光源显色性的评价方法

　　颜色是人的感觉之一，它总是与观察者个人的主观体验有关。每个人看到一种颜色后的感觉，别人难以知晓。所以颜色的研究总是充满了神秘的想象。同时，颜色又使世界变得五彩缤纷，视觉艺术、图象显示与传输、纺织品印染、彩色印刷等，都离不开颜色的研究。因此颜色的研究、对颜色进行客观的定量的描述，成为许多科学家研究的对象。

　　牛顿在1664年用棱镜把白色的太阳光色散成不同色调的光谱，奠定了光颜色的物理基础。1860年麦克斯韦用不同强度的红、黄、绿三色光配出了从白光一直到各种颜色的光，奠定了三色色度学的基础。在此基础上，1931国际照明委员会建立了CIE色度学系统，并不断完善。如今CIE色度系统已广泛用于定量地表达光的颜色。

　　颜色离不开照明，只有在光照下物体才有可能显示出颜色，而且光的颜色对人们的心理有非常大的影响。同济大学杨公侠教授已在他的专著视觉与视觉环境一书的第五章中，作了非常精采的描述。(1) 在不同光源照射下，同一个物体会显示出不同的颜色。例如绿色的树叶在绿光照射下，有鲜艳的绿色，在红光照射下近于黑色。由此可见，光源对被照物体颜色的显现，起着重要的作用。光源在照射物体时，能否充分显示被照物颜色的能力，称为光源的显色性。1965年，国际照明委员会推荐在CIE色度系统中，用一般显色指数Ra来描述光源的显色性。一般显色指数Ra应用得还很成功，已被照明界广泛接受，但是也存在一些问题，本文将为光源显色性的评价方法，以及近年来的进展作一介绍。

一、一般显色指数Ra

　　光源显色性的评价方法，希望能够既简单又实用。然而简单和实用往往是两个互相矛盾的要求。在CIE颜色系统中，一般显色指数Ra就是这样一个折衷的产物：它比较简单，只需要一个100以内的数值，就可以表达光源的显色性能，Ra=100被认为是最理想的显色性。但是，有时候人们的感觉并非如此。例如在白炽灯照射下的树叶，看上去并不太鲜艳。问题在哪里？我们来讨论影响什么是一般显色指数。

　　为简便起见，我们这里只讨论一般显色指数Ra的主要构成方法，而不讨论它的具体计算方法。事实上，我们在日常生活里，常常在检验光源的显色性。许多人都有这样的经验，细心的女士在商场买衣服的时候，常常还要到室外日光下再看一看它的颜色。她这样做，实际上就是在检验商场光源的显色性：看一看同样一件衣服，在商场光源的照明下和在日光的照明下，衣服的颜色有什么不同。所以描述光源的显色性，需要两个附加的要素：日光（参考光源）和衣服（有色物体）。在CIE颜色系统中，为确定待测光源的显色性，首先要选择参考光源，并认为在参考光源照射下，被照物体的颜色能够最完善的显示。CIE颜色系统规定，在待测光源的相关色温低于5000K时，以色温最接近的黑体作为参考光源；当待测光源的相关色温大于5000K时，用色温最相近的D光源作为参改光源。这里D光源是一系列色坐标可用数字式表示、并与色温有关的日光。

　　在选定参考光源后，还需要选定有色物体。由于颜色的多样性，需要选择一组标准颜色，使它们能充分代表常用的颜色。CIE颜色系统选择了8种颜色，它们既有多种色调，又具有中等明度值和彩度。在u-v颜色系统中，测定每一块标准色板，在待测光源照射下和在参考光源照射下色坐标的差别，即色位移ΔEi，就可得到该色板的特殊显色指数Ri。Ri=100—4.6ΔEi

　　对8块标准色板所测得的特殊显色指数Ri取算术平均，就得到了一般显色指数Ra。可见光源的一般显色指数Ra的最大值为100，认为这时光源的显色性最好。

二、一般显色指数Ra的局限性

　　尽管一般显色指数Ra简单实用，但是它在许多方面表现出严重不足。首先，颜色是人们主观的感觉，不是物体固有的属性，它与照明条件、观察者、辐照度、照度、周围物体和观察角度等有关，并不存在什么所谓“真实颜色”。但是由于在CIE系统中，已定义Ra在近似黑体的辐射下达最高值100，所以灯泡制造商都有意识地设计灯泡，使在用它照射物体时的显色性与黑体或日光照射时尽可能相近。这意味着光源的光谱分布与黑体或日光有偏离时，会使显色指数下降。例如用红、绿、兰三个单色LED组成的白光LED,当在它的一般显色指数Ra较低时，它的显色性有时并不一定很坏。

　　但是事实上，许多研究者Judd(2)、Thorntou(3)和Jerome(4) 已证实人们不一定最喜欢CIE所规定的参考光源照明时的颜色。例如前面已经提到的用色温很低的白炽灯照射绿色的树叶，并不一定是最好的选择。规定在黑体或日光照射时显色指数为最佳值Ra = 100，存在疑问。

　　CIE规定的参考光源是与待测光源的相关色温最接近的黑体或日光，它们都是辐射连续光谱的光源，具有多种颜色的光谱成分。当色温在6500K时，其长短波的光谱功率分布较为均衡，作为参考光源应该说较为合理。但当色温在400K以下时，光谱功率分布严重不对称，兰色的短波光谱功率远小于红色的长波光谱功率，其颜色偏向红色，作为参考光源存在疑问。

　　在CIE颜色系统中，8块标准色板都是处在中等明度和色饱和度，在u~v 系统中为等距离间隔。它们对于室内照明，可认为已能充分代表各种常用颜色。但在室外照明时，往往存在一些色饱和度较高的颜色，这8块标准色板已不能充分代表常用颜色。许多学者认为标 色板数太少，是一般显色指数的另一个不足。虽然CIE还有9—14号色饱和度较高的6块色板，但它们并不包含在一般显色指数Ra之中。在照明实践中，人们熟知的颜色为皮肤、树叶、食品等，它们的颜色极为重要，但它们都被排除在一般显色指数之外。Seim曾提议用20快标准色板,⁽⁵⁾但由于这会使计算变得太复杂而被拒绝。当前，计算机普遍使用，似乎这个提议又得重新考虑。

　　由于光源的显色性评价存在这两大问题、许多其它的评价方法引起广泛兴趣，本文将就作者所知作一简要介绍。

三、夫勒特利指数Rf

　　研究表明人们倾向于记住比较熟悉的物体的颜色，而且是记住它的生动的、饱和度较高时的颜色。这种记忆色与喜爱色往往相一致，而且倾向于向饱和度高方向偏移。如人们肤色的记忆色，倾向于向红方向偏移，树叶色向绿色方向偏移。显然与CIE中的Ra方法不同。Rf事实上是对Ra的修正，这个修正包括二个方面：第一，在参考光源的照明下定义Rf = 90,只有在假想的“完美光源”照明下，才有Rf = 100。第二，选择10块标准色板，即除了原来1-8号标准色板外，还加上13号14号二块色板，相应于皮肤色和树叶色。这时，“完美光源”就是指在它的照射下，能把10块标准色板的颜色向喜爱方向偏移的光源。由此可见，对每块标准色板来说，相应的“完美光源”的色坐标是各不相同的，可以由实验确定。这也说明了这样的“完美光源”只能是假想的。Rf的计标方法与Ra相似，但有二点不同：（1）对于每块标准色板，参考光源的色坐标都需要调整，即根据实验确定的“完美光源”色坐标。然后，在待测光源照明时，每块色板的色差是与其相应的“完美光源”相比较后得到。（2）在计算Rf时，取10块色板的色差平均值，但是每块色板的权重不同。13号色板是肤色，权重是35%、2号是15%、14号是15%、其余是每块5%。这里特别强调了肤色的重要性。所以待测光源的Rf可以高于参考光源Rf = 90，但小于100。

四、颜色偏爱指数（CPI）

　　颜色偏爱指数CPI（colour preference index）利用上节提出的喜爱色概念,定义在D65光源照明下，颜色偏爱指数CPI =100。于是待测光源的CPI可以这样得到：在待测光源照射下，计算8块标准色板的色坐标与最喜爱色的色坐标之差，并求其矢量和的
平均值（ ）：
　　CPI=156-7.18（）

　　以上计算都是在CIE的UV色度系统中进行。

　　虽然CPI与Rf都利用了最喜爱色这一概念，但两者有很大差别：
　　（1）在计算Rf时，用1—8号和13、14共10块标准色板，而CPI只用1—8块标准色板。
　　（2）技术Rf时，色差（ΔE）取实验值的1/5，而CPI取原始实验值。
　　（3）计算Rf时，各块色板的权重不同，而CPI取相同权重
　　（4）根据定义Rf的最大值为100，而CPI的最大值为156
　　最后要指出提出Rf与CPI两个指数的研究人员，都用实验确定喜爱色，而在实验中采用的是日光色照明。现在有证据表明喜爱色与光源的相关色温有关。所以在使用Rf和CPI来恒量显色性时，仅仅适用高色温的光源。

五、色分辩指数（CDI）

　　用Ra、Rf或CPI来描述光源的显色性，参考光源必须与待测光源有相同的色温。颜色分辩指数CDI（colour discrimination index）克服了这个局限性。

　　该指数的提出，基于这样一个假定：在某种光源的照明下，能区别颜色的能力愈强，则此光源的显色性愈好。在某个光源照明时，8块标准色板在CIE的UV色度图中，所包围的面积为：

　　GA =0.5Σ（UiVj-UjVi） i,j=1,2,…8; i≠j

　　在C光源照明下，该面积GA=0.005，定义这时CDI=100，于是在待测光源的照明下，其色分辩指数为：

　　CDI=（GA/0.005）×100

六、结束语

　　由上述讨论可知，光源显色性的评价方法很多，而且在不断发展和完善之中，本文介绍的仅仅是其中的一部分，它们各有优缺点。即使目前广为采用的一般显色指数Ra,也还有许多缺点。它最主要的缺点，是参考光源的选择：参考光源是一个光谱连续的光源，用它作为标准来衡量光谱不连续的光源，不很合适。参考光源的色温必须与待测光源的相关色温相近，而事实上，对于一定的照明作业，色温本身对显色性就有很大的影响，这个方法限制了只能用在光源色温已经确定的条件下使用。它的第二个缺点是标准色板的选择：对于室内照明，可认为8块标准色板已能充分

　　代表各种常用颜色。但在室外照明时，对一些色饱和度较高的颜色，不能充分代表常用颜色。

　　因作者水平的限制，只能作此简要介绍，供大家参考。

参考文献

　　[1] Xin Guo and K W Houser, A review of colour rendering indices and their application to commercial light sources, Lighting Res. Technol. 36, 3 (2004) PP.183-199

　　[2] K W Houser, How meaningful is the CIE colour rendering index? Lighting Des. App. 2002; 32:4-7

　　[3] D B Judd, A flattery index for artificial illuminants. Illum. Eng. (USA) 1967; 62:593-98