CRI 2012及其对光源显色性评价的实践意义

肖 醒，孙耀杰，林燕丹，熊 峰，杨 卫

(1.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; 2.上海半导体照明工程技术研究中心,国家半导体照明应用系统工程技术研究中心,上海 201203)

引言

光源显色性评价方法的提出最早是在1948年，当时提出以8波段的光谱带法来评价白光光源的显色性。但是在1955年提出的试色法最终取代了8波段的光谱带法，并在1965年被国际照明委员会(CIE)正式确立为评价白光光源的通用指标[1]。1974年，国际照明委员会对1965年的版本进行了改进，采用了更加优化的色适应公式及均匀色空间[2]。

在过去的几十年，随着研究的深入，现行显色指数中存在的诸多问题逐渐暴露，例如过时的均匀色空间、颜色样本不具代表性等，以新指标替代现行显色指数的呼声越来越高[3-4]。国际照明委员会也成立专门的技术委员会(TC1-90)来研究解决这一问题。本文介绍的CRI 2012这一指标就是这一技术委员会研究的最新成果，也是替代CRI这一指标的有力候选。

2013年6月，K.A.G.Smet等人发表了《CRI 2012: A proposal for updating the CIE color rendering index》的文章，系统地介绍了CRI 2012这一指标[5]。CRI 2012指标基本原理与现行显色指数相同，即采用颜色样本的评价方法、以参照光源作为评价标准，在计算流程上也基本相似。但是，CRI 2012指标在均匀色空间的选择、颜色样本的选用和数学计算方法上对现行显色指数做了改进，使得CRI 2012指标对于光源显色性的评价与视觉实验的结果更为匹配。

1 CRI 2012简介

1.1 CRI 2012的提出背景

现行显色指数(CRI)的定义为：通过有意识地或无意识地与标准光源对于物体的颜色表现性的比较，一个光源对该物体的颜色表现性的效果。CIE标准下的显色指数以8种标准色及4种特殊色样本为基准，平常一般的显色指数由8种颜色样本为准，计算公式如下：

Ri=100-4.6ΔEi

(1)

(2)

式中，ΔEi为每个特定的颜色样本在两个不同的光源在CIE 1964 U*V*W*均匀色空间下的颜色表现性差异；Ri为某一颜色样本i的特殊显色指数；而Ra为一般显色指数(8个特殊显色指数的算术平均数)。

但是，测试样本法被提出后就一直争议不断，因为其存在许多缺陷，如下：

(1)现行显色指数采用的色空间是U*V*W*均匀色空间，随着色空间研究的不断深入，1964年提出的这个色空间已经过时，在色差计算方面存在诸多问题。

(2)现行显色指数采用的8种颜色样本代表性不足。虽然之后颜色样本增加至15种，但由于其色域面积不够宽、颜色饱和度不足等问题使其仍不具代表性。

(3)现行显色指数适用于评价光谱连续的光源而对于光谱特定波长有峰值的光源(如三基色荧光灯、LED等)评价失效。

正是考虑到现行显色指数存在的诸多缺陷，国际照明委员会成立了专门的技术委员会TC1-90来研究和解决现行显色指数存在的问题，并旨在为工业界提出能够合理评价白光光源还原性的单一指标。该技术委员会最近提出的CRI 2012这一指标对均匀色空间、色适应变换公式和颜色样本等方面都做出了改进。

1.2 CRI 2012的计算方法

在前期大量研究工作的前提下，K.A.G.Smet等人在现行显色指数计算方法的基础上，对其进行改进，并最终提出了CRI 2012这一指标。该指标的计算流程与现行显色指数相似，但在许多方面做出了改进，使得该指标对于光源显色性的评价更为合理。CRI 2012的计算流程如图1所示。

图1 CRI 2012指标计算流程图Fig.1 Flowchart: the calculation of CRI 2012

具体计算步骤如下：

(1)测试得到测试光源的光谱功率分布(SPD)，由光谱功率分布计算可得测试光源的色温。根据色温值，可以得到对应的参照光源的光谱功率分布。

(2)分别计算10°视场角下测试光源和参照光源照射下颜色样本的三刺激值(XYZ10)T, i和(XYZ10)R, i。

(3)在CAM02-UCS均匀色空间中由(XYZ10)T, i和(XYZ10)R, i值分别计算出测试光源和参照光源下的色坐标(J′, aM, bM)T, i和(J′,aM,bM)R， i。

(4)由色坐标值可求得不同色块的色差值ΔEi，经过数学计算后可得CRI 2012。

从整体来看，CRI 2012指标的计算流程似乎与现行显色指数差别不大。但仔细观察，我们会发现二者之间存在诸多不同之处。首先是使用的颜色样本不同。现行显色指数最初使用的颜色样本是8种颜色样本，后来增加了4种饱和色、高加索人肤色、叶绿色和亚洲人肤色，共15种色块。不论是一般显色指数还是特殊显色指数所使用的颜色样本都是一致的。但是，在CRI 2012指标计算中使用了两套颜色样本，HL17颜色样本适用于一般显色指数的计算，而Real210颜色样本则适用于特殊显色指数的计算。其次，是均匀色空间由U*V*W*色空间替换成CAM02-UCS均匀色空间。相应地，色适应变换公式也发生了改变。最后是数学计算方面的改进，对算术平均求解一般显色指数做出了改进。

2 CRI 2012的改进点

2.1 颜色样本的改进

(1)HL17

CRI 2012采用了与现行显色指数完全不同的颜色样本。要解决现行颜色样本不具代表性的一个方法是增加颜色样本的数量。如果能够穷尽色域空间中所有颜色的话，则该颜色样本具有足够的代表性。但考虑到显色性评价指标是要推广到工业界的，这就要求指标的计算过程不能太复杂，耗时不能过长，故穷尽所有颜色的方法是不可取的。为了解决这一矛盾，该指标的提出者对颜色样本的光谱进行了数学设计。通过这一数学设计得到了HL17颜色样本，光谱功率分布如图2所示。该样本有17种颜色样本，这些颜色样本的光谱特性是均匀分布的。正是光谱特性均匀分布这一特点使得CRI 2012的数值能够反映局部光谱的特征。这改进了现行颜色样本对局部光谱特征不敏感的问题，能够有效地防止光源生产厂家通过设计光源光谱功率分布中特定波长的峰值来提高显色指数数值但实际并未提高光源显色性这一缺陷。

图2 HL17光谱功率分布图Fig.2 Curve: the spectrum power distribution of HL17

这一套通过数学设计得到的颜色样本适用于一般显色指数的计算。

(2)Real210

Real210这一颜色样本旨在提供更多的细节信息，这些信息能够更好地解释不同光源显色性不同具体体现在哪些色块的色差不同。

这组颜色样本中包含90种高颜色恒常性的样本和90种低颜色恒常性的样本，这里的颜色恒常性是指当照射物体表面的颜色光发生变化时，人对该物体表面颜色感觉是否改变的程度(如图3所示)。剩下的30种色块是10种常用的美术用色和出现4次的5种肤色(亚洲人肤色、高加索人肤色、西班牙裔肤色、大洋洲人肤色和南亚人肤色)，其中让肤色出现4次是为了提高其所占的权重。

图3 90种高颜色恒常性样本和90种低颜色恒常性样本、4×5种肤色和10种美术用色在CAM02-UCS中的色坐标Fig.3 CAM02-UCS coordinates aM, bM of the 90 high color constancy (HCC) and 90 low color constancy (LCC)metameric samples, and 4×5 skin tone and 10 artist paint samples

2.2 均匀色空间的改进

现行显色指数采用的色空间是1964年提出的U*V*W*均匀色空间，采用的色适应变换是Von Kries色适应变换公式。与U*V*W*均匀色空间相比，CAM02-UCS色空间在色差计算方面与人眼视觉感受更为相符。同时，色适应变换公式也由原来的Von Kries色适应变换变为CAT02色适应变换。这两个方面的变化使得CRI 2012指标对于色差的计算更为精确。

2.3 数学计算的改进

现行显色指数是利用Ri=100-4.6×ΔEi这一公式求得特殊显色指数，再对8种颜色样本的特殊显色指数进行算数平均得到一般显色指数。这样的数学计算方法存在的问题是如果特殊显色指数中出现极端值对一般显色指数的结果影响显著。CRI 2012指标针对这一问题也做出了改进。首先，是采用了S型函数，相比于现行显色指数所采用的典型线性尺度，该函数能够更好地反映人类的感知反应。其次是采用均方根替代一般的算术平均，增强了极端值对最终结果的影响。具体的计算公式如下：

(3)

(4)

(5)

利用Real210颜色样本在CAM02-UCS均匀色空间中测得的色差值ΔEi，将该色差值代入式(3)便可求得特殊显色指数Ri,2012。利用HL17颜色样本得到测试光源和参照光源下的色差值ΔEi，对其求均方根得到ΔErms，再将ΔErms代入式(5)可求得一般显色指数Ra,2012。

3 实例验证

在本文的前半部分提到现行显色指数存在的一大缺陷是其不能合理评价光谱特定波长存在极值的光源，如三基色荧光灯和LED等。因此，本文接下来将主要针对这两种光源进行实例验证，看现行显色指数和CRI 2012指标对于这两种光源显色性评价的异同。

本文采用的光源为色温小于4000K，Ra值在50到90之间的荧光灯(其中包括一定数量的三基色荧光灯)，以及LED。光源的光谱功率分布如图4所示。

图4 光源光谱功率分布Fig.4 The Spectrum Power Distribution of light sources

通过计算得到光源的显色指数值Ra和CRI 2012的数值，对两者进行相关性验证。结果如图5所示。

图5 光源显色指数Ra与CRI 2012指标的相关关系Fig.5 The correlation of Ra and CRI 2012

首先是荧光灯组的结果，我们对其显色指数值Ra和CRI 2012指标的值进行相关性验证，得到R2值为0.8796，相关度较高。说明对于荧光灯显色性的评价而言，现行显色指数与CRI 2012指标在总体趋势上是一致的。为了进一步研究二者评价结果的区别，我们做了一条过原点的斜率为1的辅助线。我们发现，显色指数在70到90之间的荧光灯的CRI 2012指标的数值低于先行显色指数的数值。这一结果与视觉实验结果是相符的，即现行显色指数对于Ra值在80到90之间的荧光灯的评价是偏高的。这说明CRI 2012指标能够更加合理地评价荧光灯的显色性。

接下来是LED组的结果，同样地，我们对其显色指数值Ra和CRI 2012指标的值进行了相关性验证，得到R2值为0.7496，相关度较高。但相较于荧光灯组而言，相关度较低。CRI 2012指标对于LED光源显色性的评价总体上和现行显色指数的评价是一致的，但表现出的差异较荧光灯组的大。同样地，我们做了一条辅助线来帮助分析。我们发现，显色指数Ra值在30到50之间的LED的CRI 2012指标的数值有较大的提高。现行显色指数的一大不足之处是低估了LED的显色性能，没能合理地评价LED的显色性。而上述这一结果说明，CRI 2012指标对于LED光源显色性的评价也做出了相应的改进。

4 结论

CRI 2012指标从诸多方面对现行显色指数进行了改进和完善，因此能够更加合理地评价白光光源的显色性。CRI 2012指标的出现对于照明行业的意义是重大的，因为它解决了现行显色指数中存在的诸多缺陷，能够更好地评价三基色荧光灯和LED等这些新兴光源。该指标的评价结果与人眼视觉感受更为相符，这对于光源的使用者来说也是意义重大的。

当然，我们也应当意识到，CRI 2012指标与现行显色指数一样都是仅从颜色还原性的角度来评价光源显色性的。单一的评价角度存在本质上的问题，即对于人类而言，颜色还原性是否能够代表光源的显色性本身就是一个问题。而从更多维的角度来评价光源的显色性，还需要我们照明人做出更多的研究和更大的努力。

目前，CIE TC1-90和TC1-91正在分别针对颜色还原性和颜色质量进行综合的研究，期待早日能有标准化的结果，以满足工业界和科研界对颜色质量科学评价的需求。

[1] CIE. Method of measuring and specifying colour rendering properties of light sources. Vienna: Central Bureau of the CIE, 1965.

[2] CIE. Method of measuring and specifying colour rendering properties of light sources. Vienna: Central Bureau of the CIE, 1995.

[3] Guo Xin, Houser K W. A review of colour rendering indices and their application to commercial light sources[J]. Lighting Research and Technology, 2004,36(3):183-199.

[4] 程雯婷，孙耀杰，童立青，等.白光LED颜色质量评价方法研究[J].照明工程学报，2011,22(3):37-42.

[5] Smet KAG, Schanda J, Whitehead L,et al. CRI 2012: A proposal for updating the CIE colour rendering index[J]. Lighting Research and Technology, 2013，45(6):689-709.