光源色温对辨色力的影响

学号2011301760030 密级 武汉大学本科毕业论文武汉大学本科毕业论文 光源色温对辨色力的影响 院（系）名 称：印刷与包装系 专 业 名 称：印刷工程 学 生 姓 名：金银姬 指 导 教 师：刘强 二一五年六月 郑 重 声 明郑 重 声 明 本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明 引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中 以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。 本人签名：日期： 摘要 色彩随处可见，是我们通过视觉获取信息的第一大来源。辨色力（又称“色 觉”）是指不同波长的光线作用于视网膜而在人脑引起的感觉，是衡量人们对颜 色感知分辨的一项重要指标。如果对某种颜色的感觉出现障碍，我们就称其为色 盲或色弱。辨色力的好坏直接关系到人们的学习、工作能力，生活质量甚至生命 安全。 为了研究光源色温对辨色力的影响，此次本文基于再现 FM100-Hue Test 孟塞 尔视觉测试经典实验，分析在色温分别为 2500K、3500K、4500K、5500K、6500K 的 5 组照明条件下，观察者辨色力的变化。此次实验以 42 名色觉正常的在校学生 为实验观测对象，进行 FM100-Hue 实验再现，并借助配套软件输入自动统计每个 观测者的实验得分，并以此分析 LED 光源色温对辨色力究竟有何影响。通过实验 我们得出了以下结论：（1）观测者的辨色力表现在 5500K 色温的 LED 光源下表 现最好；（2）CRI 单独无法表现光源的辨色力，但是当与 GAI 结合起来分析时， 能较准确地评价光源辨色力， （3）无论何种色温光源下，黄绿色及蓝绿色区域上， 人眼辨色力均最差；（4）综合来看，女性的辨色力好于男性，并且二者辨色力最 佳的光源略有不同。 关键词：关键词：辨色力；孟塞尔 FM100-Hue 实验；色相棋 ABSTRACT Coloriseverywhere,itsthebiggestsourcethroughthevisualaccessto information.Color discrimination (also called “color sense“) refers to lights with different wavelengths act on theretina and cause feeling in the human brain, is a important indicator measuring peoples color sense and discrimination.If theres some problems to the feeling of a certain color, we will call it the color blindness or color weakness.The ability of color discrimination is directly related to peoples study, work ability, quality of life and even life safety. In order to study how the color temperature and illumination of lights influence on color discrimination, this paper bases on reproducing FM100 Hue - Test Munsell visual classic experiment,analysis in color temperature 2500 k, 3500 k, respectively, 4500 k, 4500 k, 6500 k, 5 groups of lighting conditions,how the observers change their color discrimination.We picked 42 color normal students as the research object,with the aid of FM 100 hue and a complete set of scoring software, obtained the wrong points under different lights, to analyze the relationship of LED lights color temperature and objective evaluation index (CRI and GAI) ,and the relationship between different color gamut and color discrimination, and gender differences in color discrimination.The experimental results indicate: (1)When the LED lights color temperature is 5500 k, testers color discrimination is best;(2) The CRI combined with GAI can evaluate the color discrimination of different lights better;(3) The human eyes ability to distinguish between yellow and blue-green color is bad;(4)Women are superior to men in color discrimination,and their color discrimination behave best in different light color temperature. Key words: color discrimination；Farnsworth-Munsell 100-hue test；hue 目录目录 1 绪论1 绪论.1 1.1研究意义与背景.1 1.2国内外研究现状.2 1.3具体研究内容.3 2 理论基础2 理论基础5 2.1孟塞尔 FM100 色觉测试.5 2.2客观评价指标（CRI 和 GAI）与辨色力的关系.7 2.2.1 显色指数（CRI）.7 2.2.2 色域面积指数（GAI）7 2.2.3 照度.8 2.2.4 色温.8 2.2.5 亮度.9 3 实验方案与结果3 实验方案与结果10 3.1实验设备与仪器.10 3.1.1 xrite Macbeth SpectraLight III 灯箱.10 3.1.2 飞利浦 Personal wireless lighting.11 3.1.3 Hue Lights 应用程序.11 3.1.4 FM100 评分系统（Farnsworth Munsell 100 Hue Scoring System）.12 3.2实验操作过程.13 3.2.1 实验设备.13 3.2.2 实验对象.14 3.2.3 实验准备.14 3.2.4 实验步骤.15 3.2.5 数据输入.16 3.3实验结论.16 3.3.1 光源色温与评价指标与辨色力的关系.16 3.3.2 不同颜色区域与光源辨色力的关系.17 3.3.3 性别与光源辨色力的关系.18 3.3.4 实验结论.19 3.3.5 理论论证.19 4 总结与展望4 总结与展望.21 4.1实验总结.21 4.2未来展望.22 致谢致谢.24 参考文献参考文献.26 1 1 绪论绪论 1.1 研究意义与背景研究意义与背景 色彩是无处不在的，人们每天通过视觉从环境中获取大量信息，其中色彩传 递给人们的信息量与对人的影响力比通常人们想象的要大许多。辨色力（又称“色 觉”）是指不同波长的光线作用于视网膜而在人脑引起的感觉，是衡量人们对颜 色感知分辨的一项重要指标。如果对某种颜色的感觉出现障碍，我们就称其为色 盲或色弱。 辨色力差可分为人内部生理因素和外部环境因素。内部原因上多由于视色素 的光化学不正常或是由于老化及病变还有药物副作用导致辨色力不正常。客观环 境中主要是光照条件的不同会对人们的辨色力产生较为显著及稳定的影响。 由于色彩在日常生活中随处可见，因此我们常常会把特定的色彩和某种抽象 信息甚至是情绪相联系起来，这就是我们常说的色彩的情感特性。通常的，红黄 色调常见于火等高温事物，会给人以温暖的感觉，因此我们将这类颜色定义为暖 色调，类似的，蓝绿银这类颜色容易联想到冰块或者常态下的金属，容易给人以 冰冷的感受，因此定义为冷色调。颜色的冷暖、轻重、远近等这类属性常常被设 计师们运用到建筑、家具或者工艺品中，给人以更为舒适的感官享受。还有一些 颜色本身的物理特性对人眼的刺激大小不同，因此常常用它们来做一些警示或特 殊标志，旨在不同状况下吸引人们的注意，例如很多警示牌用的最多的黄色，黄 色本身明度极高，能直接刺激到人脑中与焦虑相关联的区域，因此广泛的被使用 在警告的需求中。例如环卫工人由于在危险的马路上作业，其工作服必须十分醒 目才能保障他们的人身安全，因此我们可以看到大多数危险作业的工作服都是黄色 调为主1。 在传统工业领域，许多行业都明确要求从业人员要有良好的视觉辨色能力， 比如美术、涂料、印染、印刷、调配等需要与色彩打交道的相关行业。在这些行 业领域里，从业人员能否对色彩进行有效辨别、沟通和传递，会直接影响产品好 坏以及最终企业的效益。因而，对这些行业从业人员进行辨色等能力的筛选十分 2 重要2。 作为学生，不同光源的照明对我们的学习效率也有着相当的影响，实验表明， 学生的学习效率有随着照明光源的色温和照度增加而逐渐降低的趋势(中间色温除 外)3。另一相关研究更是表明，由于 Cirtopic 效应的影响，室内中间色温的荧光灯 能在适当的时间长度内对正在学习的学生产生良性刺激，使学生提高学习效率、 缓解视脑疲劳4。 综上所述，色彩在人们工作生活中扮演者十分重要的角色，如果不能正确分 辨它们，我们的生活质量不仅会大打折扣，更有甚者，还可能影响我们的工作效 率，生活状态甚至生命安全。 辨色力的好坏直接关系到人们的学习、工作能力，生活质量甚至生命安全。 因此研究影响辨色力的因素是非常紧迫且具有意义的大命题，本次实验就专注于 其中光源色温对辨色力的影响，基于前人在各行各业的基础上对辨色力影响因素 和方式的研究成果，运用辨色力观察最经典的 FM100-Hue 孟塞尔经典实验方法， 在校园内采集足够数量样本进行实验，得出在不同色温下，不同实验者的辨色力 表现。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 目前，国内外对于光照条件与辨色力关系的研究方向主要有三点：光源的色 温对辨色力的影响；人们对不同颜色的辨色力的差异；个体差异的其他因素（性 别、年龄、地域、色彩相关背景、血型、星座等）。 光源的色温对辨色力的影响表现在：当光源色温低于 6500K 时，正常人眼的 辨色力随着色温的增加而增强，呈正相关，而当色温降低时，在部分区域辨色力 有所下降，但对整个实验结果的影响并不明显5。进一步以色温区分光源时，我们 通常可以取自然光、白炽灯和荧光灯为实验照明，喻柏林等人就在这方面通过实 验研究发现，在视觉辨别方面，自然光的效果明显优于人工光源，而且在照度较 低或视角较小时，两者对事物对比和大小方面的视觉辨别上效果差别较大6。而不 同的人造光源在照度较高时，在视觉辨认的效果上无甚差异。另外，聂钧也通过 3 实验得出光照条件对色彩还原度的影响同一个有色物体，在不同强度的白光 照射下，物体反射出的颜色色光亮度是不同的，给人的视觉感受也有区别。当照 度较小时，色光发黑发暗；而当照度较强时，色光发白发亮，但颜色饱和度会有 所下降7。这诚然也是这一方面需要考虑的重要因素。 人们对不同颜色的辨色力的差异方面:前人通过大量实验得出结论表明，在同 种光源下，人们对不同的颜色区域颜色的辨色力本身就存在差异，例如黄绿与蓝 绿色区域人们的辨色力明显低于同种光源下红黄与红紫区域的颜色。蒋幼芹等在 进行 FM100-Hue Test 实验时将观察者根据年龄事先分组以便比较不同年龄组间辨 色力的区别，实验发现，正如人们所预期或者说正如人们日常生活中所见到的， 随着年龄的增长，人眼的辨色误差越来越大8。而进一步比较不同色彩区域的辨色 力时，实验者发现，红色及兰绿色区域辨色力随年龄增长退化程度较大9。 个体差异的其他因素上，除了上述说到的随年龄增长辨色力普遍下降的现象 外。最显著的个体差异应该表现在性别差异上，周开晶等在进行 FM100 色觉检查 实验时发现，在最常见的光源（D65）下，性别差异导致的辨色力差异并不明显， 这可能是由于无论男女都非常适应这个光源的缘故。然而当实验人员进一步调整 光源到 4150K、3000K 以及 2850K 这些经典但不常见的光源时我们发现，女性开 始在辨色力上超过男性。CLB Mccloughan 等人也有相关的实验研究，他们的实验 结果发现了性别差异在颜色的情绪感知上也表现出了不同，在实验灯光照度非常 强时，男性会表现出较多的负面情绪，而女性则较少。而且当光照色温变化时， 女性情绪受影响较大，暖色调下较积极，冷白光下较消极10。 1.3 具体研究内容具体研究内容 本毕业设计以光源色温对辨色力的影响为研究主题，主要针对通过改变 LED 灯的色温，在不同的照明条件下让观察者对特定颜色分辨并排序，以此来研究光 照的色温对人眼辨色力的影响。并结合事先获取的观察者资料，进一步分析年龄、 性别、地域等对辨色力是否有影响。具体操作如下： （1）确定实验研究方向光源色温对辨色力的影响，并以此为目标设计实验过 4 程； （2）依靠实验室现有的器材，再根据需要采购一定的器材后，反复测试实验步骤 是否有问题并反复修改最终确认； （3）事先联系好 50 位不同地域的本校学生，安排两周的实验日程，以保证实验 的有序高效进行； （4）按照设计的步骤，根据 FM100-Hue Test 孟塞尔经典实验方法完成实验，拍照 保存实验数据和调查表格； （5）安装 FM100-Hue Test 配套计分软件，并逐一输入所有实验所得数据，由软件 自动计分并统计出简单的相关分析数据； （6）结合实验者的个人资料对其它相关因素如年龄性别等对实验结果的影响进行 二次分析。 5 2 理论基础2 理论基础 2.1 孟塞尔孟塞尔 FM100 色觉测试色觉测试 光源下表现的颜色质量是评价光源的一项重要指标，光源颜色表现包括对颜 色的还原性，区分度，视觉清晰度，颜色偏好及舒适度等11。辨色力，即对不同 色彩的区分度，定义为根据颜色的亮度、色相以及饱和度等颜色属性对其进行区 别的能力。目前国际上对人眼辨色力与光源关系的相关研究主要是通过色相棋实 验来进行验证的。 Boyce区分绿颜色周围区域困难，那么测试结果显示为“绿色 弱”； （3）测试结果还可以借助配套的计分分析软件图型化，帮助实验者更方便的分析 实验结果，得出实验结论。 孟塞尔视觉测试常被运用在以下方面： （1）专业的颜色分级员、颜色检测员和配色工作人员的测试 （2）色觉缺陷的分类和程度的测试 （3）用于色彩相关产品销售人员的色觉缺陷鉴别 （4）专业培训中的应用 （5）电子，纺织，医学, 塑胶，涂料，大学教学等色彩学相关机构的检测 7 2.2 客观评价指标（客观评价指标（CRI 和和 GAI）与辨色力的关系）与辨色力的关系 当进行实验时，我们需要一个确切的数值来反映所测辨色力的结果，根据国 际照明委员会的标准参数参考，我们在这里通过 CRI 和 GAI 两个参数来衡量被测 者辨色力的好坏。 2.2.1 显色指数（显色指数（CRI） 显色指数（CRI）是根据待测光源下物体呈现的颜色与参考光源下物体呈现颜 色相符合程度得出的度量标准，是为了用来评价在某种光源下，物体的颜色还原 性（以参考光源下颜色为基准）。当前光源的光谱元素中，如果缺少物体在参考 光源下反射颜色的主波时，我们看到的物体颜色会明显发生偏移。色彩偏移数值 越大，说明当前光源的显色性越差。 标准化系统中，我们将白炽灯的显色指数定为 100，并将其当做理想的基准光 源。标定显色性时，通常以 8 种中等彩度的色样作为检验标准，保证色温不变的 前提下，比较在待测光源与标准光源下这 8 中颜色的偏离程度，以此数据来标定 该待测光源的显色指数，以 100 为最高值，平均偏差取 Ra20-100，平均色差越 大，则相应 Ra 值越低16。生活生产中，Ra 值低于 20 的光源一般不被使用。而当 前广泛使用的白炽灯， 虽然其理论 CRI 为 100， 但由于目前生活中的白炽灯种类十 分繁多，相应用途也不尽相同，因此其 Ra 值通常是不完全一致的。一般都只能说 是接近 100，但无论如何，目前白炽灯是显色性最好的灯具。 而 CRI 目前面临的问题在于在评价LED的颜色质量时， 参考的色块数量较少， 计算色空间及色适应的算法陈旧，以及数值与主观评价相差大等缺点，因此现今 CRI 已不适合评价 LED 光源。 2.2.2 色域面积指数（色域面积指数（GAI） GAI 最先由美国固态照明技术与系统联合会提出。色域面积指数（GAI）的提 出和颜色分辨指数（CDI）的原理相同，它们的提出都是基于这一基本原理：在待 测光源的照明下，人眼能区别颜色的能力越强，就可以表明该光源的显色性越好。 计算时，是以等能光谱照明体作为对比参照光源，GAI 数值是使用 CRI 前 8 个颜 8 色样品在待测光源和参考光源下分别测出在 CIE1976LUV 上的色域面积，二者之 比便为待测 GAI 的值。 GAI 值越大（可能大于 100），则表明在该光源下，人眼的辨色力越好。Mark S.Rea 通过主观测量以及色相棋实验得出结论，发现 CRI 与 GAI 两者结合时，对 光源下物体颜色的真实性和人眼辨色力的评价更为准确。国际上，在 2014 年举办 的固态照明生态系统峰会上，已有相关专家指出，CRI 主要是用于测量评价 LED 灯的显色性，而在色彩感知测量方面存在很大不足。因此，CRI 并不足以代表颜色 感知质量。恰在同年八月份，照明工程学会（IES）便已向当地政府提出停止使用 CRI 标准的建议。 2.2.3 照度照度 光照强度是另一光源的描述属性，它指的是受体在单位面积上所接受可见光 能量，简称照度，单位勒克斯（Lux 或 Lx）。光照强度作为物理术语，通常用于 表现光照的强弱或者物体表面积被照亮程度。物体表面被光线照射的照度 （illumination/illuminance） 通常定义为照射在该物体单位面积上的光通量。 当设面 积微元 dS 上的光通量为 d时， 该面积微元上的照度 E 为： E=d/dS ， 1 lx=1 lm/ 。当物体表面被光照射时，若一平方米表面被照射所得光通量是 1 流明时，称 此时的照度为 1 勒克斯。流明是光通量的单位。通常被用来检测光线强弱程度的 专业仪器叫做照度仪。照度也是一项重要的光源评价指标，如人工药检时，对光 源照度就有严格要求等。 2.2.4 色温色温 蜡烛的色温一般在1800K， 白炽灯在3000K， 晴天为5200K， 阳光直射下5000K， 阴天下 6500-9000K，深蓝的天空本身可以到 20000K。 色温（colo(u)r temperature）是一种描述当前光源光色特性的属性。单位为开 尔文（K）。在许多领域对色温对生产实践有着重大的影响和意义，如出版业、录 像、摄像等领域。光源色温的定义是和热黑体辐射体联系在一起相比较的。参考 普朗克黑体辐射定律，当热黑体辐射体通过改变自身温度而达到与待测光源色彩 9 相匹配时，此时热黑体辐射体的开氏温度即待测光源的色温。色温是目前描述光 源的光谱质量时最为广泛使用的指标。一般用 Tc 表示。按色温来区分时，通常我 们所说的“冷光”即指那些色温提高时，蓝辐射在能量分布中占比增加的光源； 而相对的“暖光”就是指红辐射在能量分布中占比较大的光源。生活中一些常用 光源的色温为：烛光为 1930K（开尔文温度单位）；钨丝灯为 2760-2900K；荧光 灯为 3000K；闪光灯为 3800K；中午阳光为 5600K；电子闪光灯为 6000K；蓝天为 12000-18000K。 2.2.5 亮度亮度 亮度指的是发光体表面发光时，描述反射光强弱的物理量。当人眼从某一特 定方向观察待测光源时，此方向的真实光强与测试者肉眼观测的光源面积之比， 即单位投影面积上的光强，被称为待测光源的单位亮度。亮度是人眼对光的强度 的感受，是一个主观的量。其单位是坎德拉/平方米（cd/m2）。此次实验中，光源 亮度由 hue lights 调控。 本次实验的光源参数控制方法：规定一个照度 200lux 固定不变，选定五种不 同的色温 2500K、3500K、4500K、5500K、6500K，分别调整亮度使其在灯箱内用 照度仪测得照度为 200lux，当然受软硬件条件限制，实际所得数据控制并不精确 如预计，不过误差在允许的范围内，对实验结果不造成实质的影响。 10 3 实验方案与结果3 实验方案与结果 3.1 实验设备与仪器实验设备与仪器 3.1.1 xrite Macbeth SpectraLight III 灯箱灯箱 SpectraLight III色谱光三号作为唯一具备正规检验证书，并且不同于其他 灯箱，单独使用光学滤镜来产生模拟日光的光源。收到各研究室和各大国际知名 采购商的欢迎。SpectraLight III色谱光三号适用范围极广，现在广泛应用于数 码摄影、手机制作业，以及传统的印刷行业如塑料、组织等。 SpectraLight III 产生日光模拟光源的原理是：以钨丝产生灯光，之后让光线透 过其独家专利制作的过滤镜片，最后再通过一组散射片即可获得标准日光光源。 在纠偏校准方面，由于存在灯管老化或者电源本身不稳定等不可抗因素的影响， 灯箱所发出的光源可能逐渐出现飘移。此时 Spectralight III 可以通过自动再校正而 使其产生的色温及光亮度再标准化，由此达到展现颜色的一致性。在事故防护方 面，以防万一操作人员忘记关闭电源，SpectraLightIII 自身装配有独有的安全切换 装置会在第一时间启动，程序上用低耗电的冷白光源来切换掉高耗电光源，以及 时阻断灯箱过热的潜在事故危险并有效延长灯箱灯管寿命。 SpectraLight III色谱光三号符合或超出许多个重要的国际视觉评价标准， 例如国际 ISO3664-色彩检视照明环境标准、美国 ASTM D1729-不透明物件色差视 评标准，甚至还满足不常用的 DIN，ANSI 及 BSI 标准。另外 SpectraLight III色 谱光三号自身还将孟塞尔中灰色涂饰（Munsell N7）涂在内部以防止实验时外界 其他杂光干扰，以此进一步保证色彩沟通上的准确性。 SpectraLight III色谱光三号配备的六种对色光源有： -Daylight 日光，三中任选一种 D75(7500K)北方天空日光 D65（6500K）平均北方天空日光 D50（5000K）正午天空日光 11 - Horizon 水平日光 (2300K) () - CWF 冷白荧光(4150K) 即一般店铺或者办公室照明用宽波段荧光 -A 光源(2856K)即日常家用白炽照明灯 - Ultralume 30(3000K)或 TL84(4100K) 3.1.2 飞利浦飞利浦 Personal wireless lighting Hue 无线智能系统包括 hue 灯泡，hue 桥连接、以及 hue 应用程序。灯泡技术 参数为： 表 3.1飞利浦 Personal wireless lighting 灯泡参数 3.1.3 Hue Lights 应用程序应用程序 根据经常调整灯泡色温亮度参数的实验需要，我们借助了 ipad 上安装的 hue lights 应用程序。Hue Lights 应用程序具备场景和组共享，综合调度和完善的灯光 控制功能。可同时创建多个场景并快速切换。它帮助我们在实验时可以实现硬件 和软件的结合。利用飞利浦色相系统的快速桥连接支持，我们即时手动调整光源 的色温以及亮度，满足基本实验需求的同时大大的缩短了重置参数所需时间，使 实验得以顺利高效的进行。 灯头：E27 光源类型：LED 灯泡最大功率：8.5W 标称输入电压：220V240V 600 流明的光通量相当于：48W 白炽灯 平均寿命：15000 小时 12 3.1.4 FM100 评分系统（评分系统（Farnsworth Munsell 100 Hue Scoring System） 法恩斯沃斯-孟塞尔色相测试评分软件加速和简化了 FM100 色相测试的得分。 它还提供了一套强大的分析和管理工具。结果，可根据各种算法被保存，在极性 或线性格式显示并过滤/分析。 法恩斯沃斯-孟塞尔色相测试评分软件包括用户友好的得分软件多种语言。图 形和图表可让用户一目了然确定其色彩视觉能力。为了更深入的分析，该软件包 括用于存储每个人的视觉色彩评估能力的数据库。 评分操作：打开软件 FM100Hue.exe；首先填写被测试人的姓名，年龄，工作 年限，测试时间，职业类型，批注等个人背景资料，然后点击保存（save）；最后 再点击“分析”（Analysis）按钮，即可在右侧可以看到相应实验错误得分； 图 3.1统计错误得分界面 13 图 3.2得出分析结果 3.2 实验操作过程实验操作过程 3.2.1 实验设备实验设备 本实验运用 Farnsworth-Munsell 100 色相棋作为标准实验工具，以 Macbeth Spectral X-rite 灯箱作为测试环境， 以飞利浦 Personal wireless lighting 作为实验 光源并运用 Hue Lights 应用程序将 ipad 与灯泡实现桥连接，在 iPad 端即时控制灯 泡色温亮度的变化。在数据测量与处理方面，在实验前确定光源参数时，使用照 度计测量并控制五组光源照度均为 200lux，在此基础上梯度对色温和照度进行调 整变化，在进行实验时我们运用 PR705 辐射度计测量当前光源的光谱信息，最后 实验部分结束后，我们使用配套的 FM100 评分系统来统计分析实验数据和统计结 果。 14 3.2.2 实验对象实验对象 本次实验选取 42 名（21 男 21 女）在校学生（包括本科生和研究生）作为实 验观测者，年龄阶段分布为 18-28 岁，均为无色盲色弱的健康视力人员。其中包含 色彩相关课程背景的同学。 3.2.3 实验准备实验准备 调节 Hue Lights 应用程序调节 LED 光源的色温和亮度，在控制照度 200lux 的前提下，分别调整五种色温2500K、3500K、4500K、5500K、6500K，另外 每隔 2 分钟需要测量一次光源至十分钟，以保证光源稳定性。设备方面需要通过 PR705 采集各组光源的光谱信息，光源放在灯箱顶部中央，之后将辐射度计放置 在垂直距离白板 40cm 的位置，测量 45角的照明和观察条件数据，依次分别得到 各光源光谱功率分布（图 3.3）以及标称色温、实际色温、照度和显色指数等相关 信息，如表 3.2 所示。 表 3.2试验用光源相关信息 编号标称色温（K） 实际色温（K） 平均照度（lx） 一般显色指数 特殊显色指数 均值 A2500K 2445 20090.859.59 B3500K 3451 20088.963.22 C4500K 4471 2008468.45 D5500K 5538 20280.576.63 E6500K 6637 20078.784.4 15 图 3.3光源相对光谱功率分布 3.2.4 实验步骤实验步骤 （1）实验者到位后，首先完成事先准备好的好的背景资料调查问卷，以便进行二 次分析，然后使其眼睛在暗室中进行暗适应，时间为 10-20 分钟即可，同时向其讲 明实验流程； （2）打乱四个盒子的色相棋顺序，分别放到盒子旁边，待实验者排序； （3）通过 Hue Lights 应用程序随机选一色温，待光源稳定后让测试者在测试位置 适应 2 分钟，适应完成后让测试者将分盒子打乱顺序的色相棋分别按自己所见的 色彩渐变顺序依次排好（图 3.4），完成一个盒子大约 2 分钟，一个光源下完整排 序约 10 分钟，排序完成之后，实验者翻过四个盒子，拍照记下排序后色相棋背后 的数字顺序（提醒测试者控制时间，以防控制变量的时间方面不统一影响实验结 果的准确性）； （4）随机调整另一光源，重复步骤 2、3，整个实验全部完成约需一小时； （5）当五种光源下色相棋排序全部完成后，实验者将每种光源下实验所得色相棋 顺序背后颜色序数手动输入到配套软件中，由软件自动计算生成测试者错误得分 以及平均根和极区图等统计数据。截图软件结果并将具体数据输出 txt 文本，便于 后续分析； （6）本次实验中，一个测试者测得有 5*4 组测试数据，共 50 人，剔除 8 个实验 16 错误以及误差偏离过大的实验者数据，最后计入结果的总有 42*5*4=840 组数据。 图 3.4测试者试验图 3.2.5 数据输入数据输入 打开 FM100hue 评分软件， 先预设值分析所需得到的参数， 录入测试者个人信 息以便建立数据库，之后手动通过两辆交换色相棋位置来记录每一次实验的错误 情况，点击“分析”之后即可自动分析得出所需数据，截屏此时的分析结果保存 成相应的文件名，最后输出分数在记事本上；将输出的得分统计填入到 excel 表格 上以便横向比较。计分原理：本实验只需要得出相对误差，故以 D50 标准光源下 色相棋两两之间的色差值之和 S1 为标准，每组 LED 光源下色相棋间的色差为 SCCT，则出错率=（SCCT- S1）/ S1 ，出错率越大，说明辨色力越弱。 3.3 实验结论实验结论 3.3.1 光源色温与评价指标与辨色力的关系光源色温与评价指标与辨色力的关系 某一色相棋与相邻两色相棋序号差的绝对值之和减去 2，得出每个棋子的得 分，再进行求和为总得分，得分越高，说明出错越多，辨别相邻颜色越困难。 如下图 3.5 所示，曲线表示的是色温与 CRI 和 GAI 与软件统计的错误得分之间的 关系。由折线图中我们可以看出：当色温不太高（此次实验中低于 5500K）时， 错误得分随着色温增加而减小，即此范围内辨色力随色温增加有所提高，但超过 5500K（本实验中增加到 6500K）时，我们发现错误得分开始增大，即辨色力开始 17 下降。而颜色评价指标方面，由图我们也可以看出，随着光源色温的逐渐增加， 显色指数 CRI 呈一路减小的趋势，而色域面积指数 GAI 数值则均减小，而总错误 得分呈现下降趋势，即如前面所分析，随着光源色温增加，辨色力基本逐渐增加， 因此我们可以有力的说明，显色指数 CRI 并不能正确的描述 LED 灯源色温对辨色 力的影响趋势，而 GAI 能较好的反映二者的关系。因此今后再进行相关分析时， 应该讲 GAI 与 CRI 结合考虑，才能得到正确的实验结论。 图 3.5评价指标与光源辨色力的关系 3.3.2 不同颜色区域与光源辨色力的关系不同颜色区域与光源辨色力的关系 图 3.6 同样以色温为横坐标，以错误得分为纵坐标，以折线图的形式统计展现 了在不同颜色区域上， 光源色温对辨色力的影响。 如图 3.6 所示： 当色温低于 5500K 时，四盒色相棋的错误得分均随着色温增加而下降，这说明在不同色域上辨色力 均随色温增加而增加，而超过 5500K 至 6500K 区间，2、3、4 盒子的错误得分有 小幅增加，这说明在色温大于 5500K 时，辨色力开始显现下降趋势。总体上看， 在各个色域上，5500K 色温光源下辨色力均最佳，这和 3.5 得到的结论是一致的。 18 另一方面我们发现，在 5 种光源下，均是排列黄绿色区域色相棋（BOX2）时的错 误得分最高，蓝绿色区域（BOX3）错误得分次高，据此我们可以得出人眼辨色力 在绿色周围颜色区域表现最差，究其原因，是因为绿色色域的宽容度最小，以至 于绿色区域人员的可分辨范围最小。 图 3.6不同颜色区域与光源辨色力的关系 3.3.3 性别与光源辨色力的关系性别与光源辨色力的关系 表 3.3 通过光源色温与错误得分与均方根的关系探究了性别差异对人眼辨色 力的影响。根据表 3.3 罗列的数据我们得出结论：同种光源下，错误得分上男性明 显高于女性，这说明男性辨色力普遍低于女性。就两种性别各自单独分析时我们 发现辨色力随色温变化的现象也略有不同。男性在 5500K 时错误得分最低，而女 性在 6500K 时错误得分最低。这表明男性辨色力最佳表现色温为 5500K，而女性 辨色力最佳表现色温为 6500K。性别差异表现出了很明显的影响。值得注意的是， 在 5500K 时，两性的错误得分最相近，此时二者辨色力都处于表现良好的状态。 19 表 3.3性别与光源辨色力的关系 3.3.4 实验结论实验结论 一般来说，LED 光源色温对正常人的辨色力均存在一定程度上的影响，具体 表现为：当色温低于 5500K 时，随着色温增加，辨色力也有所增加，而色温继续 增加到一定程度时（本实验结论为 5500K）辨色力开始下降。本文选取的五组色 温中，色温为 5500K 时，人眼的辨色力最好。 显色指数 CRI 与辨色力成反比例关系，色域面积指数 GAI 与辨色力成正比例 关系，即 CRI 不能很好的评价 LED 光源的辨色力，而应该与 GAI 相结合。 对于同一色温的 LED 光源， 人眼在不同颜色区域的颜色辨别能力存在差异性， 红黄色和紫红色区域的辨别力相对黄绿色和蓝绿色区域的辨别力更好。 男女之间的辨色力也存在差异，在不同色温下普遍来讲，女性的辨色力由于男性， 且男女在不同色温下的辨色力表现不同。女性测试者在 6500K 时辨色力最好；对 于男性测试者，在 5500K 时辨色力最好。 3.3.5 理论论证理论论证 自然界的光线不总是相同的。人眼可感知到一个物体的颜色是由于有光源照 射到物体再反射到人眼。蜡烛的色温一般在 1800K，白炽灯在 3000K，晴天为 5200K，阳光直射下 5000K，阴天下 6500-9000K，深蓝的天空本身可以到 20000K。 色温这一光源质量评价指标只用来描述光源的光谱成分偏向，而通常不能描 述发光强度。光源色温高，即光谱中短波成分多一些，光偏蓝绿色；光源色温低， 女男 总分均方根总分均方根 2500K97.99.78110.110.27 3500K57.057.4567.627.95 4500K39.246.0451.716.75 5500K35.625.5537.335.77 6500K34.865.5545.336.45 20 即光谱中长波的成分多一些，光偏红黄色。虽然光源色温和我们平时感知到的光 源明暗度并不是一个概念，但是光源色温改变时，通常其对比度和明暗度均会发 生相应变化。光源色温虽然与明暗度不是一个概念，但色温高低直接影响明暗度 与对比度。与此同时，光源色温的高低也直接影响着人眼对于光色的感受。人眼 对事物颜色的感知其实是圆柱细胞和圆锥细胞两种感光细胞进行光化学反应所产 生的，并辅以人类发展过程中积累下来的心理反应的影响。由此我们可以理解为 什么人类的视觉器官一直习惯于日光，因为人类在几百万年的进化过程中一直是 一种昼间“动物”。而在进化的过程中里又发现了火这种给人类带来极大便利的 工具，因此现今的人眼也比较习惯于火光这种光源。 另外色温和亮度可以直接改变人类的心理感受：例如在色温较高但亮度不高 的光源照射下，人们便会感受到阴天的氛围；而在色温较低但亮度过高的光源照 射下，人们便会产生闷热感。 通过以上色温理论知识和一些涉及人心理层面的了解，我们可以进一步对本 次实验结果的成因进行合理猜想，例如之所以 5500K 色温下人们辨色力最佳很可 能是由于此色温最接近直射日光的色温，而人类本身在长期的进化过程中最适应 日光照射，因此可以想见，在 5500K 色温光照下，人眼包括辨色力在内的各项机 能应该表现最佳，而相反的，当处于 2500K 时，人眼正接受最不常接受的光线刺 激，人眼的机能表现不佳在情理之中，而且此时光线较为昏暗，容易给心理造成 消极的影响，这种情况下也应考虑这种心理影响现象。这种理论分析与此次实验 得到的结果完全一致。还有一点值得提出的是，实验发现，当把最昏暗的 2500K 光源放到最后一组测试时，错误率大大高出平均值，这说明 2500K 光源与焦虑的 心理状态有正向叠加效应，进一步说明辨色力的表现确实会受到心理状态的干扰。 21 4 总结与展望4 总结与展望 4.1 实验总结实验总结 视觉是人类从外界获取信息的第一大途径，而与其他线条、形状等较为抽象 的元素相比，色彩以其相对具象的方式大面积的向我们传达最直观的信息与印象。 色彩种类繁多且无处不在，而且总是最大面积的充斥我们的眼球，因此色彩也是 最重要的视觉元素之一，能够正确精准的接收辨别这些色彩，对我们的正常生活、 工作、学习乃至人身安全都是至关重要的。因此从人体生物学开始系统化之后， 学者们就开始对人眼以及辨色力进行孜孜不倦的探寻，而自从美国画家孟塞尔 （Albert Henry Munsell, 18581918） 于 1915 年创建了用颜色立体模型方法表示的 孟塞尔表示系统之后，色彩研究更是建立了系统化、规范化的新标准，尤其便于 应用到实验当中。因此本毕业设计就以 FM100HUE 实验入手，通过再现这个经典 实验，结合学校的软硬件环境条件，以及在校生资源，以研究光源色温对辨色力 的影响为主题，设计了从测试者背景资料收集到实验目的及期望获得数据，再到 进一步设计细化具体实验步骤，预先测试试验流程反复修改不足之处，最后召集 42 名色觉正常的在校学生作为实验对象，历时两周多的时间完成实验主体，再利 用两周左右时间录入测得初始实验数据进行评分，再根据测试者的背景资料进行 个体差异性的二次分析，最终得出结论以及撰写实验报告。结合实验目的，本次 实验得出的结论主要有以下四点： （1）LED 光源色温为 5500K 时，测试者的辨色力最好； 总体来看，当色温不太高（此次实验中低于 5500K）时，错误得分随着色温 增加而减小，即此范围内辨色力随色温增加有所提高，但超过 5500K（本实验中 增加到 6500K）时，我们发现错误得分开始增大，即辨色力开始下降。从不同色 域分析，我们得出结论：在不同颜色区域上，当色温低于 5500K 时，四盒色相棋 的错误得分均随着色温增加而下降，这说明在不同色域上辨色力均随色温增加而 增加，而超过 5500K 至 6500K 区间，2、3、4 盒子的错误得分有小幅增加，这说 明在色温大于 5500K 时，辨色力开始显现下降趋势。总体上看，在各个色域上， 22 5500K 色温光源下辨色力均最佳。 （2）CRI 与 GAI 相结合能更好的评价光源的辨色力； 实验数据表明：随着光源色温的逐渐增加，显色指数 CRI 呈一路减小的趋势， 而色域面积指数 GAI 数值则均减小，而总错误得分呈现下降趋势，即如前面所分 析，随着光源色温增加，辨色力基本逐渐增加，因此我们可以有力的说明，显色 指数 CRI 并不能正确的描述 LED 灯源色温对辨色力的影响趋势， 而 GAI 能较好的 反映二者的关系。因此今后再进行相关分析时，应该讲 GAI 与 CRI 结合考虑，才 能得到正确的实验结论。 （3）人眼分辨黄绿色及蓝绿色区域颜色的能力较差； 根据实验数据可以看出： 在 5 种光源下， 均是排列黄绿色区域色相棋 （BOX2） 时的错误得分最高，蓝绿色区域（BOX3）错误得分次高，据此我们可以得出人眼 辨色力在绿色周围颜色区域表现最差，究其原因，是因为绿色色域的宽容度最小， 以至于绿色区域人员的可分辨范围最小。 （4）女性的辨色力优于男性。 对实验数据结合测试者资料进行二次分析容易看出：同种光源下，错误得分 上男性明显高于女性，这说明男性辨色力普遍低于女性。就两种性别各自单独分 析时我们发现辨色力随色温变化的现象也略有不同。男性在 5500K 时错误得分最 低，而女性在 6500K 时错误得分最低。这表明男性辨色力最佳表现色温为 5500K， 而女性辨色力最佳表现色温为 6500K。性别差异表现出了很明显的影响。值得注 意的是，在 5500K 时，两性的错误得分最相近，此时二者辨色力都处于表现良好 的状态。 4.2 未来展望未来展望 辨色力的相关研究不仅是全人类发展中的一项重大课题，特别是在诸多体制 系统还未完善的我国更是重中之重。从升学与就业的角度来看，现在有诸多专业 和对口职业不录取不聘用全色盲、色盲或者色弱人士，这是社会各行各业发展的 硬性需求；从安全角度考虑，首先各类交通运输的驾驶员及相关从业人员对辨色 力有着一定要求，甚至普通民众对于日常生活中的各类警示标志也应该保持良好 23 的接受能力；再者各类日常服务类事物也对不同颜色的效果有着诸多利用。但是 就当前的社会观察而言，我们不难看出在辨色力标准化检测方面，社会规范性十 分不全面。大多数检测仅限于学生升学时或者驾驶员考试时才会接触到，而且据 许多人反映，这些检测更多只是象征性的，并不十分严谨。因此结合此次实验的 研究方向，我认为我们应该多挖掘辨色力方面的大数据以及应用意义。这样一方 面需求拉动要求，可以敦促辨色力检测规范化，系统化并且提高时效性，这对于 保障社会安全与维护良好的社会秩序都有重大的意义；另一方面，通过更清晰的 了解我国公民辨色力现状，可以更好的设计公众基础设施和服务产品，帮助辨色 力不佳的人们也能正常的享受生活。 24 致谢致谢 其实在写完论文之前就已经感觉到毕业的节奏越来越近了，不舍得的事情太 多，珞珈山的四年，给了我所有的一切，有梦想有友情。如果说之前选择印刷工 程是阴差阳错，那么四年的学习带给我的远远不止是一个学位证那么简单。在这 段时间里，我系统的学习了色彩和印刷适应性方面的知识，也在最后的毕业设计 中选择了自己尤为感兴趣的色彩方面相关的课题，使我对整个学科有了更深入的 了解。当然，完成了这份毕业之前交给母校的最后一份答卷，我的心情是十分复 杂的，这说明我的大学四年学习生涯真的画上了句点，这令我由衷的感到不舍， 但是回头看看这四年走过的路在此时到达了一个所谓的“终点”，我也深深的感 受到了一种完成的喜悦，让我在这个感伤的毕业季，始终能够保持挂在脸上的微 笑。 在大学四年的生活和论文的整个撰写过程中，我有幸得到了很多人