们互相是否匹配时，图表实际上变得更为有用了。图5显示分别具有完全相同的R_f和R_g数值，即R_f=82和R_g=95的两个光源。单从数字看，可能假定它们是完全相同的，但是其光谱和图表则显示并不是这样的。

图中的上部光源欠饱和的红色和绿色，而下面光源在这些色彩方面几乎是完美的，取而代之则是欠饱和的黄色。这给用户一个显著的提示，虽然这两个光源在白色或浅色背景上可能非常匹配，当照明饱和的红色目的物时，它们看上去将非常不相同。实际上，下面光源在630nm的那个红色大波峰就确证了那可能是个问题。

关于R_f和R_g的应用，有更多东西需要学习和探讨。经验需要在为自己和客户的工作中及工作之余获得，因而笔者知道需要再一次返回到这个主题。目前，笔者强烈推荐使用TM-30中的R_f和R_g，也鼓励用户要求光源产品供应厂家提供替代CRI的这些新度量指标。它们相关的计算是很容易的，IES提供Excel电子数据表用做数学运算，并产生本文显示的所有结果和图表。用户需要的一切是受检测光源的光谱。

3.4 CRI≠R_f

现在用如何显示真实光源的CRI（R_a）和R_f比较的这张图表（图6）来结束这次阐述。是否可以，假定优良的CRI就意味着一个光源将获得优良的R_f或者相反？回答是明确的：不！实际情况全反映在这张图表上，通常，大多数光源具有低于CRI数值的R_f值（即，位于图表上红线之下），但是也有例外。在CRI值相同的条带之内，拥有R_f可能量值的巨大范围。例如，观察CRI=80的色彩较暗的垂直条带。CRI为80的光源具有R_f的数值范围可从71直至87，几乎包含着16个分散的点位。大多数光源的R_f很糟糕，但是一对LED光源却表现得很好。将出现在新度量指标下显得更糟糕的光源是非常相同的窄光谱带的荧光灯，而CRI设计得使这种光源（的数据）看上去很好，这种情况的出现是毫不惊奇的。