光源顯色性評價標準與高清電視畫質的關系

【摘 要】 介紹顯色指數（CRI）、色質指數（CQS）和電視光源一致性指數（TLCI）等光源顯色性評價方法，分析高清 演播室中，上述標準與電視畫質的關系。

【關鍵詞】 顯色性；高清演播室；顯色指數；色質指數；電視光源一致性指數

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2016.05.009

【Abstract】The method of measuring the color including the color rendering index （CRI）， color quality index （CQS） and TV light consistency index （TLCI） were introduced in this paper， and the relationship between the standard and the quality of the television in HD studio was analyzed.

【Key Words】color rendering property； HD studio； color rendering index； color quality scale； television lighting consistency index

引言

近年來，隨著電視技術的進步，電視分辨率從標清、高清發展到超高清（4K、8K），電視畫面發生了質的變化；同時，電視節目，尤其是高清節目，對照明光源品質的要求也在不斷提高。

電視燈光是一種藝術語言。演播室燈光對于塑造人物形象、清晰的畫面錄制和滿足節目制作要求起著至關重要的作用。照明光源顯現被照明物體顏色的性能稱為顯色性。熟悉掌握光源顯色性的評價方法及標準的應用，已成為電視燈光師和導演做好電視節目錄制的基本功之一。

1 電視演播室光源概述

1.1 鹵鎢燈

多年來，鹵鎢燈是演播室制作的常用光源。其優點是可以平滑調光，顯色指數接近日光。缺點是發光效率低、熱耗大、使用壽命短。

1.2 熒光燈

熒光燈被證明比鹵鎢燈的效率要高出四、五倍，有較長的使用壽命，顯色指數高。

1.3 高強度氣體放電光源

高強度氣體放電光源是新一代高品質光源。其中，金屬鹵化物燈顯色指數高，光效高，壽命較長，廣泛用于電腦燈及室外照明燈具。

1.4 LED光源

LED光源呈現出更加燦爛的視覺效果，且節能環保，使用壽命長，正逐漸成為演播室的主要光源。LED燈的發光效率可達鎢燈的10倍以上，一定的LED燈組合可以組創連續光譜，提供亮麗的色彩還原，功耗低，光效高，調光迅速，不產生紫外光和IR輻射[1]。目前，國產LED舞臺燈具，色彩和飽和度可實現連續變化，利用多種顏色混合產生的白光可以實現理想的照明效果。

2 光源顯色性的評價

顯色性是評價光源的關鍵參數之一。

2.1 光源的顏色特性

顏色來源于光，不同波長的可見光輻射的能量不同，在人眼的視覺上反映出的顏色也各不相同。可見光譜的波長在380 mm～ 780 mm之間。

對于一個固定顏色光源發出的光線，常用兩個不同的術語表征顏色特性[2]：

（1）光源的色表，即人眼直接觀察光源時所看到的顏色。

（2）光源的顯色性，即光源發出的光照射物體后，物體顏色呈現效果的特性。

2.2 光源的色表

在照明應用領域，常用色溫定量描述光源的色表。當一個光源發射出的光的顏色與黑體（完全輻射體）在某一溫度下所輻射出的光的顏色相同，黑體的溫度就稱為該光源的顏色溫度，簡稱為“色溫”。色溫用絕對溫標（K）表示。

2.3 光源的顯色性及評價標準

國際照明委員會（CIE）用“顯色指數”（Color Rendering Index，簡稱CRI）來表示光源的顯色性[3]。

顯色指數包括一般顯色指數（Ra）與特殊顯色指數（Ri）兩種。Ra的確定方法，是以選定的一套共8個有代表性的色樣，在待測光源與參照光源下逐一進行比較，以確定每種色樣在兩種光源下的色差Ei 。按照約定的定量尺度計算出光源對每一種色樣的顯色指數Ri，即特殊顯色指數。公式如下：

一般顯色指數Ra則是8個色樣顯色指數算術平均值：

一般的人工照明光源，用Ra評價顯色性指標就夠了。需要考察光源對特定顏色的顯色性時，需引用另外規定的檢驗色樣，分別是深紅、深黃、深綠、深藍、白種人膚色、葉綠色、中國女性膚色（僅在中國），如圖1所示。光源的顯色指數越高，其顯色性越好。與參照光源完全相同的顯色性，其顯色指數為100。一般認為Ra=80～100，顯色性優良；Ra=50～79，顯色性一般；Ra<50，顯色性較差。圖1中1#?8#為非飽和色塊，9#?14#為飽和色塊。

3 LED光源的顯色性及評價方法

3.1 顯色指數CRI

若把CRI應用于RGB組合型LED，可能引起誤導，因RGB組合型LED缺少大量黃色光譜，它對黃色的顯色性很差。RGB組合型光譜的波峰狹窄且波峰之間的間隔較大，光譜分布對波峰外飽和色的顯色性很差。

CRI計算采用的標準色樣板為非飽和色，對于衡量連續且頻帶較寬的光源的顯色性比較好；對于LED 等飽和色光源，顯色性評價準確性會有一定的誤差。

如圖2，選取12塊標準色卡與標準光源對比，受試LED光源A（Ra =80）對右邊四塊飽和色的表現不如受試LED光源B（Ra =67）。

3.2 色質指數CQS

基于 CRI 在評估 LED 光源時，存在色空間不均勻、標準色樣少、飽和度過低等問題。美國國家標準與技術研究所給出一種新方法——色質指數（Color Quality Scale ，簡稱CQS），來評價 LED 等新型白光光源的顏色品質。

與CRI類似，CQS也采用驗色法。通過被測光源與參考光源，照射同標準色樣，計算出它們之間的色差。區別于CRI的非飽和色，CQS選取15種飽和色，它們平均分布于整個可見光譜中[4]。

如圖3，色質指數CQS測試色板的顏色由紅到紫構成近乎連續變化的偏飽和顏色。

計算CQS值所需的數據都可以從光源的光譜和色樣的顏色屬性中推導出來，對15塊色樣的顏色位移量的初始計算與對CRI色樣的計算相似，但是CQS值是取15個數據的均方根值，即：

式中：Qa——Qi的15個數據的均方根值；

Qi ——被測光源與參考光源照射同一套標準色樣的色差，i取1～15。

相比于CRI（Ra）的計算，CQS（Qa）的計算方法在色差的權重上得到了增強，這樣即使在色樣間有一些色差，也不會對最終結果產生重大影響。

CQS 兼顧了LED白光等飽和色和樣板色的完整性，但在準確評價顏色的保真度、偏好度不同種族人群方面，需要進一步進行視覺實驗和完善。

3.3 電視光源一致性指數TLCI

歐洲廣播聯盟（European Broadcasting Union，簡稱 EBU）在2011年11月發布了另外一種針對演播室燈光的測試標準——電視光源一致性指數（Television Lighting Consistency Index，縮寫為TLCI），它充分考慮了電視攝像機對照明環境的要求。

TLCI是用光譜輻射計對一個光源發出的光譜能量分布進行測量和計算的。TLCI標準的測試與CRI有些類似，是由一張色彩對比圖標顯示比對結果確定的。其測試色塊有24塊，如圖5，左側測試色塊顯示了由標準攝影機所還原并在標準顯示屏上顯示的參考光源和被測光源，右邊的表格提供了12個色彩區塊調整亮度、色度和色調所需的指示。右下的圖示則畫出了被測光源（深黑色曲線）和參考光源（淺色曲線）的光譜強度分布對比圖[5]。

4 高清演播室中光源顯色性評價標準的運用

結合燈光顯色性標準評價方法，在高清演播室燈光升級改造及節目錄制中，可運用CIR和TLCI顏色標準評價方法，對燈光系統和節目場景進行新的設計調整。高清電視清晰度高，取景范圍寬，寬高比由4：3提高至16：9，色域表達更加豐富。畫面細節和顏色呈現得更加清晰絢麗。因此，對光源顯色性、燈具的選擇都有明顯的提高。以兩種類型演播室為例：

4.1 中小型高清演播室

中小型高清演播室，一般可分為訪談、新聞、虛擬、多功能等幾種類型。它的特點是以人物為主，燈光效果相對固定，變化較小。目前，在演播室主要采用LED燈具作光源。我們知道一般LED光源有缺陷，這種RGB的白光光譜與傳統鎢絲燈的白光光譜比較差別很大，如圖6、圖7所示。它是一個連續性很差的光譜，它的TLCI值只有20，CRI值是75。為解決這一問題，在高清演播室，采用高品質LED燈具做基礎光源，色溫由3 200 K變為6 000 K，克服了光譜連續性差的缺點。如圖8和圖9為視頻效果圖，其中每個燈光場景CRI值與TLCI值相近，滿足電視燈光顏色一致性指標。

4.2 大型綜藝高清演播室

首先，要對大型綜藝高清演播室的燈具進行選擇和優化；同時參照顏色評價標準和色卡測試法，用標準攝像機還原的光源色彩區塊，光源光譜強度分布對比圖，調整亮度、色度和色調等指標，以得到較好的燈光、視頻色彩。高清綜藝演播室主光、副光、逆光基本光線的光位處理方法是靈活多變的，所產生的效果也是相互制約的。不同場景燈具的選擇要注意色溫、照度、光比、顯色性等參數，以保持色彩還原一致性。

在燈光設計時，優先選擇高品質燈具做基礎光源。LED舞臺燈具色彩和飽和度可實現連續變化，利用多種顏色混合技術產生的白光，可以實現理想的照明效果。所以，燈具的優化選擇，是保證高清演播室光源品質的重要的基礎工作。

當燈光師在演播室中，為實現最佳燈光效果，對被攝對象進行布光照明、確定光位、測光強度、調整光比、排除干擾的時候，更應重視色彩還原問題。

不難看出，TLCI 與 CRI 的測試目的和方法有所不同，TLCI 針對的是攝像機而CRI 針對的是人眼的觀測。色彩表現力都用數字 0～100的數值；但兩者并不呈線性關系。CRI 值高的光源，TLCI 值不一定高。CRI的測試和計算是基于人眼對顏色的分辨能力；而TLCI 的計算也參考了攝像機對顏色的分辨能力。因此，要很好地理解運用燈光顏色標準設計燈光場景。特別是在大型綜藝演播室中，要得到很好的色彩效果，不僅在視覺上，而且在視頻錄制中要保持畫質色彩的相對一致性。圖10和圖11是在2 800 m2演播室錄制的視頻效果截圖，前者僅采用CRI一種標準錄制，現場燈光色彩感較好但電視攝像機色彩還原一致性差；后者參照CRI和TLCI兩種標準設計的燈光場景視頻截圖，現場與錄制的顏色效果一致性較好。CRI和TLCI數值是用UPRtek MK350光譜儀測得的相對參考值。

5 結束語

沿用40多年的CRI，并非專用于電視演播室的燈光標準，但仍是普遍認可的度量標準；CQS是在CRI基礎上提出的改進方法，兩者都不是針對電影和電視攝像機的特性制定的。TLCI方法是在考慮攝像機、顯示器特性的基礎上建立的評價方法。

隨著燈光師、導演對視覺效果要求的逐步提高，需能夠適用于人眼也適用于電視或電影攝像機，真實反映各種光源的顯色性。如何選擇高質量的光源，特別是演播室燈光行業，需要一個有效且宜用的標準。

參考文獻：

[1] 雷振聲. 有關演播室和劇院用LED等的一些設計考慮[R]. 2013.

[2] 姚涵春. 光源的顏色[J]. 演藝設備與科技，2006（1）.

[3] [美]邁克·伍德.解析顯色指數CRI[J]. 施端，譯. 演藝科技，2010（11）：15-18.

[4] [美]邁克·伍德.顯色指數CRI與色質指數CQS[J]. 施端，譯. 演藝科技，2010（12）16-19.

[5] 北京照明協會照明設計專業委員會. 照明設計手冊（第2版）[M]. 北京：中國電力出版社，2006.

作者簡介：

王立，黑龍江廣播電視臺技術委員會技術監審，高級工程師，原電視臺制作部副主任，長期從事電視節目編輯、制作、播出系統的維護運行和管理工作，獲東北地區科技進步一等獎、國家廣電總局技術質量獎二、三等獎等獎項。