基于顏色還原的顯色性評價方法的實驗驗證

肖　醒，邱婧婧，徐　蔚，魏敏晨，孫耀杰，林燕丹

(1.復旦大學電光源研究所　復旦大學先進照明技術教育部工程研究中心，上海　200433；

2.香港理工大學屋宇設備工程學系，香港　999077)

?

基于顏色還原的顯色性評價方法的實驗驗證

肖醒1，邱婧婧1，徐蔚1，魏敏晨2，孫耀杰1，林燕丹1

(1.復旦大學電光源研究所復旦大學先進照明技術教育部工程研究中心，上海200433；

2.香港理工大學屋宇設備工程學系，香港999077)

摘要：針對國際熱點顏色還原性的實驗評價，開展了CIE TC1-90技術委員會的一個國際平行實驗。該實驗旨在通過視覺實驗獲取數據，以驗證包括CRI2012，CRI-Ra，CQS-Qf，CRI-CAM02和IES-Rf在內的基于顏色還原的顯色性評價指標。實驗采用了11個測試光源，有10個被試參與。被試觀察兩個觀察箱中相同的顏色色塊后，對感知到的色差大小進行評分。該實驗結果顯示，與視覺實驗結果相關度最高的是CQS-Qf，緊接著是CRI-CAM02，之后分別是CRI-Ra、IES-Rf和CRI2012。

關鍵詞：顏色還原性；顯色指數；顯色性

引言

為了解決CRI-Ra中存在的問題，CIE成立了兩個技術委員會。一個是TC1-90，該技術委員會的目標是提出替代現行顯色指數的單一指標；另一個技術委員會是TC1-91，其目標是提出一系列用于評價光源顏色質量的指標。

因此，現有的對光源顯色性的評價方法主要可以分為兩類：一是基于顏色還原性的評價方法，如現行的評價指標CRI-Ra等；以及基于顏色質量的評價方法，如記憶顯色指數MCRI等。

近年來，許多實驗室都針對光源顯色性評價指標進行實驗研究?；陬伾|量評價方法的研究中，何駿等人(2015)開展了由70人次的被試在10種光譜下觀察10種常見物品的視覺實驗。實驗結果表明，對鮮艷度、自然度和喜好度的評價中，CRI-Ra的相關系數最低，且幾乎不具有顯著性，無法達到正常評價光源對物品顯色質量的要求。而基于顏色質量評價的指標，如MCRI-Rm、FCI、GAI等在對鮮艷度和喜好度的評價上都具有較高的相關性[5]。

在針對基于顏色還原性評價指標的研究中，Ronnier Luo等人(2015)開展了由10個被試在9對光源下觀察34種顏色色塊的視覺實驗。實驗結果表明，對色差評價上，基于顏色還原性的評價指標總體表現均優于基于顏色質量的評價指標。其中CQS和CRI-Ra與實驗結果的相關性最高，接著是CRI-CAM02UCS，最后是CRI2012[6]。這與本實驗的結果相近。

本文的研究圍繞基于顏色還原性的評價指標，包括CRI-Ra、CRI-CAM02、CQSQf、IES-Rf和CRI2012。接下來本文將對這5種評價指標作簡要介紹。

1基于顏色還原的顯色性評價方法

1.1　CIE通用顯色指數CRI-Ra

現行的顯色指數CRI-Ra是用來衡量光源對物品顏色外觀的表現程度。最早是由Nickerson等人在1965年提出，并于1974年在CIE的技術文檔中成為正式的光源顯色性的評價指標。

該指標的計算方法是基于色差的顯色性評價方法。在CIE1964U*V*W*均勻色空間中計算對8種色塊在測試光源和標準光源下的色差ΔEi進行計算，通過公式Ri=100-4.6ΔEi計算出每個色塊的特殊顯色指數Ri。后通過計算8個特殊顯色指數的算術平均值可得一般顯色指數Ra。

圍繞學科用戶對文獻資源建設的共性與個性化需求分析，筆者認為在“雙一流”背景下的學科化資源體系（見表1）建設，不僅要涵蓋基礎性文獻資源和系統化的學科專業資源［9］，還要結合不同層次學科的特點與發展定位，提供評估及應用型資源保障，從而滿足用戶多層次的信息需求。在資源載體選擇上，一方面可以遵循e-first的訂購原則，同時也要適當結合學科特點與資源屬性綜合考慮。

1.2　顏色質量尺度CQS-Qf

顏色質量尺度CQS是Davis和Yoshi Ohno在2010年提出的系列指標，旨在解決現行顯色指數Ra中的諸多缺陷[7]。其改進點主要體現在：采用了飽和度更高的顏色樣本、采用優化的CMCCAT2000色適應和CIELAB色空間、用均方根替代算術平均根、調整到0~100以防止負分的出現，以及引入了色溫因子。

1.3　CRI-CAM02UCS

CRI-CAM02UCS是Cheng Li和M Ronnier Luo等人于2011年提出的一個基于顏色還原性的評價指標[3]。

該指標在原理和計算方法上與現行顯色指數Ra存在諸多相似之處。但該計算指標中采用了基于M Ronnier Luo等人在2006年提出的CIECAM02顏色表現模型的標準顏色空間以替代CIE1964U*V*W*均勻色空間。

1.4　2012版顯色指數CRI2012

CRI2012是由Smet等人于2012年提出。[1]它針對現行顯色指數Ra進行了許多改進。例如，采用了兩套全新的顏色樣本，HL17是用于一般顯色指數的計算，而Real210適用于特殊顯色指數的計算；采用了CAT02色適應變換和CAM02UCS色空間；在數學算法上，采用了S型函數和均方根的計算方法。這些改進都旨在使得人的色差感知和實驗數據更相符。

1.5　顏色還原性評價指標IES-Rf

IES-Rf指標是北美照明委員會于2015年正式推出的一個基于顏色還原的顯色性評價指標。[8]其相對于現行顯色指數Ra的改進點主要有：解決了參考光源色溫從黑體到5000K日光的不連續性；采用了在顏色空間和波長上都均勻的99種顏色樣本；采用了CAM-02-UCS色空間；以及將最終評分調整到0~100以防止負分的出現。這些改進工作使得IES-Rf和CRI-Ra對具有平滑光譜曲線的光源顯色性的評價的區別較小，而對具有不連續的或尖銳的光譜曲線的光源顯色性的評價的區別較為顯著。這使得IES-Rf能夠更好地防止通過設計光譜以獲得較高的CRI-Ra數值。

IES-Rf已經成為CIE TC1-90技術報告的基礎模型，正在進行進一步的修改與提升。

2實驗方法

2.1　測試光源

本次實驗中采用了11個測試光源。光源類型為RGB LED和熒光燈。根據色溫的不同，測試光源被分成三組，每組的顯色指數范圍均為50~80。測試光源包括2850K、4000K和6500K三種色溫。對應的參照光源中2850K采用的是鹵鎢燈，4000K和6500K采用的是熒光燈。所有參照光源的顯色指數均高于90，其中鹵鎢燈的顯色指數接近100。觀察面的照度為500lx。圖1展示了所有光源的光譜功率分布圖，表1列出了所有光源的色度參數。

圖1　各實驗光源的相對光譜功率分布Fig.1　Spectral power distribution of all the light sources

類型標準/測試光源相關色溫RaDuvCRI2012RGBLED-1Testing2874K51-0.0017068RGBLED-2Testing2874K58-0.0044071RGBLED-3Testing2875K660.0031075RGBLED-4Testing4003K640.0200075RGBLED-5Testing3963K730.0130080RGBLED-6Testing6465K460.0006662RGBLED-7Testing6476K640.0110074RGBLED-8Testing6469K720.0130079FL-1Testing3987K830.0014079FL-2Testing6151K740.0100078FL-3Testing6371K810.0075082FL-4Reference3847K910.0006780FL-5Reference6368K930.0022090HalogenReference2573K1000.00041100

2.2　顏色樣本

現行顯色指數中使用了8種色塊用于指數的計算。由于8種色塊中缺少飽和度高的顏色，因此后來顏色樣本數量增加至14種。然而，這一改變仍顯不夠，因為它的色域面積仍不夠大。本次實驗采用了由日本顏色研究協會(JCRI)提供的20種顏色樣本。選擇這一樣本的原因是它有比現行采用的顏色樣本更大的色域空間。圖2展示了在LAB色空間中20種JCRI樣本和14種CRI顏色樣本所圍成的色域空間大小的情況。

圖2　在D65光源下CRI色塊的色坐標分布(三角形) 和JCRI色塊的色坐標分布(點)Fig.2　Gamut area of CRI(triangle) and JCRI(dot) of color samples under D65

2.3　觀察條件

本實驗是在兩個平行放置的邊長為0.5m的正方體觀察室中進行的，參見圖3。左邊的觀察室所使用的是參照光源，而右邊的觀察室則安置測試光源。觀察室的底部和側面均為黑色(反射率=0.03188)。

圖3　觀察室Fig.3　Two viewing booths

本實驗中被試的任務是衡量出兩個觀察室中放置的樣本的顏色差異。觀察者可以來回觀察兩個觀察室，這使得他們在給出評分和完成問卷時有充足的觀察和考慮時間。

2.4　過程

實驗開始時，被試有5 min的暗適應時間。之后，被試有30 s的時間適應參照光源的色溫。色溫適應結束后，兩塊完全相同的顏色樣本同時放置在觀察室底部中央。之后，要求被試同時觀察比較兩個色塊的顏色差異。觀察時間為15 s，觀察結束后完成5分制的評分表格(見圖4)。

圖4　評分量表Fig.4　The rating scale

參與本次實驗的10個被試均為大學生，其中男生5名，女生5名。他們在實驗前均參加并通過了Ishihara色覺測試，結果均正常。他們的年齡在19~21歲之間(mean = 20.2; STD = 0.4216)。

3數據分析

3.1　視覺實驗結果和各指標之間的關系

每一個光源下，都有20種顏色樣本，每一種顏色樣本都會有10個被試參與觀察評分。對于每個光源，首先計算出每個色塊的平均分，之后可以得到每種光源下20種色塊的平均分。最終可以得到2200個評價，也就是說為 1 個問題 × 20 種顏色樣本 × 11 種光照環境 × 10 個觀察者。

首先，通過線性回歸的方法研究CRI-Ra、CRI2012、CQS-Qf、CRI-CAM02和IES-Rf這5個和本次視覺實驗結果之間的關系。從圖5~圖9可以看到，與實驗結果相關度最高的是CQS-Qf，其R2值為0.6428。次之是CRI-CAM02，R2值為0.6171。接著是CRI-Ra，和視覺實驗結果之間的R2值為0.5712。再接下來是IES-Rf，對應的R2值為0.4969。相關程度最低的是CRI2012，其R2值為0.3645。

點為各光源下評分平均值，虛線為線性擬合結果圖5　CQS-Qf與實驗結果的線性相關性Fig.5　Correlation between CQS-Qf and experimental results

點為各光源下評分平均值，虛線為線性擬合結果圖6　CRI-CAM02與實驗結果的線性相關性Fig.6　Correlation between CRI-CAM02 and experimental results

點為各光源下評分平均值，虛線為線性擬合結果圖7　CRI-Ra與實驗結果的線性相關性Fig.7　Correlation between CRI-Ra and experimental results

點為各光源下評分平均值，虛線為線性擬合結果圖8　IES-Rf與實驗結果的線性相關性Fig.8　Correlation between IES-Rf and experimental results

點為各光源下評分平均值，虛線為線性擬合結果圖9　CRI2012與實驗結果的線性相關性Fig.9　Correlation between CRI2012 and experimental results

3.2　皮爾遜相關性檢驗

本文也對指標與視覺實驗結果之間的皮爾遜相關性進行了檢驗，結果展示在表2中。結果顯示CQS-Qf與結果的相關性最高，緊接著的是CRI-CAM02，之后是CRI-Ra、IES-Rf，最差的是CRI2012。該結果與Luo M.R.等人(2015)的結果相近[6]。

表2　皮爾遜相關性檢驗

3.3　單獨顏色樣本的皮爾遜相關性驗證

接下來的表3展示了每種顯色指數對每塊顏色樣本的評價效果。結果顯示研究的四種指標在評價黃色(2#~6#)和藍色(12#~15#)上效果很差。

表3　單個色塊的皮爾遜相關性檢驗

注：*—the difference is significant (P<0.05)；**—the difference is extreme (P<0.01)。

然而，也發現CQS-Qf在評價深綠色(10#~11#)上表現較好。同時，CQS-Qf、CRI-CAM02和CRI-Ra在評價綠色(8#~9#)和紫色及紫紅色(16#~20#)上表現較好，這由這三個指標在這些色塊上的皮爾遜相關指數較高可以看出。由前述的整體皮爾遜相關性驗證結果可以看出，CRI2012的結果與IES-Rf的結果較為接近，但從單個色塊的皮爾遜相關性檢驗結果可以看出，二者在具體色塊的評價能力上有所區別。CRI2012在評價紫色及紫紅色(16#~20#)上表現較為出色，而IES-Rf在評價黃綠及綠色(7#~9#)上更為出色。

4結論

從上述的數據分析，可以得出以下結論：

1)皮爾遜相關性的檢驗顯示出CQS-Qf與視覺實驗結果的相關性最高，緊接著是CRI-CAM02，之后是CRI-Ra、IES-Rf，最差的是CRI2012。

2)單個色塊的皮爾遜相關性檢驗結果顯示出，四個指標在評價黃色(2#~6#)和藍色(10#~11#)色塊上均表現不佳。然而，也發現CQS-Qf在評價深綠色(10#~11#)上表現較好。同時，CQS-Qf、CRI-CAM02和CRI-Ra在評價綠色(8#~9#)和紫色及紫紅色(16#~20#)上均表現較好。

3)本次實驗結果顯示，在評價光源顯色性方面，IES-Rf并沒有比現行顯色指數表現更佳。然而，現在蓋棺定論地說IES-Rf不如CRI-Ra還為時尚早。當然本次實驗結果卻也顯示出IES-Rf在評價黃色、紫色和紫紅色(18#~20#)上可以做出改進。

參考文獻

[1] SMET KAG, SCHANDA J, WHITEHEAD L, et al. CRI2012: A proposal for updating the CIE colour rendering index[J]. Lighting Research and Technology,2013:1477153513481375.

[2] XIN Guo, HOUSER KW. Areview of colour rendering indices and their application to commercial light sources[J]. Lighting Research and Technology,2004,36(3):183-199.

[3] LI Cheng, LUO M Ronnier, CUI Guihua, et al. Evaluation of the CIE Color Rendering Index[J]. Coloration Technology, 2011,127;129-135.

[4] 肖醒，孫耀杰，林燕丹，等.CRI2012及其對光源顯色性評價的實踐意義[J].照明工程學報，2014,25(4):1.

[5] 何駿，孫耀杰，林燕丹，等.光源顯色性評價方法總結與實驗驗證[J].照明工程學報，2015，26(4)：6.

[6] LUO M R, GU H T, LIU X Y, et al. Testing Colour Rendering Indices Using Visual Data Under Different LED Sources[C]. 2015.

[7] WENDY Davis, YOSHI Ohno. The Color Quality Scale[J]. Optical Engineering,2010,49(3):033602-033602.

[8] AURELIEN David, PAUL T. Fini, KEVIN W. Houser,et al. Development of the IES method for Evaluating the Color Rendition of Light Sources[J]. Optics Express, 2015,23(12):15888.

Experiment Validation of Color Rendering Index

Based on Color Fidelity

Xiao Xing1, Qiu Jingjing1,Xu Wei1, Wei Minchen2, Sun Yaojie1, Lin Yandan1

(1.InstituteforElectricLightSources,EngineeringResearchCenterofAdvancedLightingTechnology,

MinistryofEducation,FudanUniversity,Shanghai200433,China; 2.DepartmentofBuildingServices

Engineering;TheHongKongPolytechnicUniversity,HongKong999077，China)

Abstract：One of the parallel experiments within CIE TC1-90 was conducted, which aims at the evaluation of color fidelity. This experiment was designed to verify whether those color rendition indices based on color fidelity, including CRI2012, CRI-Ra, CQS-Qf, CRI-CAM02 and IES-Rf, are well correlated to visual evaluations. Eleven test light sources were included in this experiment and 10 subjects participated in the experiment. Subjects were required to observe the same color samples in two booths, and then to evaluate the perceived color difference. The results show that CQS-Qfcorrelates best with the visual evaluations, the following one is CRI-CAM02, then is CRI-Raand IES-Rspan, and the last one is CRI2012.

Key words:color fidelity; CRI; color rendering

通訊作者：林燕丹，E-mail:ydlin@fudan.edu.cn

中圖分類號：TM923

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.001