白光LED顏色質量評價方法研究*

程雯婷 孫耀杰 童立青 林燕丹

(復旦大學電光源研究所先進照明技術教育部工程研究中心，上海200433)

1 顯色指數與光源顏色質量評價

如今人們對室內照明質量的要求越來越高，照明評價也從過去以照度為主要指標，向基于舒適性的綜合評價發展。其中光源的顏色質量(color quality)是決定室內照明效果的重要指標之一。

1.1 顯色指數(CRI)存在的缺陷

在過去數十年，國際照明學會(CIE)制定的顯色指數(CRI)是最常用的評價顏色質量的指數。但隨著新光源的出現和研究的深入，其存在的問題也日益凸顯［1］。根據CIE對于顯色性(color rendering)的定義，它是指與參考照明體下的色表相比較，一個光源對于物體的色表產生的效果［2］。用于評價的指數即顯色指數CRI(Color Rendering Index)。

美國［3，4］、匈牙利［5～8］、法國［9～11］等研究者均發現，CRI在用于評價光源，尤其是LED的顯色性時，存在許多問題，如色空間不均勻、顏色樣品數量少且飽和度過低等。不僅如此，用光源的顯色性來評價顏色質量本身存在著問題。根據顯色性的定義，其評價的是光源對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，顯色指數都會降低。但實際運用中，如果光源使顏色飽和度增加，可以提高視覺清晰度和視亮度，所以單純用顯色指數來評判光源顏色質量是不全面的［12］。基于以上考慮，CIE在2007年的技術報告［13］中明確提出:目前的顯色指數CRI不能有效反映包括白光LED在內的白光照明光源的顯色性優劣。

1.2 新的光源顏色質量評價體系的形成

為了修正CRI的一些問題，美國NIST的Wendy Davis和Yoshi Ohno［14，15］開發了一套新的評價系統CQS(Color Quality Scale)。但該系統主要基于數學計算開發，其可靠性仍有待更多的視覺實驗驗證。例如Nicola Pousset等人［16］將其顏色偏好度實驗結果與各光源的CQS值進行比較，結果發現CQS值在反映真實顏色質量上不盡人意。

要全面地評價光源的顏色質量，需要考慮很多因素，如顏色還原性，色調的區分度(hue discrimination)，顏色鮮艷度(vividness)，人們對顏色的偏好度(preference)，視覺清晰度(visual clarity)，視覺舒適度等等。目前為止國際上未形成統一的光源顏色質量評價體系，但有一點可以肯定:決定光源顏色質量的是人的視覺感受。因此，我們需要基于大量的視覺實驗來確定該評價體系。

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;并保證各待測光源具有接近的色溫或色坐標;被試進行的視覺任務主要有:考察顏色還原性(即顯色)的色差評價;考察偏好度、鮮艷度、協調度等的主觀評分;考察顏色區分度的辨色實驗。但目前大多研究均為視覺實驗結果與顯色指數CRI的比較，并已獲得明確結論，對于CQS體系的驗證僅含顏色偏好度，不含顏色還原性等其他方面的研究，因此還有待完善。此外，大部分視覺實驗針對歐洲人群，由于東西方人群的顏色偏好差異，其結果未必適用于亞洲人。因此，本實驗對光源的CRI和CQS均進行了計算，并基于視覺實驗考量了顏色還原性和顏色偏好度兩方面特性，以期在CQS系統的可靠性驗證方面作出完善，并為顏色質量評價的視覺實驗補充亞洲人樣本。

2 實驗方法

實驗選取了5種光源，其中2種鹵素燈、2種LED和1種緊湊型熒光燈(CFL)，均為市場上的高端產品，其中鹵素燈作為相同色溫下的參考光源。光源基本信息見表1，按照色溫將5種光源分為6500K組與5000K組兩組進行，分開進行視覺實驗。首先采集了各光源的相對光譜功率分布，見圖1、圖2，光譜采集儀器為STC3000光譜儀，然后基于光譜計算了CRI和CQS兩類指數。

表1 實驗用光源的相關信息

視覺實驗在一暗室內進行，制成兩個獨立的隔間，如圖3所示。隔間頂部安裝有光源，不產生眩光，均勻照射在桌面上，兩隔間桌面平均照度均為500 lx。

圖1 光源相對光譜功率分布(6500K組)

圖2 光源相對光譜功率分布(5000K組)

圖3 視覺實驗場景

實驗采用被試者內設計(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，且經過篩選，無色盲等其他眼疾。利用抵消實驗條件的設計(reversal experimental condition design)，每位被試均參與所有實驗條件下的三組實驗任務。第一項為色差的評分。實驗采用的MCC色卡是CIE規定的用以比較待測光源與參考光源色差的標準方法。實驗時，在兩個隔間桌面上分別放置MCC色卡，隔間一邊放置待測光源(CFL或LED)，另一邊放置相同色溫的鹵素燈作為參考光源，令被試觀察兩套色卡中的24對顏色樣品，并對每一對的色差進行打分。打分的規則是，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)五個大類(表2)，然后再進行5個等級的細分，最后以諸如VS4，L2的形式表示。為便于統計數據，統計過過時將得分轉換為末尾行1～25的數字。

第二、三項實驗均為偏好度的評價。隔間內放置了仿真花朵和水果，便于被試觀察并作出判斷。其中第二項為對各個光源的單獨評分，包括從0(非常不喜歡)到100(非常喜歡)的評分，和從1(非常不喜歡)到5(非常喜歡)的評分。第三項為兩兩比較，令被試選出更喜歡的光源編號。

表2 色差評定標準及得分轉換

3 實驗結果與分析

3.1 CRI和CQS計算結果

表3顯示了各個光源的CRI和CQS計算值。對于顯色指數CRI，除了計算了一般顯色指數(Ra)，還計算了4個高飽和度特殊顯色指數的平均值R(9～12)，另外還單獨列出了9號樣品的特殊顯色指數R9，因為R9是高飽和度紅色樣品，而目前LED往往在紅色區域的顯色性較差。由表可見，由于9號樣品在5號光源下產生過大的色差，R9呈現了負值。這也正證明了CRI指數存在問題。CQS的計算值里包括了Qa，Qp，Qf三種。CRI中存在的一個問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數，反而額外增加分數。因此從結果可以發現，三個CQS值不盡相同，1，2，3，4號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。

表3 測試光源的CRI和CQS計算值

3.2 視覺實驗結果與分析

24個顏色樣品在不同光源(2號6500K LED，3號6500K CFL，5號5000K LED)與對應的參考光源(同色溫的鹵素燈)下的色差得分結果如圖4所示。方差分析(ANOVA)顯示，對其中8個樣品，三種光源在0.05的顯著水平下有顯著差異(見表4)。通過進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劣(見圖5):(1)對于樣品4，11，16，2號(6500K LED)優于3號(6500K CFL);(2)對于樣品7，18，3號(6500K CFL)優于2號(6500K LED);(3)對于樣品1，2，4，16，21，2號(6500K LED)優于5號(5000K LED);(4)對于樣品1，2，7，18，3號(6500K CFL)優于5號(5000K LED)。由此可見，對于不同顏色樣品，三種光源(6500K LED;6500K CFL;5000K LED)在顯色性能上各有利弊，顯色指數高的CFL，未顯示出特別優勢。

圖4 24個MCC色卡的顏色樣品在3種光源于其對應的參考光源下的色差得分平均值

表4 ANOVA和配對比較結果(本表僅顯示了ANOVA得到顯著差異P＜0.05的顏色樣品)

偏好度的主觀評分中，0～100的評分與1～5的評分基本一致，但方差分析(ANOVA)顯示6500K組和5000K組之間的各光源都不存在顯著差異(假設檢驗結果分別為p=0.069和p=0.572)。

偏好度的比較實驗中，根據每位被試評分計算，6500K組的光源偏好度順序為:CFL(3號)＞LED(2號)＞Halogen(1號);而5000K組中，Halogen(4號)與LED(5號)相同。為了檢驗被試評分的一致性，根據實驗結果進行了肯德爾和諧系數W(Kendall's coeficient of concordance)檢驗，6500K組中W=0.31，P＜0.05，說明被試對6500K組的評分具有統計學意義上的一致性。

圖5 各測試光源對各MCC色卡上顏色樣品的顏色還原性優劣比較

3.3 視覺實驗與CRI、CQS計算值的比較

關于顏色還原性，基于顯色指數CRI和美國NIST提出的CQS指數的計算，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價的視覺實驗，該熒光燈樣品較LED未見明顯優勢，對于不同顏色的樣品，它們的還原性各有利弊。

人們對各樣品的偏好度更是與CRI和CQS大相徑庭。其中，對飽和度因素進行補償的Qp的計算值與Qa有所區別，但是仍然與實際的偏好度不符合。具有很高的CRI和CQS值的6500K鹵素燈反而比同色溫的熒光燈、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 結論

(1) 顯色指數CRI無法反映光源顯色性(即對被照物體的顏色還原性)的實際情況，更不能用以評價人們的偏好度;

(2) 針對本次測試的樣品，CQS指數與顯色指數CRI計算值接近，在評價光源顏色質量的準確性上，與CRI相比未見優勢。若CQS要取代CRI成為新的標準評價體系，仍有待進一步的完善，提高其普適性;

(3) 光源的顏色質量是一項綜合性的評價，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勢，在實際應用中可加以利用，如在商業照明中，提供白光普通照明的同時，在照明藍色、黃綠色商品時，可增加其顏色飽和度，以提高商品吸引力。

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