显色指数CQS和CRI对光源显色性评价的差异分析

赖传杜，庄其仁，张晓婷，陈芳萍

(华侨大学信息科学与工程学院，福建 厦门 361021)

显色指数CQS和CRI对光源显色性评价的差异分析

赖传杜，庄其仁，张晓婷，陈芳萍

(华侨大学信息科学与工程学院，福建 厦门 361021)

由于现行显色指数CRI(Color Rendering Index)在评价白光LED光源时出现越来越多的问题，而较为权威的新指标CQS(Color Quality Scale)并未得到广泛的认可，本文采用大量典型光源实例，论证CQS与CRI的一致性和差异性。本文收集市面上常见的10种荧光灯、7种RGB LED和25种Phosphor white LED灯，分别计算了两种显色性评价指数CRIRa和CQSQa，并分别对不同类型的光源进行相关性分析、色差分析及差值分析。结果发现：①对荧光灯的显色性评价，CQS与CRI基本一致，但对色温极低以及对高饱和度色块显色差的灯有做一些修正；②对Phosphor white LED灯的显色性评价，CQS与CRI基本一致，但对RGB LED的显色性评价，CQS做了修正，与CRI相差较大；③通过差值分析法，可以看到CQSQa和CRIRa差值比例的整体趋势随着CRIRa增大而减小，当CRIRa达到90的时候，两者的差值比例接近为0。

显色性；显色指数(CRI);RGB LED；CQS

引言

在照明领域，光源的显色性是衡量光源的一个重要参数,显色指数CRI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]，虽然经过1974年的改进，采用了更加优化的色适应公式及均匀色空间[2]，但随着新光源尤其是窄带和不连续光谱光源的出现显色指数CRI评价光源显色性存在的问题也日益凸显[3-4]。根据显色性的定义和评价方法[5-6]可知，CRI在用于评价光源，尤其是LED的显色性时，存在诸如色空间不均匀，完美参考光源选择随CCT变化，颜色样品少且饱和度过低等问题[7-8]。在国际照明委员会(CIE)2007年的技术报告中指出：“目前使用的显色指数CRI不能有效反映白光照明光源的显色性好坏”[9]。

为了修正CRI的一些问题，同时兼顾照明产业接受度，美国NIST的Wendy Davis和Yoshi Ohno[10]开发了新的评价体系CQS(Color Quality Scale)，基于实践和理论相的考虑，CQS的物理模型和CRI相似，不同于CRI只是单方面考虑待测光源下的物体颜色还原性，CQS从更为完整的角度考虑光源质量。除此之外，CQS还在颜色样本、均匀颜色空间、色差权重以及数学计算方法上作出了相应的考量和改进。理论上，CQS指标将比现行CRI更适合对所有种类的光源做统一评价。

CQS提出用新的15种颜色作为颜色样本，但该系统只对一些方面做了理论分析。针对CQS光源显色性评价标准，国内外研究人员进行了相关的研究。Nicola Pousset等[11]对CQS进行了颜色偏好度的验证实验，发现光源的真实颜色质量与CQS数值有较大差异；2011年程雯婷等[12]进一步对其可靠性进行了视觉实验验证，结果发现CQS值在评价颜色质量的准确性上，与CRI相比未见优势，在评价光源颜色质量的准确性上有一定的波动，仍有待进一步完善；唐驹[13]通过CRI， CQS与孟塞尔色样相关性分析，结果表明用CQS采用的颜色样品不能代表大量孟塞尔颜色样品来反映Phosphor white LED的显色真实程度。因此，CQS虽然在理论上做了较为多的改进，但并未得到广泛地认可[14]，有必要进行更多实例研究和验证，本文选取了市面上常见的两种类型32个白光LED光源及传统光源中10种荧光灯，研究分析两种评价标准的差异。

2 对比测试

选取目前市场常见的25种白光LED灯和10种荧光灯(见表1、表2)进行对比测试，编号采用Ra数值由低到高的顺序排列。首先测量LED灯和荧光灯的光谱数据，图1、图2为测得的上述LED灯和荧光灯的光谱功率分布图。从图1中可以看到25种白光LED灯的光谱构造主要有以下几种形式：①蓝光和黄光为主，加上微弱的绿光和红光；②蓝光和黄光为主，添加较强的红光；③峰值波长在蓝光、绿光、黄光及红光波段均有出现。从图2中则可以发现被测的10种荧光灯的光谱构造比较一致，均为紫光激发RGB三基色荧光粉发出白光，通过调节几种峰值波长的相对功率来调节色温和显色性。将得到的光谱数据代入到计算程序[6-7]中得到每个灯对应的色温和三种显色性评价指数(CRIRa、CQSQa)，如表3、表4及图3、图4所示。

表1 25种LED灯的编号、厂家名称及型号Table 1 Serial number, manufacturer name and model parameters of 25 kinds of LED lamps

表2 10种荧光灯的编号、厂家名称及型号Table 2 Serial number, manufacturer name and model parameters of 10 kinds of fluorescent lamps

图1 25种LED光源的相对光谱功率分布Fig.1 The relative spectral power distribution of 25 kinds of LED lamps

图2 10种荧光灯的光谱功率分布Fig.2 The relative spectral power distribution of 10 kinds of fluorescent lamps

序号12345678910111213CRIRa62717272727373767781828383CQSQa64717073707372767782828484CCT/K3025305857582986553161646572621230852630274530072994序号141516171819202122232425CRIRa838383838484848586889495CQSQa828484848484828586859796CCT/K613429502942414635565958600642613861602242135101

表4 10种荧光灯的三种显色性评价指数的计算值及色温Table 4 The values of 2 kinds of color evaluation index and CCT for 10 kinds of fluorescent lamps

图3 25种LED的两种显色性评价指数Fig.3 The values of 2 kinds of color evaluation index for 25 kinds of LED lamps

图4 10种荧光灯的两种显色性评价指数Fig.4 The values of 2 kinds of color evaluation index for 10 kinds of fluorescent lamps

3 计算结果分析

将荧光灯的Ra指数与Qa指数进行比较，如图5所示。

图5 荧光灯Ra指数与Qa指数的计算数值的比较Fig.5 Comparison of the calculated value of Raand Qa for fluorescent lamp

3 500 K以下时，Ra指数均较大于Qa指数，3 500 K以上时，Ra指数Qa相差不大；计算得到Ra指数与Qa指数的相关性系数为0.828 4。

CQS在改进中考虑了考虑低色温对显色性的影响，称之为色温因子。为了了解色温因子对低色温光源的影响，取消色温因子计算得到Ra指数与Qa指数，如图5(b)所示，计算相关性系数为0.836 5，说明色温因子在对那些色温极低的光源有做适当修正，这是Ra所存在的缺陷之一。也正因为如此Ra高估了传统极低色温光源显色性。这一结果说明，在评价传统光源上Qa虽然尽力保持与Ra指数一致，但对于传统低色温光源的显色性做了修正，更符合实际情况。

图6 LED灯Ra指数与Qa指数的比较Fig.6 Comparison of the Ra and Qa of LED lights

所测试的荧光灯都是三基色荧光灯，如图6所示，每个光源的Ra都在80以上。但对应的特殊显色指数R9并不理想，尤其是1～4号灯，R9=0。R9是个很重要的指标，表示光源在高饱和度红色的显色能力，但并没有包含于Ra计算公式里，往往Ra指标会高估在高饱和度色块上显色差的光源，造成误解。基于此缺陷，CQSQa采用15个高饱和度作为颜色样本。由图6看出对于1～4号光源评价上，Qa比Ra低，说明Qa有效考虑了光源对于高饱和度显色能力的影响。将LED灯的Ra指数与Qa指数进行比较，如图7所示。

图7 评价LED两种显色性指数Ra与CQS Qa计算数值的比较Fig.7 Comparison of the calculated value of Ra and Qa for LED lamps

所测试的25种LED都是Phosphor white LEDs,Ra指数与Qa指数的相关性系数R为0.974 7，相关性很高，说明Ra指数与Qa指数在评价Phosphor white LEDs上并没有多大差别，细微差别原因可能在于两者所采用数学计算方法以及均匀色空间不同，前者采用过时的CIE 1964均匀色空间及色差公式，后者则使用1976年改进后更为均匀的CIELAB色空间。

众所周知，Ra评价光源显色问题是伴随着LED新型光源出现的，尤其是是那些窄带或不连续光谱的光源，而RGB LED就是属于这种情况[15]。从图8可以看出，CRIRa指数与CQSQa指数的相差很大，RGB LED的CRIRa指数与CQSQa指数的相关性系数为0.596 1几乎不相关。其中原因可以从以下分析得出。

图8 两种类型白光LED的Ra与Qa计算值比较Fig.8 Comparison of the calculated value of Raand Qa for two type of LED lamps

表5 两种类型12个白光LED灯对应的最低色差、平均色差以及最大色差Table 5 Minimal, mean, and maximal colour differences of the test-colour samples for two type of white LED lamps

本文选取了7个RGB LED和任意从25个Phosphor white LED选出5个，其中2个冷白，1个暖白，2个色温介于中间，如表5所示。我们根据CIE CRI特殊显色指数算法分别计算表格中7个RGB LED和5个Phosphor white LED 标准色样最小、最大色差以及对应的CIE TCSs前8个色样的平均色差。

图9 待测12种LED灯不同色样的最小色差、平均色差以及最大色差Fig.9 Minimal, mean, and maximal colour differences of the test-colour samples

从图9可以看出，几乎所有的(除了12号光源)LED光源都不能很好的用CIE TCSs前8个色样的平均色差来表征，尤其是1～4号RGB LED,它们的最大色差对应的是CIE TCS#9高饱和度深红色，远远高于对应的平均值。从图10 CIE TCS#9反射谱曲线以及3号待测光源(RGB LED-3)的相对光谱功率曲线可以看出红色LED的光谱峰值过多的强调CIE TCS#9的高饱和度深红色样，由此造成和参照光源下极大的色差，这种情况同样出现在其他RGB LED光源。而实验显示人眼对高饱和度的色彩有所偏好，这正是CQS针对CRI缺陷做出的一个改进方面之一。

图10 CIE TCS #9的反射光谱和No. 3待测光的相对光谱功率Fig.10 Spectral reflectance curve of CIE TCS #9 (black curve) and relative SPD of the test source No.3 (RGB LED cluster, red curve)

对于被测的所有LED光源中，Qa和Ra的相关性在CRIRa<70的范围内比较低，在CRIRa>70的范围内相关性较高，RGB LED(No.7)也是如此，说明RGB LED也可以通过光谱构造优化实现CQSQa和CRIRa最优化。

通过差值分析法，从图11可以看到CQS和CRIRa差值比例的整体趋势随着CRIRa增大而减小，当CRIRa达到90的时候，两者的差值比例接近0%。这为实现CQS最优化提供了一个方法。

图11 CRI Ra与CQS Qa计算数值差值比例趋势图Fig.11 The trends of difference ratio between CRI Ra and CQS Qa

4 结论

1)针对本次测试的市面上主流荧光灯和LED灯，通过上述对比测试和分析，发现在评价荧光灯时，CQS在尽力保持与CRI相同的基础上，对色温极低以及对高饱和度色块显色差的灯做一些修正。

2)对于Phosphor white LED灯的显色性评价，CQSQa指数与CRIRa指数相比差异不大，未见明显改变，而对于RGB LED的显色性评价，CQSQa对CRIRa不能有效反应高饱和度色块显色问题上做了修正，相差较大。

3)通过差值分析法，可以看到CQS和CRIRa差值比例的整体趋势随着CRIRa增大而减小，当CRIRa达到90的时候，两者的差值比例接近0%。

[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.

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Comparison of CQS and CRI for Color Rendering Evaluation of Light Source

LAI Chuandu, ZHUANG Qiren, ZHANG Xiaoting, CHEN Fangping

(CollegeofInformationScienceandEngineering,HuaQiaoUniversity,Xiamen361021,China)

Color Rendering Index(CRI)recommended by CIE and Color Quality Scale (CQS) developed by National Institute of Standards and Technology(NIST) are two prime evaluations for color rendering property of light source. Both them are suitable for evaluation of traditional lighting sources,but have not received general acceptance for evaluation of white LED.the applicability of the evaluation standards requires extensive experiments for validation. In the paper, 10 kinds of fluorescent and 32 kinds of LED lamps which are common in the market were measured. And the CRI (Ra)and CQS (Qa) values of these light sources were calculated. The relationshipbetween the two indexes was analyzed through correlation analysis, color discrimination analysis and difference ratio analysis, respectively. The results show that there is significant difference between the two indexes when evaluating RGB LED. However, when evaluating fluorescent lamps and Phosphor white LED small difference was shown betweenRaandQa.And the difference ratio between them is close to 0% when light sources have CRIRavalue above 90.

color rendering;color rendering index;RGB LED; CQS

福建省科技计划重点项目(2012H0029)；泉州市科技计划项目(2014Z105)；福建省光传输与变换重点实验室开放课题(20150102) 通信作者：庄其仁,E-mail:qrzhuang@hqu.edu.cn

TM923

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10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.010