led组合型光源显色指数的讨论

led组合型光源显色指数的讨论

在上一节，作者讨论了cri显示颜色指数的含义以及如何测量其颜色指数（见本杂志2010年第11期第8页第11页）。在这篇文章的结尾，作者简要讨论了通过颜色参考cqs评估彩色交替光源的颜色。这里没有好的测量基准，它引入了“颜色指数cqs”的概念。继续讨论cri和cqs的相关知识。1led色点的选择回顾前文所述,CRI值是基于光源对8块标准色样的显色性而得到。8个颜色相对而言都是非饱和色,它们用于衡量光谱连续且频带较宽的光源的显色性是相当不错的,而对于波形陡峭、频带狭窄的光谱而言可能会产生问题。如果一个RGB组合光源对非饱和色的显色性很好,即使它对饱和色的显色性很差,仍然能获得很高的CRI值。另一问题是,综合显色指数(或称一般显色指数)CRI值只是简单地对8块色样的特殊显色指数(光源对某一块色样的CRI值称为特殊显色指数)取算术平均值。那么,即使光源对其中的一块或两块色样的显色性很差,它还是有可能获得一个高的CRI值。因此,就RGBLED组合光源而言,对其R、G、B三色波长的精挑细选,以及了解它们与8块色样的匹配程度至关重要。即使LED光源辐射出的光谱有几纳米的差别,都有可能引发CRI值在70~90之间波动,这是纯粹人为因素造成的波动,与测量技术的局限密切相关,结果往往引起误导。这些RGBLED组合光源在人眼看来可能是类似的,但它们的CRI值却不尽相同。这一问题也使得某些制造商会仔细选取那些能获得较高CRI值的LED波长,以提高其产品的CRI值。图1、图2展示了一个RGBLED组合光源的光谱分布与测得的颜色坐标点(简称色点),我们把这个组合光源称为RGB1,它的LED波长集中在460nm、540nm与605nm附近。在相关色温(CCT)为3300K时,这个组合光源的CRI值为81,一般认为这样的值已经很不错了。然而,通过图2可以发现,这个光源对高饱和度红色与紫色的显色性非常差,相应色点相对参照色点向相应色域内移动(简称内移);同时,高饱和度的蓝色则表现过度浓艳,其色点向蓝色色域外移动了(简称外移)。图2中的蓝线是参考值,而红线是色样在被测光源下得到的计算结果。如果光源非常理想的话,红线与蓝线应该重合。略微移动一下RGB1的LED波长,使其集中在455nm、534nm与616nm附近,我们把这个组合光源称为RGB2,如图3、图4所示。细微的改变导致CRI值降至67,这是一个大部分人都认为不可接受的数值。然而,仔细地看一下图4就可知道,事实上大部分颜色的显色性比显色指数81的RGB1的要好,颜色位移量最大的是红色与绿色色域,它们都向外移动了,同时色域中没有任何一个颜色向内移动。大部分人宁可选择这个光源,尽管它的CRI值偏低。对于像LED这样的窄频带光源,色点外移的现象非常普遍,这可能会给有色物体增添一份类似卡通或超现实的外貌。但就个人而言,笔者并不喜欢这种现象,尽管色点外移比色点内移明显要好一些。实际上,对于在大多数情况下追求颜色保真度的演艺灯光而言,色点外移同色点内移一样,同样会带来许多问题。2cqs色样的测量在认识到CRI的问题之后,NIST(NationalInstituteofStandardsandTechnology,美国国家标准与技术研究所)正致力于研究用于测量与报告显色性的一种新的方法——色质指数(ColorQualityScale,缩写为CQS)。它的目标是既要保留CRI“使用测验色法并与现实世界直接关联”的优点,同时还要重点解决标准色样的选择与计算方法等方面的不足。在研究CQS时,研究者确定了一个重要的原则——新的计量标准继续以单个数据的形式报告结果。虽然这样做必然导致在结果精确度上的让步,但是保持CQS与易于理解、众所周知的CRI之间的联系更为重要。使用CQS度量标准的目的就是要把大量的信息浓缩成易操作的、实用的信息。大多数用户可能只具备极其有限的色度学知识,以单个数据的形式作为最终结果,正是为了能让尽可能多的用户使用。在日常工作、生活中,我们对很多单数据的精确含义与测量方法一无所知,但这些单数据便于计量和使用,比如鞋子的尺码、汽油的辛烷值与无线电台的频率等。虽然很多人并不清楚那些数据是如何得来的,但是这些数据非常实用,可以帮助我们树立数量等级的基本概念,认识数据与实际生活的关系,比如,脚越大,所需鞋子的尺码越大。与CRI类似,CQS也采用了测验色法。也就是说,通过被测光源与参考光源照射同一套标准色样,计算出它们之间的色差。如上所述,CRI色样的颜色相对而言都是非饱和色,因此,测验可能会掩盖光源对饱和度更高的颜色的显色性问题。通过大量的计算测试,NIST已证实如下结论:即使光源对非饱和色的显色性好,它对饱和色的显色性可能会很差,但反过来是不对的。也就是说,不存在这样的光源光谱,它对饱和色的显色性好,而对非饱和色的显色性不好。这个重要结论表明:只要使用一些饱和色作为一套新的颜色样品,对显色性的测量就能做到万无一失。因此,CQS选取了15种饱和色,它们平均分布于整个可见光谱中。把图5中的CQS色样与CRI色样(见上期第8页图1)相比较,可以看到CQS色样的颜色要比常用的CRI色样(TCS01~TCS08)的颜色的饱和度高得多。图6展示了整套CQS色样及其光谱分布。所有15块CQS色样都选自标准孟塞尔颜色样品,但就CRI而言,其实没有必要使用它们。计算CQS值所需的一切数据都可以从光源的光谱与色样的颜色属性中推导出来。虽然对15块色样的颜色位移量的初始计算与对CRI色样的计算相似,但是如何处理这些数据以得到最终的CQS值,它们之间还是存在着许多显著的不同。笔者在前面提到,就CRI而言,简单地对8个特殊显色指数取算术平均值(通过8对色样的色差得到8个特殊显色指数,色差是其根本)会得到一个非常高的CRI值,即使其中有一对或两对色样之间的色差很大。而CQS是取15个数据的均方根值,即将n个值的平方和除以n后再开平方的结果,可避免上述问题。取算术平均值之前先对每个数据进行平方,这样一来色差的权重得到了增强,确保了色样间仅有的一些较大的色差,也将对最终结果产生重大影响。当然,在计算方法上还有一些其他方面的改进,但这些内容超出了本文的范围,暂不论述。无论如何,笔者相信最后得到的结果非常适合演艺行业使用,它提供了一种用来衡量一个光源显色性的真正有效的度量标准,它既适用于人眼也适用于电视或电影摄像机。3cqs的度量标准看一下真实光源的CQS值,以明白它与CRI之间是如何一比高下的。图7展示了白炽灯与参考光源下色样的外貌。我们会惊奇地发现,白炽灯的CQS值不是100而是98。通常白炽灯中的蓝色光谱略微不足,因此,一盏真实的白炽灯并不等同于一个理想的黑体辐射体,然而CQS能够识别并报告这些信息。图8展示了汞灯与参考光源下色样的外貌。在整个光谱范围内颜色位移量都很大,尤其是在蓝色与黄色色域中。正如预料的那样,CQS值为46,相当差。那么,前文提到的那两盏假设的LED的情况会怎样?如果我们采用CQS这个度量标准来取代CRI,那么它们之间的差异如何?我们之前假设的RGB1灯,其CRI值为81,它对一些色域中颜色的显色性很差;而RGB2灯的CRI值为67,它对许多色域中颜色的显色性都非常不错。通过计算得到RGB1与RGB2的CQS值分别为75与79。图9展示了RGB2下CQS色样的外貌,可以看到红色、琥珀色与绿色的色点都向外移动了,或者说它们的饱和度都提高了。正如预料的那样,RGB1与RGB2两者的CQS值比CRI值要更接近,并且CQS对RGB1就小范围内显色性较差的情况做出了合理“处罚”。这是一个更受认可、更具代表性的结果。然而,CQS并不是完美无缺的。由于比起色点内移来说,人们对色点外移的讨厌程度通常要小一些,CQS计算方法中考虑到了这个情况,因此,对因色点外移而引起的色差的“处罚”相对要少一些。有时候这一做法也确实符合演艺灯光这个行业,但是笔者认为如果色点老是向外移动也是不能接受的,它总会引起色相上的相关误差。因此,需要在度量标准中体现出对色点外移的“处罚”。幸运的是,CQS给出了解决办法。4cqs计量参数的确定虽然先前提到CQS只报告单一数值,但NIST承认某些应用领域需要光源在显色性方面的更详尽的信息,笔者认为演艺灯光也是其中之一。舞台艺术需要设计师以一种富有创造力的、一丝不苟的态度大量运用色彩,所以,在许多设计师眼中颜色的准确度至关重要。CQS还给予有识别能力的用户许多额外的指标,笔者认为有一个指标与我们行业密切相关——色保真度(ColorFidelityScale)。色保真度是用来评价物体颜色外貌的保真度的参数。与CQS的计算方法不同,它不再对色点外移现象给予“宽容”,严格地同等对待各种色点位移现象。就我们假设的RGB1和RGB2而言,RGB1的色保真度仍为75;而RGB2(色点外移的那盏LED)的色保真度则降至71。这些数值比CRI值更好地反映出人眼所看到的窄波段光源的真实情况,并且,在将这