白光LED 颜色质量评价方法研究[1]

　　1 显色指数与光源颜色质量评价

　　如今人们对室内照明质量的要求越来越高，照明评价也从过去以照度为主要指标，向基于舒适性的综合评价发展。其中光源的颜色质量( colorquality) 是决定室内照明效果的重要指标之一。

　　1. 1 显色指数(CRI) 存在的缺陷

　　在过去数十年， 国际照明学会( CIE) 制定的显色指数(CRI) 是最常用的评价颜色质量的指数。但随着新光源的出现和研究的深入，其存在的问题也日益凸显[1]。根据CIE 对于显色性( colorrendering) 的定义，它是指与参考照明体下的色表相比较，一个光源对于物体的色表产生的效果[2]。用于评价的指数即显色指数CRI ( Color RenderingIndex)。

　　美国[3，4]、匈牙利[5 ～ 8]、法国[9 ～ 11] 等研究者均发现，CRI 在用于评价光源，尤其是LED 的显色性时，存在许多问题，如色空间不均匀、颜色样品数量少且饱和度过低等。不仅如此，用光源的显色性来评价颜色质量本身存在着问题。根据显色性的定义，其评价的是光源对于物体在参考照明体下的颜色还原性( color fidelity) ，所以不管物体的色表往什么方向偏离，显色指数都会降低。但实际运用中，如果光源使颜色饱和度增加，可以提高视觉清晰度和视亮度，所以单纯用显色指数来评判光源颜色质量是不全面的[12]。基于以上考虑，CIE 在2007 年的技术报告[13]中明确提出: 目前的显色指数CRI 不能有效反映包括白光LED 在内的白光照明光源的显色性优劣。

　　1. 2 新的光源颜色质量评价体系的形成

　　为了修正CRI 的一些问题，美国NIST 的WendyDavis 和Yoshi Ohno[14，15] 开发了一套新的评价系统CQS (Color Quality Scale)。但该系统主要基于数学计算开发，其可靠性仍有待更多的视觉实验验证。例如Nicola Pousset 等人[16] 将其颜色偏好度实验结果与各光源的CQS 值进行比较，结果发现CQS 值在反映真实颜色质量上不尽人意。

　　要全面地评价光源的颜色质量，需要考虑很多因素， 如颜色还原性， 色调的区分度( huediscrimination) ，颜色鲜艳度( vividness) ，人们对颜色的偏好度( preference ) ， 视觉清晰度( visualclarity) ，视觉舒适度等等。目前为止国际上未形成统一的光源颜色质量评价体系，但有一点可以肯定:决定光源颜色质量的是人的视觉感受。因此，我们需要基于大量的视觉实验来确定该评价体系。

　　目前的研究主要采用的方法可归纳为: 保持桌面照度或视线方向亮度相同; 并保证各待测光源具有接近的色温或色坐标; 被试进行的视觉任务主要有: 考察颜色还原性( 即显色) 的色差评价; 考察偏好度、鲜艳度、协调度等的主观评分; 考察颜色区分度的辨色实验。但目前大多研究均为视觉实验结果与显色指数CRI 的比较，并已获得明确结论，对于CQS 体系的验证仅含颜色偏好度，不含颜色还原性等其他方面的研究，因此还有待完善。此外，大部分视觉实验针对欧洲人群，由于东西方人群的颜色偏好差异，其结果未必适用于亚洲人。因此，本实验对光源的CRI 和CQS 均进行了计算，并基于视觉实验考量了颜色还原性和颜色偏好度两方面特性，以期在CQS 系统的可靠性验证方面作出完善，并为颜色质量评价的视觉实验补充亚洲人样本。

　　2 实验方法

　　实验选取了5 种光源，其中2 种卤素灯、2 种LED 和1 种紧凑型荧光灯(CFL) ，均为市场上的高端产品，其中卤素灯作为相同色温下的参考光源。光源基本信息见表1， 按照色温将5 种光源分为6500K 组与5000K 组两组进行，分开进行视觉实验。首先采集了各光源的相对光谱功率分布， 见图1、图2，光谱采集仪器为STC3000 光谱仪，然后基于光谱计算了CRI 和CQS 两类指数。

　　视觉实验在一暗室内进行，制成两个独立的隔间，如图3 所示。隔间顶部安装有光源，不产生眩光，均匀照射在桌面上，两隔间桌面平均照度均为500lx。

　　实验采用被试者内设计( within-subjects design)的方法，选取10 名被试，其中5 男5 女，年龄为20至24 岁，均具有正常的视力或矫正视力，且经过筛选，无色盲等其他眼疾。利用抵消实验条件的设计( reversal experimental condition design) ，每位被试均参与所有实验条件下的三组实验任务。第一项为色差的评分。实验采用的MCC 色卡是CIE 规定的用以比较待测光源与参考光源色差的标准方法。实验时，在两个隔间桌面上分别放置MCC 色卡，隔间一边放置待测光源( CFL 或LED) ，另一边放置相同色温的卤素灯作为参考光源，令被试观察两套色卡中的24 对颜色样品，并对每一对的色差进行打分。打分的规则是，首先将色差感受归入VS ( very small，非常小)，S ( small，较小)，M (medium，中等) ， L( large，大) ，VL ( very large，很大) 五个大类( 表2) ，然后再进行5 个等级的细分，最后以诸如VS4，L2 的形式表示。为便于统计数据，统计过过时将得分转换为末尾行1 ～ 25 的数字。

　　三项实验均为偏好度的评价。隔间内放置了仿真花朵和水果， 便于被试观察并作出判断。其中第二项为对各个光源的单独评分， 包括从0( 非常不喜欢) 到100 ( 非常喜欢) 的评分，和从1( 非常不喜欢) 到5 ( 非常喜欢) 的评分。第三项为两两比较，令被试选出更喜欢的光源编号。