1 顯色指數(shù)與光源顏色質(zhì)量評(píng)價(jià)

如今人們對(duì)室內(nèi)照明質(zhì)量的要求越來(lái)越高，照明評(píng)價(jià)也從過(guò)去以照度為主要指標(biāo)，向基于舒適性的綜合評(píng)價(jià)發(fā)展。其中光源的顏色質(zhì)量(color quality)是決定室內(nèi)照明效果的重要指標(biāo)之一。

1.1 顯色指數(shù)(CRI)存在的缺陷

在過(guò)去數(shù)十年，國(guó)際照明學(xué)會(huì)(CIE)制定的顯色指數(shù)(CRI)是最常用的評(píng)價(jià)顏色質(zhì)量的指數(shù)。但隨著新光源的出現(xiàn)和研究的深入，其存在的問(wèn)題也日益凸顯。

根據(jù)CIE對(duì)于顯色性(colorrendering)的定義，它是指與參考照明體下的色表相比較，一個(gè)光源對(duì)于物體的色表產(chǎn)生的效果。用于評(píng)價(jià)的指數(shù)即顯色指數(shù)CRI( Color RenderingIndex)。

美國(guó)、匈牙利、法國(guó)等研究者均發(fā)現(xiàn)，CRI在用于評(píng)價(jià)光源，尤其是LED的顯色性時(shí)，存在許多問(wèn)題，如色空間不均勻、顏色樣品數(shù)量少且飽和度過(guò)低等。不僅如此，用光源的顯色性來(lái)評(píng)價(jià)顏色質(zhì)量本身存在著問(wèn)題。

根據(jù)顯色性的定義，其評(píng)價(jià)的是光源對(duì)于物體在參考照明體下的顏色還原性(color fidelity) ，所以不管物體的色表往什么方向偏離，顯色指數(shù)都會(huì)降低。

但實(shí)際運(yùn)用中，如果光源使顏色飽和度增加，可以提高視覺(jué)清晰度和視亮度，所以單純用顯色指數(shù)來(lái)評(píng)判光源顏色質(zhì)量是不全面的。

基于以上考慮，CIE在2007年的技術(shù)報(bào)告中明確提出： 目前的顯色指數(shù)CRI不能有效反映包括白光LED在內(nèi)的白光照明光源的顯色性優(yōu)劣。

1.2 新的光源顏色質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的形成

為了修正CRI的一些問(wèn)題，美國(guó)NIST的Wendy Davis 和Yoshi Ohno開(kāi)發(fā)了一套新的評(píng)價(jià)系統(tǒng)CQS (Color Quality Scale)。但該系統(tǒng)主要基于數(shù)學(xué)計(jì)算開(kāi)發(fā)，其可靠性仍有待更多的視覺(jué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。例如Nicola Pousset等人將其顏色偏好度實(shí)驗(yàn)結(jié)果與各光源的CQS值進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CQS 值在反映真實(shí)顏色質(zhì)量上不盡人意。

要全面地評(píng)價(jià)光源的顏色質(zhì)量，需要考慮很多因素，如顏色還原性，色調(diào)的區(qū)分度(hue discrimination) ，顏色鮮艷度(vividness)，人們對(duì)顏色的偏好度(preference)，視覺(jué)清晰度(visual clarity)，視覺(jué)舒適度等等。

目前為止國(guó)際上未形成統(tǒng)一的光源顏色質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，但有一點(diǎn)可以肯定：決定光源顏色質(zhì)量的是人的視覺(jué)感受。

因此，我們需要基于大量的視覺(jué)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定該評(píng)價(jià)體系。

目前的研究主要采用的方法可歸納為：

保持桌面照度或視線方向亮度相同;

并保證各待測(cè)光源具有接近的色溫或色坐標(biāo);

被試進(jìn)行的視覺(jué)任務(wù)主要有：

考察顏色還原性(即顯色)的色差評(píng)價(jià);

考察偏好度、鮮艷度、協(xié)調(diào)度等的主觀評(píng)分;

考察顏色區(qū)分度的辨色實(shí)驗(yàn)。

但目前大多研究均為視覺(jué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與顯色指數(shù)CRI的比較，并已獲得明確結(jié)論，對(duì)于CQS體系的驗(yàn)證僅含顏色偏好度，不含顏色還原性等其他方面的研究，因此還有待完善。此外，大部分視覺(jué)實(shí)驗(yàn)針對(duì)歐洲人群，由于東西方人群的顏色偏好差異，其結(jié)果未必適用于亞洲人。

因此，本實(shí)驗(yàn)對(duì)光源的CRI和CQS均進(jìn)行了計(jì)算，并基于視覺(jué)實(shí)驗(yàn)考量了顏色還原性和顏色偏好度兩方面特性，以期在CQS系統(tǒng)的可靠性驗(yàn)證方面作出完善，并為顏色質(zhì)量評(píng)價(jià)的視覺(jué)實(shí)驗(yàn)補(bǔ)充亞洲人樣本。

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)選取了5種光源，其中2種鹵素?zé)簟?種LED和1種緊湊型熒光燈(CFL) ，均為市場(chǎng)上的高端產(chǎn)品，其中鹵素?zé)糇鳛橄嗤珳叵碌膮⒖脊庠础?/p>

光源基本信息見(jiàn)表1，按照色溫將5種光源分為6500K組與5000K組兩組進(jìn)行，分開(kāi)進(jìn)行視覺(jué)實(shí)驗(yàn)。

首先采集了各光源的相對(duì)光譜功率分布，見(jiàn)圖1、圖2，光譜采集儀器為STC3000光譜儀，然后基于光譜計(jì)算了CRI和CQS兩類指數(shù)。

視覺(jué)實(shí)驗(yàn)在一暗室內(nèi)進(jìn)行，制成兩個(gè)獨(dú)立的隔間，如圖3所示。隔間頂部安裝有光源，不產(chǎn)生眩光，均勻照射在桌面上，兩隔間桌面平均照度均為500lx。

實(shí)驗(yàn)采用被試者內(nèi)設(shè)計(jì)(within-subjects design)的方法，選取10名被試，其中5男5女，年齡為20至24歲，均具有正常的視力或矯正視力，且經(jīng)過(guò)篩選，無(wú)色盲等其他眼疾。

利用抵消實(shí)驗(yàn)條件的設(shè)計(jì)(reversal experimental condition design) ，每位被試均參與所有實(shí)驗(yàn)條件下的三組實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

第一項(xiàng)為色差的評(píng)分。實(shí)驗(yàn)采用的MCC色卡是CIE規(guī)定的用以比較待測(cè)光源與參考光源色差的標(biāo)準(zhǔn)方法。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在兩個(gè)隔間桌面上分別放置MCC 色卡，隔間一邊放置待測(cè)光源(CFL或LED) ，另一邊放置相同色溫的鹵素?zé)糇鳛閰⒖脊庠?，令被試觀察兩套色卡中的24 對(duì)顏色樣品，并對(duì)每一對(duì)的色差進(jìn)行打分。

打分的規(guī)則是，首先將色差感受歸入VS(very small，非常小)，S(small，較小)，M(medium，中等)，L(large，大)，VL(very large，很大)五個(gè)大類(表2)，然后再進(jìn)行5個(gè)等級(jí)的細(xì)分，最后以諸如VS4，L2的形式表示。

為便于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)過(guò)過(guò)時(shí)將得分轉(zhuǎn)換為末尾行1～25的數(shù)字。

三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)均為偏好度的評(píng)價(jià)。隔間內(nèi)放置了仿真花朵和水果，便于被試觀察并作出判斷。

其中第二項(xiàng)為對(duì)各個(gè)光源的單獨(dú)評(píng)分， 包括從0(非常不喜歡) 到100(非常喜歡)的評(píng)分，和從1(非常不喜歡)到5(非常喜歡) 的評(píng)分。

第三項(xiàng)為兩兩比較，令被試選出更喜歡的光源編號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

表3顯示了各個(gè)光源的CRI 和CQS計(jì)算值。對(duì)于顯色指數(shù)CRI，除了計(jì)算了一般顯色指數(shù)(Ra)，還計(jì)算了4個(gè)高飽和度特殊顯色指數(shù)的平均值R(9～12)，另外還單獨(dú)列出了9號(hào)樣品的特殊顯色指數(shù)R9，因?yàn)镽9是高飽和度紅色樣品，而目前LED往往在紅色區(qū)域的顯色性較差。

由表可見(jiàn)，由于9號(hào)樣品在5號(hào)光源下產(chǎn)生過(guò)大的色差，R9 呈現(xiàn)了負(fù)值。這也正證明了CRI指數(shù)存在問(wèn)題。CQS的計(jì)算值里包括了Qa，Qp，Qf 三種。

CRI中存在的一個(gè)問(wèn)題是把有益于視亮度增加的飽和度增加也作為色差，引起CRI值的降低，因此Qa計(jì)算中將由飽和度增加引起的色差去除在外，而Qf(fidelity)則完全依照顯色性的顏色還原性這一定義，未剔除此類色差，而Qp(preference)則從偏好度角度考慮，鑒于增加飽和度可以提高偏好度，所以飽和度增加引起的色差不但不減小分?jǐn)?shù)，反而額外增加分?jǐn)?shù)。

因此從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，三個(gè)CQS值不盡相同，1，2，3，4 號(hào)光源從整體上看都使顏色樣品的飽和度在不同程度上有所增加。

3. 2 視覺(jué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

24個(gè)顏色樣品在不同光源(2號(hào)6500KLED，3號(hào)6500K CFL，5號(hào)5000K LED)與對(duì)應(yīng)的參考光源(同色溫的鹵素?zé)?下的色差得分結(jié)果如圖4所示。

方差分析(ANOVA)顯示，對(duì)其中8個(gè)樣品，三種光源在0.05的顯著水平下有顯著差異(見(jiàn)表4)。通過(guò)進(jìn)一步的兩兩比較得到各光源在一些顏色樣品下的還原性優(yōu)劣(見(jiàn)圖5)：

(1)對(duì)于樣品4，11，16，2號(hào)( 6500K LED)優(yōu)于3號(hào)( 6500KCFL) ;

(2)對(duì)于樣品7，18，3號(hào)(6500K CFL)優(yōu)于2號(hào)(6500K LED) ;

(3)對(duì)于樣品1，2，4，16，21，2號(hào)(6500K LED)優(yōu)于5號(hào)(5000KLED) ;

(4)對(duì)于樣品1，2，7，18，3號(hào)(6500KCFL)優(yōu)于5號(hào)(5000K LED)。

由此可見(jiàn)，對(duì)于不同顏色樣品，三種光源(6500KLED;6500K CFL;5000K LED)在顯色性能上各有利弊，顯色指數(shù)高的CFL，未顯示出特別優(yōu)勢(shì)。

3. 3 視覺(jué)實(shí)驗(yàn)與CRI、CQS計(jì)算值的比較

關(guān)于顏色還原性，基于顯色指數(shù)CRI和美國(guó)NIST提出的CQS指數(shù)的計(jì)算，6500K和5000K的LED樣品比6500K熒光燈樣品的顯色性(顏色還原性)差，但基于顏色樣品色差評(píng)價(jià)的視覺(jué)實(shí)驗(yàn)，該熒光燈樣品較LED未見(jiàn)明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)于不同顏色的樣品，它們的還原性各有利弊。

人們對(duì)各樣品的偏好度更是與CRI和CQS大相徑庭。其中，對(duì)飽和度因素進(jìn)行補(bǔ)償?shù)腝p的計(jì)算值與Qa有所區(qū)別，但是仍然與實(shí)際的偏好度不符合。具有很高的CRI和CQS值的6500K鹵素?zé)舴炊韧珳氐臒晒鉄?、LED偏好度低。

可能的原因是，熒光燈和LED的光譜具有一些峰值，提高了一些顏色的飽和度，使顏色更鮮艷，物體更清晰。

4 結(jié)論

(1)顯色指數(shù)CRI無(wú)法反映光源顯色性(即對(duì)被照物體的顏色還原性)的實(shí)際情況，更不能用以評(píng)價(jià)人們的偏好度;

(2)針對(duì)本次測(cè)試的樣品，CQS指數(shù)與顯色指數(shù)CRI計(jì)算值接近，在評(píng)價(jià)光源顏色質(zhì)量的準(zhǔn)確性上，與CRI相比未見(jiàn)優(yōu)勢(shì)。若CQS要取代CRI成為新的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)體系，仍有待進(jìn)一步的完善，提高其普適性;

(3)光源的顏色質(zhì)量是一項(xiàng)綜合性的評(píng)價(jià)，需考慮顯色性、偏好度等多種因素;

(4)LED在提高某些顏色飽和度、從而增加人們偏好度方面有一定優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際應(yīng)用中可加以利用，如在商業(yè)照明中，提供白光普通照明的同時(shí)，在照明藍(lán)色、黃綠色商品時(shí)，可增加其顏色飽和度，以提高商品吸引力。