LED普通照明燈具的顯色性對電視圖像色彩還原的影響問題研究

趙貴華，王京池

（中央電視臺 技術制作中心，北京 100859）

1 原理和目的

光源對物體顏色呈現的程度稱為顯色性，也就是顏色的逼真程度。顯色性高的光源對顏色的再現較好，我們所看到的顏色也就較接近自然原色；顯色性低的光源對顏色的再現較差，我們所看到的顏色偏差也較大。顯色指數（Ra）是目前定義光源顯色性評價的普遍方法。對于人造光源，顯色性是一個很重要的色度參數，它表示物體在光源照射下顏色比基準光（太陽光）照明時顏色的偏離。CIE推薦定量衡量光源顯色性的方法，顯色指數Ra在0～100內分布，Ra=100時顯色性最好，數值越小，顯色性越差。

國際照明委員會CIE開發了一種以8種標準色樣為基礎量化光源顯色性的方法，即先測量被測光源的色溫，再算出此光源下與同色溫的基準光源比對這8種色樣的偏離率，而比對這8種色樣比率的數據就稱為顯色指數，這種測試方法獲得的數據差異非常大。目前，我們開始使用專門的儀器來測量包括色品坐標、相關色溫、顯色指數等色參數值。測試中經常使用到光、色測量的儀器為PMS-50（增強型）紫外－可見－近紅外光譜分析系統，其測量依據是國際照明委員會CIE關于光和顏色測量的標準。LED照明燈具發出的光波長為380 nm～780 nm的特殊波段的電磁波，正是由于在這一波段，人眼對其產生“明亮”和“顏色”的響應，因此，對于這一波段的測量和計量相當重要。

按照《電視演播室燈光系統設計規范》的規定，彩色電視照明要求光源的顯色指數不低于85。如果光源的顯色指數過低，電視畫面的色彩還原會受到很大影響。這就是說，顯色指數低于85的光源是不能在電視演播室中使用的。LED照明燈具作為一種新興光源，其是否滿足彩色電視照明要求，需要在實驗室對其顯色指數進行測試。同時，各廠家LED燈具的顯色指數高低不同，而且與傳統鹵鎢燈的顯色指數存在差距，因此，LED照明燈具在演播室使用時會對電視圖像色彩還原產生一定的影響。通過對LED照明燈具在演播室使用中與傳統的鹵鎢燈進行比較，了解LED照明燈具對電視圖像色彩還原影響的程度和燈具可能影響電視圖像色彩還原的因素，LED照明燈具對電視圖像色彩還原影響的測試以主觀測評為主。

2 實驗室測試

2.1 測試條件

2.1.1 測量儀器

測試采用杭州遠方光電信息有限公司生產的PMS-50（增強型）紫外－可見光－近紅外光譜分析系統。

2.1.2 燈具品種和數量

本次LED照明燈具的顯色性研究將對鹵鎢聚光燈、LED平板柔光燈和LED聚光燈3類燈具產品進行測試。這3類燈具選擇7種型號照明燈具，每種型號燈具測試2臺，其中還對燈具編號為3-1 LED50W平板柔光燈在做完高溫試驗后進行顯色性的測試。產品型號和燈具編號見表1。

LED普通照明燈具的顯色性安排在實驗室進行，測試期間每種型號提供2臺LED燈具，測試前可對LED燈具進行適當調整，并點燃燈具100 h以達到穩定性，測試過程中不允許調換LED燈具，每種型號LED可提供1臺備用燈具。

2.2 測試內容、方法和步驟

2.2.1 測試內容

根據光度色度學理論，只要測得被測光源的光譜功率分布P（λ）后，就可計算出被測光源的顏色參數：色品坐標（x、y）和（u、v）、相關色溫Tc、顯色指數Ra、Ri（1～15）、峰值波長及半寬度等。因此，具體的實驗方法就是使用光、色測量儀器PMS-50（增強型）紫外－可見－近紅外光譜分析系統測量出LED照明燈具光譜功率分布P（λ）。

2.2.2 測試儀器

用PMS-50（增強型）紫外－可見光－近紅外光譜分析系統對色品坐標、相關色溫、顯色指數進行測試，PMS-50（增強型）紫外－可見光－近紅外光譜分析系統（見圖1），原理上完全滿足CIE對光和顏色測量的要求，測量系統包括PMS-50主機1臺、光度探頭、溫度探頭、小積分球、穩壓電源、智能電量測量儀、專用串行通訊電纜及專用軟件等。

2.2.3 測試方法和步驟

測試是在四周墻壁、屋頂、地面及測試設備均為無光澤黑色的環境中進行。首先，待測燈具必須先點亮一段時間（一般為15～30分鐘），待燈穩定后，再進行測試；其次，把待測燈具的出光口對準小積分球的接收窗口，要注意點燈的位置、方向等，因為光源在不同條件下，測試結果是不一樣的；最后，測試完成后保存測試報告。對于聚光燈的光譜測試，對其聚光端和散光端分別進行測試。

2.3 測試結果和結論

2.3.1 測試結果

采用PMS-50（增強型）紫外－可見光－近紅外光譜分析系統對鹵鎢聚光燈和LED燈具測試。圖2和圖3所示為測試后兩種頻譜圖。

2.3.2 測試結論

2.3.2.1 燈具顯色指數分析

所有燈具測試后的Ra值見表2所示，其Ra值比較如圖4所示。

從表2和圖4可以看出：

（1）LED燈具的顯色指數均低于傳統的鹵鎢燈具；

（2）同廠家同型號的LED燈具顯色指數測試值幾乎相同，表明顯色一致性好；

（3）不同廠家的LED燈具Ra值有明顯的差距，一般分布在75～95之間；

（4）個別LED燈具，其顯色指數明顯低于80；

（5）7號燈具為特制低顯色指數燈具，顯色指數為63.2。

2.3.2.2 平板柔光燈顯色指數分析

編號為1-1、1-2、2-1、2-2、3-1、3-1平板柔光燈具體R1～R15分布值如圖5所示。

從圖5可以看出：

（1）對于燈具編號為3-1、3-2的平板柔光燈，其表征特殊顯色指數的R9值太低，這會直接影響色飽和度較高的物體色彩正常重現；

（2）R9的高低不影響一般顯色指數Ra，但直接影響整個LED燈具的特殊顯色指數。如果要提高特殊顯色指數，就要想辦法提高R9的值；

（3）國內廠家LED平板柔光燈顯色指數明顯高于國外廠家。

2.3.2.3 聚光燈顯色指數分析

除特制低顯色指數的7號聚光燈外，編號為4-1、5-1、6-1 LED聚光燈在聚光端和散光端具體R1～R15分布值如圖6所示，4-2、5-2、6-2 LED聚光燈在聚光端和散光端具體R1～R15分布值如圖7所示。

從圖6和圖7可以看出：

（1）對于LED聚光燈，當其工作在聚光端和散光端位置時，顯色指數幾乎不變；

（2）與平板柔光燈一樣，R9的高低直接影響整個LED燈具的特殊顯色指數。如果要提高特殊顯色指數，就要想辦法提高R9的值。

2.3.2.4 高溫測試對顯色指數的影響

對于3-1 LED50W平板柔光燈高溫測試前后Ra值的比較如圖8所示。

從圖8可以看出，對于編號為3-1 LED平板柔光燈高溫測試前后其顯色指數幾乎不變，其Ra平均值高溫測試前后均為77.1。

3 演播室電視圖像色彩還原測評

3.1 測評條件

3.1.1 場地

測試采用中央電視臺新臺址設備在演播室進行。主觀評價分別在演播室錄制現場和中央電視臺主觀評價室進行。

3.1.2 測試系統設備和連接

3.1.2.1 測試設備

攝像機采用SONY公司的HDC-1580高清攝像機，鏡頭采用CANON公司的HJ22ex7.6BIRSE，示波器采用LEADER公司的LV5800高清數字示波器，監視器使用2臺PANASONIC公司的26英寸液晶監視器，錄像機采用PANASONIC公司HD D5格式錄像機，測試系統設備詳細清單如表3所示。

3.1.2.2 測試系統連接

整個測試系統連接如圖9所示。

系統信號路由：攝像機機頭拍攝圖像通過光纜傳輸到基站進行處理，一路輸出到高清示波器用于波形記錄和監看，一路輸出到HD D5錄像機進行記錄，另外兩路輸出到2臺26英寸液晶監視器用于圖像監看。每個場景測試前我們都對攝像機進行認真的黑白平衡校正，測試過程中我們通過攝像機RCP面板對攝像機參數進行調整。

3.1.3 測試燈具

選擇6類LED照明燈具，其中4類為低色溫（3 200 K）燈具、顯色指數為80左右；1類為高色溫（5 600 K）、顯色指數為80左右；1類低色溫（3 200 K）、顯色指數為65左右。各場景產品具體型號和燈具數量見表4。此外，我們還選擇傳統的鹵鎢光源照明燈具作為比較的標準。LED照明燈具對電視圖像色彩還原影響的測試安排在高清演播室進行，測試期間各設備需提供相應型號LED燈具7～10臺用于演播室布光。

3.2 測評內容、方法和步驟

3.2.1 測評內容

分別拍攝并記錄傳統的鹵鎢燈和6類LED燈照射下的圖像。測試中不同品牌燈具在同燈軸不同燈位下布光，圖10顯示的是場景4各LED燈具燈光布置情況，其他場景燈具燈光布置基本相同。

拍攝時攝像機采用定點拍攝，每次拍攝同一場景在不同的燈具照射下盡量保證相同位置、相同景別的構圖方式。每個場景拍攝記錄30 s，同一類LED場景不同拍攝主體間用彩條隔開，時間為10 s，不同類LED場景間采用黑底的方式隔開，時間為15 s。將七類LED燈具照射下的圖像按場景編輯成序列，進行主觀評價打分。

測試中，攝像機各項調整為缺省值，規定場景選擇為演播室內典型拍攝場景，如表5所示。

3.2.2 測評方法和步驟

分別拍攝并記錄傳統的鹵鎢燈和6類LED燈照射下的圖像。在演播室測試時，根據節目的傳統制作流程，首先由燈光師對各個位置的LED照明選擇合適的色溫值后并調節燈具照度，利用色溫表測試現場色溫值；然后，攝像機在該燈光照明環境下進行黑、白平衡調整，并記錄當時攝像機白平衡調整后RCP顯示的色溫值。我們對每類LED場景做以下操作記錄。

（1）對于人物的拍攝：

攝像機光圈固定在5.5，調節相關燈具的照度值，確保視頻信號幅度在800 mV，記錄此時各燈具的照度值；記錄此時的波形顯示；記錄此時的視頻信號。

調節光圈保證最佳主觀圖像效果，讀出此時視頻信號幅度，讀出此時的光圈值；記錄此時的波形顯示；記錄此時的視頻信號。

（2）對于水果、花籃和色卡的拍攝：

表4 各測試場景燈具具體型號和數量

表5 場景拍攝具體內容和相應景別

調節光圈保證最佳主觀圖像效果，讀出此時視頻信號幅度，讀出此時的光圈值；記錄此時的波形顯示；記錄此時的視頻信號。

我們以場景1為例，其記錄后顯示波形如圖11～圖15所示。其他場景波形記錄不再展示。

3.3 圖像色彩還原主觀評價

3.3.1 評分標準

采用5分制標準來衡量圖像色彩還原性能，具體分值標準見表6所示。

3.3.2 演播室現場圖像色彩還原主觀評價

在演播室拍攝各場景圖像的同時，組織專家在現場只對場景編號0～6的人物膚色還原進行打分。同時，對于現場拍攝中需要記錄相應場景下主觀色彩還原感覺最好的畫面時，需要現場專家組的一致認可，才可作為該場景下主觀色彩還原感覺最好的畫面進行記錄。

3.3.3 主觀評價室圖像色彩還原主觀評價

將7種燈具照射下的圖像按場景在對編機房直接編輯成序列，其中一盒磁帶為鹵鎢燈具照射下拍攝的圖像，另一盒為6種LED燈具照射下拍攝的圖像。每個拍攝場景30 s，同一類LED場景間采用黑底加字幕的方式隔開，時間為10 s，不同類LED間采用彩條方式隔開，時間為15 s。在松下公司2臺BT-LH2600WMC監視器上進行觀看，事先對2臺監視器進行了嚴格的調試，確保顯示顏色基本一致。

將鹵鎢燈照射下的圖像依次與6種LED燈具照射下的圖像進行對比，即每次播放圖像時，左側監視器為鹵鎢燈下拍攝的圖像，右側監視器為LED照明燈具下拍攝的圖像，將兩圖像進行比較，再進行主觀評價打分。每個序列最高分為5分，可精確到小數點后一位，而鹵鎢燈照射下拍攝的圖像主觀評價默認為5分。

為了確保評分顯示為個人主觀評價反應，我們將6類LED燈具照射下的圖像在編輯時進行了隨機排列，見表7，同時，要求專家在打分時不能互相討論，以免影響其他人打分。如果認為右側圖像比左側圖像彩色還原好，可評為5+。人物1為拍攝主觀評價最佳的人物畫面，人物2為拍攝信號幅度不超標的人物畫面。

主觀評價室系統連接示意圖如圖16所示。將錄像機的輸出1接在對應的監視器A路上，將錄像機的輸出2與另一個監視器交叉連接，接在B路上。

3.4 數據分析和結論

3.4.1 演播室現場圖像色彩還原分值

演播室現場評分如圖17所示。

從圖17可以看出：

（1）對于場景1、2、3、6 LED燈具照射下人物膚色還原，項目組專家給的分數都在4.5分以上，圖像色彩還原佳，十分滿意；

（2）對于場景4和5 LED燈具照射下人物膚色還原，項目組專家給的分數都在3分～4分之間，圖像色彩還原一般，尚可接受。

3.4.2 主觀評價室圖像色彩還原分值

為了確保專家打分有效，在統計10位專家對每個場景下的圖像色彩還原平均分值時，采用去掉一個最高分和一個最低分再取平均值的方式進行統計。

3.4.2.1 場景1（攝像機白平衡調整后色溫顯示3 034 K）

從圖18和圖19可以看出：所有拍攝物體的平均分值都在4分以上，整體色彩還原正常。對于水果、花和色卡的平均分值都在4.5分以上，這說明色彩還原極佳，十分滿意；而對于人物1和人物2分值在4.3分～4.4分之間，這說明膚色還原佳，但不及所拍攝水果、花和色卡的色彩還原。

3.4.2.2 場景2（攝像機白平衡調整后色溫顯示3 152 K）

從圖20和圖21可以看出：所有拍攝物體的平均分值都在4分以上，整體色彩還原正常。對于人物1和人物2分值在4.4分以上，這說明膚色還原佳。

3.4.2.3 場景3（攝像機白平衡調整后色溫顯示3 225 K）

從圖22和圖23可以看出：所有拍攝物體的平均分值都在4分左右，整體色彩還原正常，但對于人物和水果的色彩還原與場景1和場景2的燈具相比稍顯欠缺。該場景燈具的顯色指數為77.1，而場景1和2場景燈具的顯色指數都在85以上，這說明燈具的顯色指數高低對圖像色彩還原有一定的影響。但顯色指數介于75～85之間的LED燈具對人物和物體的色彩還原也比較滿意。

3.4.2.4 場景4（攝像機白平衡調整后色溫顯示3 324 K）

從圖24和圖25可以看出：所拍攝的水果、花和色卡的平均分值都在4分以上，這說明色彩還原佳，比較滿意。該場景下對于人物圖像平均分數介于3分～3.5分，這說明對膚色還原一般，尚可接受。

3.4.2.5 場景5（攝像機白平衡調整后色溫顯示3 610 K）

從圖26和圖27可以看出：所拍攝的水果、花和色卡的平均分值都在4分以上，這說明物體色彩還原佳，比較滿意，而對于人物1和人物2分值低于3分，這說明膚色還原差，勉強能看。該場景燈具為低顯色指數燈具，顯色指數只有65，這說明低顯色指數的燈具無法在對膚色還原要求高的演播室（如新聞演播室）內使用。

3.4.2.6 場景6（攝像機白平衡調整后色溫顯示5 106 K）

從圖28和29可以看出：該場景燈具為5 600 K高色溫燈具，所拍攝的水果、花和色卡的平均分值都在4.5左右，這說明對于物體的色彩還原極佳，十分滿意。但該場景下對于人物的拍攝平均分數介于3.5分～4分，這說明對人物膚色還原正常，比較滿意。

3.4.3 圖像色彩還原評價結果分析

以人物1為主要分析對象，根據現場和評價室評分結果對比得出圖30。綜合4.2的統計分析和對人物1的圖像分析，結果表明LED燈具對圖像色彩還原的主觀評價歸納總結如下：

（1）LED燈具對人物的色彩還原，與傳統燈具比較還稍有差距，但能夠得到讓人滿意的還原效果；

（2）LED燈具的顯色性與傳統燈具一樣，對還原有一定的影響；

（3）高色溫與低色溫燈具對演播室節目制作色彩還原區別不大。

4 結論及建議

4.1 結論

（1）LED燈具照明下電視畫面色彩還原主觀感覺良好，但比鹵鎢燈稍差。

（2）顯色指數Ra-85的LED燈具，電視畫面色彩還原佳，完全滿足電視臺演播室燈光對色彩還原的要求。

（3）低顯色指數的LED燈具（如Ra=63）電視畫面色彩還原差。

（4）在顯色指數滿足要求的前提下，色溫為3 200 K和5 600 K的LED燈具均可保證電視畫面色彩還原正常。

4.2 建議

根據這次測試，顯色指數Ra≥85的LED燈具電視畫面色彩還原佳，顯色指數Ra≤63的LED燈具電視畫面色彩還原差。對于顯色指數介于63～85之間的LED燈具，是否滿足演播室燈光對電視畫面色彩還原的要求，需要另設立項目作進一步研究。