led組合型光源顯色指數(shù)的討論

led組合型光源顯色指數(shù)的討論

在上一節(jié)，作者討論了cri顯示顏色指數(shù)的含義以及如何測(cè)量其顏色指數(shù)（見(jiàn)本雜志2010年第11期第8頁(yè)第11頁(yè)）。在這篇文章的結(jié)尾，作者簡(jiǎn)要討論了通過(guò)顏色參考cqs評(píng)估彩色交替光源的顏色。這里沒(méi)有好的測(cè)量基準(zhǔn)，它引入了“顏色指數(shù)cqs”的概念。繼續(xù)討論cri和cqs的相關(guān)知識(shí)。1led色點(diǎn)的選擇回顧前文所述,CRI值是基于光源對(duì)8塊標(biāo)準(zhǔn)色樣的顯色性而得到。8個(gè)顏色相對(duì)而言都是非飽和色,它們用于衡量光譜連續(xù)且頻帶較寬的光源的顯色性是相當(dāng)不錯(cuò)的,而對(duì)于波形陡峭、頻帶狹窄的光譜而言可能會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。如果一個(gè)RGB組合光源對(duì)非飽和色的顯色性很好,即使它對(duì)飽和色的顯色性很差,仍然能獲得很高的CRI值。另一問(wèn)題是,綜合顯色指數(shù)(或稱一般顯色指數(shù))CRI值只是簡(jiǎn)單地對(duì)8塊色樣的特殊顯色指數(shù)(光源對(duì)某一塊色樣的CRI值稱為特殊顯色指數(shù))取算術(shù)平均值。那么,即使光源對(duì)其中的一塊或兩塊色樣的顯色性很差,它還是有可能獲得一個(gè)高的CRI值。因此,就RGBLED組合光源而言,對(duì)其R、G、B三色波長(zhǎng)的精挑細(xì)選,以及了解它們與8塊色樣的匹配程度至關(guān)重要。即使LED光源輻射出的光譜有幾納米的差別,都有可能引發(fā)CRI值在70~90之間波動(dòng),這是純粹人為因素造成的波動(dòng),與測(cè)量技術(shù)的局限密切相關(guān),結(jié)果往往引起誤導(dǎo)。這些RGBLED組合光源在人眼看來(lái)可能是類似的,但它們的CRI值卻不盡相同。這一問(wèn)題也使得某些制造商會(huì)仔細(xì)選取那些能獲得較高CRI值的LED波長(zhǎng),以提高其產(chǎn)品的CRI值。圖1、圖2展示了一個(gè)RGBLED組合光源的光譜分布與測(cè)得的顏色坐標(biāo)點(diǎn)(簡(jiǎn)稱色點(diǎn)),我們把這個(gè)組合光源稱為RGB1,它的LED波長(zhǎng)集中在460nm、540nm與605nm附近。在相關(guān)色溫(CCT)為3300K時(shí),這個(gè)組合光源的CRI值為81,一般認(rèn)為這樣的值已經(jīng)很不錯(cuò)了。然而,通過(guò)圖2可以發(fā)現(xiàn),這個(gè)光源對(duì)高飽和度紅色與紫色的顯色性非常差,相應(yīng)色點(diǎn)相對(duì)參照色點(diǎn)向相應(yīng)色域內(nèi)移動(dòng)(簡(jiǎn)稱內(nèi)移);同時(shí),高飽和度的藍(lán)色則表現(xiàn)過(guò)度濃艷,其色點(diǎn)向藍(lán)色色域外移動(dòng)了(簡(jiǎn)稱外移)。圖2中的藍(lán)線是參考值,而紅線是色樣在被測(cè)光源下得到的計(jì)算結(jié)果。如果光源非常理想的話,紅線與藍(lán)線應(yīng)該重合。略微移動(dòng)一下RGB1的LED波長(zhǎng),使其集中在455nm、534nm與616nm附近,我們把這個(gè)組合光源稱為RGB2,如圖3、圖4所示。細(xì)微的改變導(dǎo)致CRI值降至67,這是一個(gè)大部分人都認(rèn)為不可接受的數(shù)值。然而,仔細(xì)地看一下圖4就可知道,事實(shí)上大部分顏色的顯色性比顯色指數(shù)81的RGB1的要好,顏色位移量最大的是紅色與綠色色域,它們都向外移動(dòng)了,同時(shí)色域中沒(méi)有任何一個(gè)顏色向內(nèi)移動(dòng)。大部分人寧可選擇這個(gè)光源,盡管它的CRI值偏低。對(duì)于像LED這樣的窄頻帶光源,色點(diǎn)外移的現(xiàn)象非常普遍,這可能會(huì)給有色物體增添一份類似卡通或超現(xiàn)實(shí)的外貌。但就個(gè)人而言,筆者并不喜歡這種現(xiàn)象,盡管色點(diǎn)外移比色點(diǎn)內(nèi)移明顯要好一些。實(shí)際上,對(duì)于在大多數(shù)情況下追求顏色保真度的演藝燈光而言,色點(diǎn)外移同色點(diǎn)內(nèi)移一樣,同樣會(huì)帶來(lái)許多問(wèn)題。2cqs色樣的測(cè)量在認(rèn)識(shí)到CRI的問(wèn)題之后,NIST(NationalInstituteofStandardsandTechnology,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所)正致力于研究用于測(cè)量與報(bào)告顯色性的一種新的方法——色質(zhì)指數(shù)(ColorQualityScale,縮寫為CQS)。它的目標(biāo)是既要保留CRI“使用測(cè)驗(yàn)色法并與現(xiàn)實(shí)世界直接關(guān)聯(lián)”的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)還要重點(diǎn)解決標(biāo)準(zhǔn)色樣的選擇與計(jì)算方法等方面的不足。在研究CQS時(shí),研究者確定了一個(gè)重要的原則——新的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)以單個(gè)數(shù)據(jù)的形式報(bào)告結(jié)果。雖然這樣做必然導(dǎo)致在結(jié)果精確度上的讓步,但是保持CQS與易于理解、眾所周知的CRI之間的聯(lián)系更為重要。使用CQS度量標(biāo)準(zhǔn)的目的就是要把大量的信息濃縮成易操作的、實(shí)用的信息。大多數(shù)用戶可能只具備極其有限的色度學(xué)知識(shí),以單個(gè)數(shù)據(jù)的形式作為最終結(jié)果,正是為了能讓盡可能多的用戶使用。在日常工作、生活中,我們對(duì)很多單數(shù)據(jù)的精確含義與測(cè)量方法一無(wú)所知,但這些單數(shù)據(jù)便于計(jì)量和使用,比如鞋子的尺碼、汽油的辛烷值與無(wú)線電臺(tái)的頻率等。雖然很多人并不清楚那些數(shù)據(jù)是如何得來(lái)的,但是這些數(shù)據(jù)非常實(shí)用,可以幫助我們樹(shù)立數(shù)量等級(jí)的基本概念,認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)與實(shí)際生活的關(guān)系,比如,腳越大,所需鞋子的尺碼越大。與CRI類似,CQS也采用了測(cè)驗(yàn)色法。也就是說(shuō),通過(guò)被測(cè)光源與參考光源照射同一套標(biāo)準(zhǔn)色樣,計(jì)算出它們之間的色差。如上所述,CRI色樣的顏色相對(duì)而言都是非飽和色,因此,測(cè)驗(yàn)可能會(huì)掩蓋光源對(duì)飽和度更高的顏色的顯色性問(wèn)題。通過(guò)大量的計(jì)算測(cè)試,NIST已證實(shí)如下結(jié)論:即使光源對(duì)非飽和色的顯色性好,它對(duì)飽和色的顯色性可能會(huì)很差,但反過(guò)來(lái)是不對(duì)的。也就是說(shuō),不存在這樣的光源光譜,它對(duì)飽和色的顯色性好,而對(duì)非飽和色的顯色性不好。這個(gè)重要結(jié)論表明:只要使用一些飽和色作為一套新的顏色樣品,對(duì)顯色性的測(cè)量就能做到萬(wàn)無(wú)一失。因此,CQS選取了15種飽和色,它們平均分布于整個(gè)可見(jiàn)光譜中。把圖5中的CQS色樣與CRI色樣(見(jiàn)上期第8頁(yè)圖1)相比較,可以看到CQS色樣的顏色要比常用的CRI色樣(TCS01~TCS08)的顏色的飽和度高得多。圖6展示了整套CQS色樣及其光譜分布。所有15塊CQS色樣都選自標(biāo)準(zhǔn)孟塞爾顏色樣品,但就CRI而言,其實(shí)沒(méi)有必要使用它們。計(jì)算CQS值所需的一切數(shù)據(jù)都可以從光源的光譜與色樣的顏色屬性中推導(dǎo)出來(lái)。雖然對(duì)15塊色樣的顏色位移量的初始計(jì)算與對(duì)CRI色樣的計(jì)算相似,但是如何處理這些數(shù)據(jù)以得到最終的CQS值,它們之間還是存在著許多顯著的不同。筆者在前面提到,就CRI而言,簡(jiǎn)單地對(duì)8個(gè)特殊顯色指數(shù)取算術(shù)平均值(通過(guò)8對(duì)色樣的色差得到8個(gè)特殊顯色指數(shù),色差是其根本)會(huì)得到一個(gè)非常高的CRI值,即使其中有一對(duì)或兩對(duì)色樣之間的色差很大。而CQS是取15個(gè)數(shù)據(jù)的均方根值,即將n個(gè)值的平方和除以n后再開(kāi)平方的結(jié)果,可避免上述問(wèn)題。取算術(shù)平均值之前先對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平方,這樣一來(lái)色差的權(quán)重得到了增強(qiáng),確保了色樣間僅有的一些較大的色差,也將對(duì)最終結(jié)果產(chǎn)生重大影響。當(dāng)然,在計(jì)算方法上還有一些其他方面的改進(jìn),但這些內(nèi)容超出了本文的范圍,暫不論述。無(wú)論如何,筆者相信最后得到的結(jié)果非常適合演藝行業(yè)使用,它提供了一種用來(lái)衡量一個(gè)光源顯色性的真正有效的度量標(biāo)準(zhǔn),它既適用于人眼也適用于電視或電影攝像機(jī)。3cqs的度量標(biāo)準(zhǔn)看一下真實(shí)光源的CQS值,以明白它與CRI之間是如何一比高下的。圖7展示了白熾燈與參考光源下色樣的外貌。我們會(huì)驚奇地發(fā)現(xiàn),白熾燈的CQS值不是100而是98。通常白熾燈中的藍(lán)色光譜略微不足,因此,一盞真實(shí)的白熾燈并不等同于一個(gè)理想的黑體輻射體,然而CQS能夠識(shí)別并報(bào)告這些信息。圖8展示了汞燈與參考光源下色樣的外貌。在整個(gè)光譜范圍內(nèi)顏色位移量都很大,尤其是在藍(lán)色與黃色色域中。正如預(yù)料的那樣,CQS值為46,相當(dāng)差。那么,前文提到的那兩盞假設(shè)的LED的情況會(huì)怎樣?如果我們采用CQS這個(gè)度量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)取代CRI,那么它們之間的差異如何?我們之前假設(shè)的RGB1燈,其CRI值為81,它對(duì)一些色域中顏色的顯色性很差;而RGB2燈的CRI值為67,它對(duì)許多色域中顏色的顯色性都非常不錯(cuò)。通過(guò)計(jì)算得到RGB1與RGB2的CQS值分別為75與79。圖9展示了RGB2下CQS色樣的外貌,可以看到紅色、琥珀色與綠色的色點(diǎn)都向外移動(dòng)了,或者說(shuō)它們的飽和度都提高了。正如預(yù)料的那樣,RGB1與RGB2兩者的CQS值比CRI值要更接近,并且CQS對(duì)RGB1就小范圍內(nèi)顯色性較差的情況做出了合理“處罰”。這是一個(gè)更受認(rèn)可、更具代表性的結(jié)果。然而,CQS并不是完美無(wú)缺的。由于比起色點(diǎn)內(nèi)移來(lái)說(shuō),人們對(duì)色點(diǎn)外移的討厭程度通常要小一些,CQS計(jì)算方法中考慮到了這個(gè)情況,因此,對(duì)因色點(diǎn)外移而引起的色差的“處罰”相對(duì)要少一些。有時(shí)候這一做法也確實(shí)符合演藝燈光這個(gè)行業(yè),但是筆者認(rèn)為如果色點(diǎn)老是向外移動(dòng)也是不能接受的,它總會(huì)引起色相上的相關(guān)誤差。因此,需要在度量標(biāo)準(zhǔn)中體現(xiàn)出對(duì)色點(diǎn)外移的“處罰”。幸運(yùn)的是,CQS給出了解決辦法。4cqs計(jì)量參數(shù)的確定雖然先前提到CQS只報(bào)告單一數(shù)值,但NIST承認(rèn)某些應(yīng)用領(lǐng)域需要光源在顯色性方面的更詳盡的信息,筆者認(rèn)為演藝燈光也是其中之一。舞臺(tái)藝術(shù)需要設(shè)計(jì)師以一種富有創(chuàng)造力的、一絲不茍的態(tài)度大量運(yùn)用色彩,所以,在許多設(shè)計(jì)師眼中顏色的準(zhǔn)確度至關(guān)重要。CQS還給予有識(shí)別能力的用戶許多額外的指標(biāo),筆者認(rèn)為有一個(gè)指標(biāo)與我們行業(yè)密切相關(guān)——色保真度(ColorFidelityScale)。色保真度是用來(lái)評(píng)價(jià)物體顏色外貌的保真度的參數(shù)。與CQS的計(jì)算方法不同,它不再對(duì)色點(diǎn)外移現(xiàn)象給予“寬容”,嚴(yán)格地同等對(duì)待各種色點(diǎn)位移現(xiàn)象。就我們假設(shè)的RGB1和RGB2而言,RGB1的色保真度仍為75;而RGB2(色點(diǎn)外移的那盞LED)的色保真度則降至71。這些數(shù)值比CRI值更好地反映出人眼所看到的窄波段光源的真實(shí)情況,并且,在將這