再論光源顯色性

[美]邁克·伍德

【摘要】闡述光源顯色性度量方法的研發歷史和應用現狀，列舉CRI、CQS的優缺點，推薦TM-30-15，引薦新的度量方法，以客觀、準確和全面地反映光源顯色性的真實性能。

【關鍵詞】顯色性；顯色指數CRI；色質指數CQS；保真度指數R_f；色域指數R_g；TM-30-15

筆者已經撰寫了許多有關光源顯色性的專題文章，但是這個專題如此重要，而通常又有很多誤解，故筆者再次返回到這個主題。

1關于一般顯色指數CRI

在PLASA雜志《PROTOCOL》2010年冬季刊和春季刊上，筆者論述了顯色指數CRI（Color RenderingIndex）以及它的問題和解決方法色質標準CQS（ColorQuality Standard）。顯色指數CRI原本只是為電光源制造商研發的用來描繪熒光燈白光特性的一種度量方法，因而它的作用是非常有限的。CRI對不連續光譜的表現是很糟糕的，例如，來自RGB LED光源的光譜，因為CRI使用了有限的一套比色試驗樣本，光源容易被優化而使得CRI數值比它實際上的要好?？瓷先ハ嗨频腞GBLED燈具具有不同的CRI，其數值變化范圍從可憐的40一直到完全可接受的80，這些數值能真實地表現它們光輸出的顯色性嗎？

CRI不是被設計用來測量RGB LED多色組合光源所產生的白光，當它被應用于LED光源時，可能會引出誤導的結果。例如，來自試驗色彩比較的8個特殊顯色指數被一起平均，以獲得最后的一般顯色指數CRI，即使光源的呈現測試過程，其中一個或兩個色彩較差，它也能夠獲得很好的CRI數值。使用RGB LED光源時，在黃色光譜處有一個很大的缺口，因而燈具呈現黃色的能力很糟糕，但是仍能獲得可接受的CRI數值。此外，因為8個標準樣品色都是飽和度相當低的色彩，光源呈現高飽和度色彩時它的表現又將如何呢？CRI卻沒有提示相關的信息。對于產生自RGB LED光源的分得很開且以窄波峰光譜呈現的這些波峰之外的高飽和度色彩，其顯色性表現得很糟糕，但是一般顯色指數CRI卻并不指明這個缺陷。顯然，它也將色彩科學運用于長期過時了的顯色性數字化表述。

2關于色質指數CQS

認識到上述這些以及其他相關問題，NIST（National Institute of Standards and Technology，美國國家標準技術研究所）提出了一個稱為色質指數CQS（Color Quality Scale）的新度量標準。目的是，處理解決來源于標準色選擇的缺點和應用于顯色綜合結果的數學方法等問題；同時，它應用于標準色芯片檢測時能保持CRI的優點，并指出與現實世界的直接關系。CQS試圖使用更多的色彩樣品來處NCRI的主要問題，即，使用15個色彩樣品替代原先的8個色彩樣品，選擇這些均衡分布于整個可見光譜中的飽和色。

這個被提議的新量度標準曾遭遇到形形色色不同的反應。對于某些用戶，例如娛樂燈光行業，那些頻繁使用RGB的用戶，它在CRI方面提供了巨大的改進。事實上，PLASA技術標準計劃（PLASA Technical StandardsProgram）在其光度學標準中推薦CQS的應用，例如，在ANSI E1.41-2012.Recommendations for Measuring andReporting Photometric Performance Data for EntertainmentLuminaires Utilizing Solid State Light Sources（測量和報告使用固態光源的演藝燈具光度學性能的建議）。然而，對于僅僅對白光感興趣的用戶，尤其是對熒光粉轉換型白光感興趣的用戶，其優勢就不太明顯了。

雖然CQS相對CRI有一些優點，但它仍然沒有解決僅提供單一數字作為量度標準的局限性。我們知道，CRI（或CQS）為70的白光在顯色性方面的性能相當糟糕。然而，通過這個很差的單一數字，并不能知道問題發生于紅色還是發生于藍色？也不知道它是由于欠飽和或過度飽和顏色的哪一種出現過錯？紅色過飽和的光源與藍色未飽和的光源可能具有相同的CRI（或CQS）。它們單獨看上去可能是可接受的，但是，如果一起使用的話，看上去那是可怕的。

CIE（International Commission on IHumination，國際照明委員會）一段時間以來一直致力于替代CRI的研發工作，這項工作已被兩個或三個委員會通過，但迄今為止，他們還是沒有達成共識，我們還是沒有官方提供的選擇。

筆者還必須說，一些大型電光源制造商一直非常樂于允許原有的描述性的一般顯色指數CRI能繼續作為唯一的官方度量標準。CRI使得它們的光源產品看上去很好，因此，很容易將這種光源說成是用戶所需要的產品。那么，什么是用戶需要的新度量標準呢？

3關于新度量標準TM-30-15

為了行之有效，推出的更好的度量標準必須來自于用戶和燈光實踐者，因為他們是最終有影響作用的專業工作人員。為此，IES（Illumination EngineeringSociety，北美照明工程學會）顏色委員會承擔了提議一個新的解決方案的工作，任命組建顏色工作組，以負責研發工作，并提出一個新的度量標準或一整套度量標準以滿足不同的需要，以及處NCRI和CQS的相關問題。（信息披露：筆者是IES顏色委員會的委員，所以了解研發工作進展方面的相關信息，但是筆者不是研發該提議的工作組成員。）

該提議由IES作為技術備忘錄，TM-30-15，IESMethod for Evaluating Lighting Source Color Rendition（IES評價照明光源顯色性方法）于2015年8月發布。TM-30吸取了過去30年開展研發工作所取得的大量的顏色感知方面的研究成果以及探索回答對CRI的關注，并同時是仍然保持容易使用和辨識的一種參照標準。

TM-30中的一部分內容，讀者會非常熟悉。它仍然使用顏色樣品以及比較它們在理想照明光源下的呈現效果。然而，它使用均衡地分布在整個可見顏色空間和光譜中的99個顏色樣品，以替代原先的8個或15個顏色樣品，見圖1。使用大量的樣品意味著最優化和玩弄這個度量標準是更為困難了，如果這并非不可能辦到的話。

3.1兩個新度量指數

TM-30提供兩個主要的結果而不是一個。第一個是保真度指數（Fidelity Index）R_f，在概念上它與CRI所提供的單一數值R_a相似。R_f是一個表明保真度從0到100的數值，反映被檢測光源比較參照的白光光源對人眼所呈現的顯色效果。其數學上優于CRI，因為使用的顏色樣品數量極大地增加，它們的平均值顯得更為合理（雖然R_a和R_f有相似的數值范圍，但它們是不相同的，因而將不直接被用于比較或被擁有相同的數值目標。）

TM-30所提供的第二個度量指數是色域指數R_g。色域指數提供的是一種被測試光源相對于參照光源所做的色域測量值。換句話說，它提供一個新的度量標準，以評價被不正確呈現的顏色是過飽和的還是欠飽和的。就一切情況而論，R_g為100顯示，被測試光源能如同參照光源一樣，以相同的平均飽和度水平呈現色彩。R_g大于100指示過飽和，而低于100則顯示欠飽和。R_g的數值范圍將取決于光源的保真度。例如，一個R_f為60的光源具有R_g約為60～140的可能范圍。R_g數值高于100可能是理想的，也可能是不理想的，這取決于如何使用。依筆者的看法，過飽和色彩正如同欠飽和色彩一樣常常是糟糕的，可能給予目的物一個卡通片似的外貌。

3.2R_f和R_g的關聯

圖2中，通過繪制實際光源的R_f和R_g，展示這兩個指數可能取得的數值范圍以及它們之間的關系。注意到，光源保真度R_f越接近100，那么其色域指數R_g的范圍就有可能越小。一個完美的光源是這兩個度量指數都完美的光源。相反，保真度R_f越低，其色域指數R_g的可能范圍就越大。光源的顏色保真度越低，那么其欠飽和色或過飽和色就越多。真實世界的光源趨向聚集于R_g小于100的區域，也就是，那些色彩是欠飽和的，但是也有許多例外。如果仔細觀察幾個真實光源，就能發現什么將繼續是更好些的。

圖3展示被繪制在色域指數/保真度指數圖上的幾個熟悉的光源。鹵素燈位于作為完美光源100：100點位的最右端。一些可能的RGBA光源則以深藍色標記被顯示。它們呈現出擁有一定的R_f和R_g數值范圍。R_f為90的RGBA光源可能具有極好的顏色保真度，但是要注意到它在R_g接近110時的色彩如何過飽和的。這種情況可能是可接受的，但是或許是不能接受的。對于很多應用，R_f稍低于85但R_g為100的RGBA光源實際上可能是更好的。在理想世界里，應用于娛樂燈光的光源或許是100：100的白熾燈，但是事實上沒有真實光源是這樣的，選擇那些不僅具有可接受的顏色保真度而且具有理想色域指數的光源，是合乎用戶和設計師要求的。筆者建議，對于劇場和戲劇燈光，大多數時間并不需要過飽和色彩。大家更喜歡它們是自然的色彩效果。然而，對于音樂會、主題公園以及搖滾樂演出，顯示的可能不是這種情況，過飽和可能恰恰是很好的。TM-30給予的信息以CRI從不能做到的方法作出判斷。

3.3色矢量圖

為了幫助用戶理解R_f和R_g兩個量值意味著什么，TM-30提供一對表示信息圖標的圖表，在圖表上可看見有多少色彩的呈現效果是糟糕的。例如，圖4展示RGBA LED光源的色矢量（Color Vector，或稱色向量）和彩色失真（Color Distortion）圖表。

這個光源具有R_f數值74和R_g數值90。所以，知道它在顏色保真度方面有些限制，但是這個單獨的數字并沒有告訴限制在哪里。而這個圖表實際上能幫助知曉它限制在哪里，在左邊的圖標顯示光源在哪里欠飽和，在哪里過飽和。它也顯示了：通過短矢量箭頭，色彩是如何被失真的。例如，用戶可以看見綠色傾向于向黃色變化。第二個圖表僅僅顯示欠飽和與過飽和，但是以更清晰印刷的圖標來顯示，按筆者的看法，方便你能更快地理解。用戶可以立即看見，最大的色彩失真發生在橙色、紅色和品紅色之間，而藍色和黃色的影響則沒有這么大。當用戶注視一個以上光源和試圖估計它們互相是否匹配時，圖表實際上變得更為有用了。圖5顯示分別具有完全相同的R_f和R_g數值，即R_f=82和R_g=95的兩個光源。單從數字看，可能假定它們是完全相同的，但是其光譜和圖表則顯示并不是這樣的。

圖中的上部光源欠飽和的紅色和綠色，而下面光源在這些色彩方面幾乎是完美的，取而代之則是欠飽和的黃色。這給用戶一個顯著的提示，雖然這兩個光源在白色或淺色背景上可能非常匹配，當照明飽和的紅色目的物時，它們看上去將非常不相同。實際上，下面光源在630nm的那個紅色大波峰就確證了那可能是個問題。

關于R_f和R_g的應用，有更多東西需要學習和探討。經驗需要在為自己和客戶的工作中及工作之余獲得，因而筆者知道需要再一次返回到這個主題。目前，筆者強烈推薦使用TM-30中的R_f和R_g，也鼓勵用戶要求光源產品供應廠家提供替代CRI的這些新度量指標。它們相關的計算是很容易的，IES提供Excel電子數據表用做數學運算，并產生本文顯示的所有結果和圖表。用戶需要的一切是受檢測光源的光譜。

3.4 CRI≠R_f

現在用如何顯示真實光源的CRI（R_a）和R_f比較的這張圖表（圖6）來結束這次闡述。是否可以，假定優良的CRI就意味著一個光源將獲得優良的R_f或者相反？回答是明確的：不！實際情況全反映在這張圖表上，通常，大多數光源具有低于CRI數值的R_f值（即，位于圖表上紅線之下），但是也有例外。在CRI值相同的條帶之內，擁有R_f可能量值的巨大范圍。例如，觀察CRI=80的色彩較暗的垂直條帶。CRI為80的光源具有R_f的數值范圍可從71直至87，幾乎包含著16個分散的點位。大多數光源的R_f很糟糕，但是一對LED光源卻表現得很好。將出現在新度量指標下顯得更糟糕的光源是非常相同的窄光譜帶的熒光燈，而CRI設計得使這種光源（的數據）看上去很好，這種情況的出現是毫不驚奇的。