白光LED颜色质量评价方法研究*

程雯婷 孙耀杰 童立青 林燕丹

(复旦大学电光源研究所先进照明技术教育部工程研究中心，上海200433)

1 显色指数与光源颜色质量评价

如今人们对室内照明质量的要求越来越高，照明评价也从过去以照度为主要指标，向基于舒适性的综合评价发展。其中光源的颜色质量(color quality)是决定室内照明效果的重要指标之一。

1.1 显色指数(CRI)存在的缺陷

在过去数十年，国际照明学会(CIE)制定的显色指数(CRI)是最常用的评价颜色质量的指数。但随着新光源的出现和研究的深入，其存在的问题也日益凸显［1］。根据CIE对于显色性(color rendering)的定义，它是指与参考照明体下的色表相比较，一个光源对于物体的色表产生的效果［2］。用于评价的指数即显色指数CRI(Color Rendering Index)。

美国［3，4］、匈牙利［5～8］、法国［9～11］等研究者均发现，CRI在用于评价光源，尤其是LED的显色性时，存在许多问题，如色空间不均匀、颜色样品数量少且饱和度过低等。不仅如此，用光源的显色性来评价颜色质量本身存在着问题。根据显色性的定义，其评价的是光源对于物体在参考照明体下的颜色还原性(color fidelity)，所以不管物体的色表往什么方向偏离，显色指数都会降低。但实际运用中，如果光源使颜色饱和度增加，可以提高视觉清晰度和视亮度，所以单纯用显色指数来评判光源颜色质量是不全面的［12］。基于以上考虑，CIE在2007年的技术报告［13］中明确提出:目前的显色指数CRI不能有效反映包括白光LED在内的白光照明光源的显色性优劣。

1.2 新的光源颜色质量评价体系的形成

为了修正CRI的一些问题，美国NIST的Wendy Davis和Yoshi Ohno［14，15］开发了一套新的评价系统CQS(Color Quality Scale)。但该系统主要基于数学计算开发，其可靠性仍有待更多的视觉实验验证。例如Nicola Pousset等人［16］将其颜色偏好度实验结果与各光源的CQS值进行比较，结果发现CQS值在反映真实颜色质量上不尽人意。

要全面地评价光源的颜色质量，需要考虑很多因素，如颜色还原性，色调的区分度(hue discrimination)，颜色鲜艳度(vividness)，人们对颜色的偏好度(preference)，视觉清晰度(visual clarity)，视觉舒适度等等。目前为止国际上未形成统一的光源颜色质量评价体系，但有一点可以肯定:决定光源颜色质量的是人的视觉感受。因此，我们需要基于大量的视觉实验来确定该评价体系。

目前的研究主要采用的方法可归纳为:保持桌面照度或视线方向亮度相同;并保证各待测光源具有接近的色温或色坐标;被试进行的视觉任务主要有:考察颜色还原性(即显色)的色差评价;考察偏好度、鲜艳度、协调度等的主观评分;考察颜色区分度的辨色实验。但目前大多研究均为视觉实验结果与显色指数CRI的比较，并已获得明确结论，对于CQS体系的验证仅含颜色偏好度，不含颜色还原性等其他方面的研究，因此还有待完善。此外，大部分视觉实验针对欧洲人群，由于东西方人群的颜色偏好差异，其结果未必适用于亚洲人。因此，本实验对光源的CRI和CQS均进行了计算，并基于视觉实验考量了颜色还原性和颜色偏好度两方面特性，以期在CQS系统的可靠性验证方面作出完善，并为颜色质量评价的视觉实验补充亚洲人样本。

2 实验方法

实验选取了5种光源，其中2种卤素灯、2种LED和1种紧凑型荧光灯(CFL)，均为市场上的高端产品，其中卤素灯作为相同色温下的参考光源。光源基本信息见表1，按照色温将5种光源分为6500K组与5000K组两组进行，分开进行视觉实验。首先采集了各光源的相对光谱功率分布，见图1、图2，光谱采集仪器为STC3000光谱仪，然后基于光谱计算了CRI和CQS两类指数。

表1 实验用光源的相关信息

视觉实验在一暗室内进行，制成两个独立的隔间，如图3所示。隔间顶部安装有光源，不产生眩光，均匀照射在桌面上，两隔间桌面平均照度均为500 lx。

图1 光源相对光谱功率分布(6500K组)

图2 光源相对光谱功率分布(5000K组)

图3 视觉实验场景

实验采用被试者内设计(within-subjects design)的方法，选取10名被试，其中5男5女，年龄为20至24岁，均具有正常的视力或矫正视力，且经过筛选，无色盲等其他眼疾。利用抵消实验条件的设计(reversal experimental condition design)，每位被试均参与所有实验条件下的三组实验任务。第一项为色差的评分。实验采用的MCC色卡是CIE规定的用以比较待测光源与参考光源色差的标准方法。实验时，在两个隔间桌面上分别放置MCC色卡，隔间一边放置待测光源(CFL或LED)，另一边放置相同色温的卤素灯作为参考光源，令被试观察两套色卡中的24对颜色样品，并对每一对的色差进行打分。打分的规则是，首先将色差感受归入VS(very small，非常小)，S(small，较小)，M(medium，中等)，L(large，大)，VL(very large，很大)五个大类(表2)，然后再进行5个等级的细分，最后以诸如VS4，L2的形式表示。为便于统计数据，统计过过时将得分转换为末尾行1～25的数字。

第二、三项实验均为偏好度的评价。隔间内放置了仿真花朵和水果，便于被试观察并作出判断。其中第二项为对各个光源的单独评分，包括从0(非常不喜欢)到100(非常喜欢)的评分，和从1(非常不喜欢)到5(非常喜欢)的评分。第三项为两两比较，令被试选出更喜欢的光源编号。

表2 色差评定标准及得分转换

3 实验结果与分析

3.1 CRI和CQS计算结果

表3显示了各个光源的CRI和CQS计算值。对于显色指数CRI，除了计算了一般显色指数(Ra)，还计算了4个高饱和度特殊显色指数的平均值R(9～12)，另外还单独列出了9号样品的特殊显色指数R9，因为R9是高饱和度红色样品，而目前LED往往在红色区域的显色性较差。由表可见，由于9号样品在5号光源下产生过大的色差，R9呈现了负值。这也正证明了CRI指数存在问题。CQS的计算值里包括了Qa，Qp，Qf三种。CRI中存在的一个问题是把有益于视亮度增加的饱和度增加也作为色差，引起CRI值的降低，因此Qa计算中将由饱和度增加引起的色差去除在外，而Qf(fidelity)则完全依照显色性的颜色还原性这一定义，未剔除此类色差，而Qp(preference)则从偏好度角度考虑，鉴于增加饱和度可以提高偏好度，所以饱和度增加引起的色差不但不减小分数，反而额外增加分数。因此从结果可以发现，三个CQS值不尽相同，1，2，3，4号光源从整体上看都使颜色样品的饱和度在不同程度上有所增加。

表3 测试光源的CRI和CQS计算值

3.2 视觉实验结果与分析

24个颜色样品在不同光源(2号6500K LED，3号6500K CFL，5号5000K LED)与对应的参考光源(同色温的卤素灯)下的色差得分结果如图4所示。方差分析(ANOVA)显示，对其中8个样品，三种光源在0.05的显著水平下有显著差异(见表4)。通过进一步的两两比较得到各光源在一些颜色样品下的还原性优劣(见图5):(1)对于样品4，11，16，2号(6500K LED)优于3号(6500K CFL);(2)对于样品7，18，3号(6500K CFL)优于2号(6500K LED);(3)对于样品1，2，4，16，21，2号(6500K LED)优于5号(5000K LED);(4)对于样品1，2，7，18，3号(6500K CFL)优于5号(5000K LED)。由此可见，对于不同颜色样品，三种光源(6500K LED;6500K CFL;5000K LED)在显色性能上各有利弊，显色指数高的CFL，未显示出特别优势。

图4 24个MCC色卡的颜色样品在3种光源于其对应的参考光源下的色差得分平均值

表4 ANOVA和配对比较结果(本表仅显示了ANOVA得到显著差异P＜0.05的颜色样品)

偏好度的主观评分中，0～100的评分与1～5的评分基本一致，但方差分析(ANOVA)显示6500K组和5000K组之间的各光源都不存在显著差异(假设检验结果分别为p=0.069和p=0.572)。

偏好度的比较实验中，根据每位被试评分计算，6500K组的光源偏好度顺序为:CFL(3号)＞LED(2号)＞Halogen(1号);而5000K组中，Halogen(4号)与LED(5号)相同。为了检验被试评分的一致性，根据实验结果进行了肯德尔和谐系数W(Kendall's coeficient of concordance)检验，6500K组中W=0.31，P＜0.05，说明被试对6500K组的评分具有统计学意义上的一致性。

图5 各测试光源对各MCC色卡上颜色样品的颜色还原性优劣比较

3.3 视觉实验与CRI、CQS计算值的比较

关于颜色还原性，基于显色指数CRI和美国NIST提出的CQS指数的计算，6500K和5000K的LED样品比6500K荧光灯样品的显色性(颜色还原性)差，但基于颜色样品色差评价的视觉实验，该荧光灯样品较LED未见明显优势，对于不同颜色的样品，它们的还原性各有利弊。

人们对各样品的偏好度更是与CRI和CQS大相径庭。其中，对饱和度因素进行补偿的Qp的计算值与Qa有所区别，但是仍然与实际的偏好度不符合。具有很高的CRI和CQS值的6500K卤素灯反而比同色温的荧光灯、LED偏好度低。可能的原因是，荧光灯和LED的光谱具有一些峰值，提高了一些颜色的饱和度，使颜色更鲜艳，物体更清晰。

4 结论

(1) 显色指数CRI无法反映光源显色性(即对被照物体的颜色还原性)的实际情况，更不能用以评价人们的偏好度;

(2) 针对本次测试的样品，CQS指数与显色指数CRI计算值接近，在评价光源颜色质量的准确性上，与CRI相比未见优势。若CQS要取代CRI成为新的标准评价体系，仍有待进一步的完善，提高其普适性;

(3) 光源的颜色质量是一项综合性的评价，需考虑显色性、偏好度等多种因素;

(4) LED在提高某些颜色饱和度、从而增加人们偏好度方面有一定优势，在实际应用中可加以利用，如在商业照明中，提供白光普通照明的同时，在照明蓝色、黄绿色商品时，可增加其颜色饱和度，以提高商品吸引力。

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［15］Wendy Davis，Yoshi Ohno．Towards an improved color rendering metric，Proc．of SPIE Vol．5941 59411G

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