LED光源相关色温对显色性主观评价的影响

姚 步 云， 梁 静,， 廉 玉 生， 龙 红 霞， 张 翊 颖

( 1.大连工业大学 轻工与化学工程学院， 辽宁 大连 116034；2.大连工业大学 信息科学与工程学院， 辽宁 大连 116034；3.北京印刷学院 印刷与包装工程学院， 北京 102600 )

0 引 言

LED光源具有高效节能、寿命长、绿色环保、体积小、白光色温可调、点亮反应快、易于集成和智能控制等优点，被认为是21世纪最具前景的新兴光源，将取代荧光灯成为照明市场的主导[1-3]。国际照明委员会 CIE 将光源的显色性定义为：与参照标准照明体相比较，某一光源对物体颜色外貌所产生的效果。换言之，被测光源与标准光源在相同照明条件下物体颜色的改变程度，其对应的色差越小，光源的显色性越好。自1995年起，CIE规定的显色指数(CRI)评价指标Ra(一般显色指数)开始采用，并沿用至今[4]。近年来，显色指数的评价指标在LED光源照明显色性方面，出现了一系列问题。英国利兹大学的Li等[5]研究了LED光源显色性的准确性问题,结果发现CRI(Ra)不能准确预测观察者的视觉色差，因为基于显色指数评价指标的CIEW*U*V*颜色空间与实验的视觉色差相关性最差。浙江大学的Luo等[6]研究了CRI(Ra)、CRI-CAM02UCS、CQS(Qa)和CRI2012等4种显色指数评价方法对光源显色性的预测性能，研究表明这4种显色指数均取得较好的预测表现性能，研究并对CIEW*U*V*、CIEL*a*b*、CIEL*u*v*和CAM02-UCS 4种颜色空间进行了评价，结果表明CAM02-UCS空间色差预测性能相对最优。芬兰阿尔托大学的Dangol等[7]通过评价2 700、4 000和6 500 K 3种相关色温及7种特殊设计的LED光源的24种照明环境，研究了LED光源下物体色的自然程度和观察者对照明环境的偏好程度,研究表明CRI(Ra)不能很好地表现光源下物体的自然程度及观察者对照明环境的偏好程度。浙江大学的顾海婷[8]采用灰度标尺法，组织了10名观察者评价9组光源下的30块色样的视觉色差来分析和比较视觉色差和理论色差的相关性。研究发现，CIE2006标准色度观察者和视觉结果的相关性最高，保真型显色指数较优，略优于偏好型显色指数且显著优于色域型显色指数，同时发现CIE Ra和保真型显色指数不存在显著差异。

近几年来，已有相关学者就面向中国人眼视觉的 LED 照明评价问题进行了尝试[9-13],在LED照明质量客观评价方面做了大量的研究，只有极少数在主观感知和客观评价的关联性上做了分析，本研究以LED照明的主观评价为基础，结合传统光源显色性客观评价指标显色指数，评价显色指数与不同相关色温LED光源显色性时的相关程度。

1 实 验

1.1 实验光源

现阶段，实现白光LED照明的方式主要有3种：一是蓝光LED激发黄光荧光粉产生白光；二是紫外LED激发三基色荧光粉产生白光；三是红、绿、蓝三基色LED合成白光。3种白光LED合成方式各有优缺点，目前大规模使用的是第一种方法合成的白光LED，此方法合成的白光LED显色指数一般在70～80。

考虑到若实验光源和参考光源的CRI(Ra)均很高，会导致照明条件下的蔬菜的色差变化值较小，而心理物理实验中观察者在评价小色差时较为困难，视觉评价的准确性和一致性较低。所以，实验选择第一种方法合成的白光LED光源作为实验光源，并结合主观评价和CRI(Ra)，选择几种具有代表性的相关色温的LED光源，研究LED光源相关色温对光源显色性的影响。

参考光源选择标准照明体D65，实验光源为YK-009智能LED光源,色温可调，实验主要采用4种具有代表性的光源，其相关色温分别为2 879、3 444、4 545、5 950 K，其中2 879 K色温与A光源(美式橱窗射灯，2 856 K)接近，3 444 K色温与U35光源(指定商店灯光，3 500 K)接近，4 545 K色温与CWF光源(美国冷白商店白光，4 150 K)接近，5 950 K色温与D65光源(国际标准人工日光，6 500 K)接近。实验光源相对光谱能量分布如图1所示。所选光源在CIE1931x-y色度图上的色品坐标分布如图2所示。实验光源的相关数据如表1所示。

1.2 实验方法

实验共选取14名观察者，年龄20～24岁的在校大学生，无色盲色弱。

实验采用心理物理实验方法中的量值估计法，观察者对不同色温光源下蔬菜(青椒、黄瓜、西红柿、茄子、胡萝卜，表面光滑，无斑点，色泽均匀细腻)的自然程度进行评分，分别是1分—最不自然，2分—比较不自然，3分—自然程度一般，4分—比较自然，5分—最自然。

图1 实验光源的光谱分布

图2 实验光源的CIE1931 x-y色品坐标分布

表1 实验光源参数

实验流程：(1)视觉测试。测试观察者视觉无缺陷或色盲；D65光源，标准灯箱ColorControl TILO P60(6)，常州瑞品精密仪器有限公司；ST520照度计，先驰光电股份有限公司。照度约为1 050 lx。(2)向观察者介绍实验。(3)测试光源场景适应(约60 s)。(4)对蔬菜主观评价值做出评判。采用问答形式，由实验人员记录评判结果。(5)更换蔬菜，直至一轮完毕。(6)切换光源色温。(7)重复(3)～(5)直至实验数据采集结束。

2 结果与分析

每位观察者在5种光源下观察5种蔬菜，其中，在观察者不知情的情况下对4 545 K色温光源下观察评价两轮。共做14×5×5+14×5=420次。

心理物理实验中往往需要计算比较两组数据的相关性和差异性，实验比较观察者之间的数据稳定性，采用差异系数(coefficient of variation，CV)来表示[14]，此公式有多种表达形式。实验采用的差异系数为

(1)

(2)

式中：Xi和Yi表示需要比较的两组数据；X表示对应数据的均值；f为因子。例如，CV=0表示两组数据没有差异，CV=20表示有20%的差异。

计算14名观察者的CV，以4 545 K光源为例，图3、图4所示分别是两次观察下观察者的CV1与CV2。图中，CV1表示观察者之间的稳定性(Inter-observer variability)，其中CV1-1和CV1-2分别表示第一次和第二次观察的结果。CV2表示观察者自身的稳定性(Intra-observer variability)，其中CV2-1和CV2-2分别表示两次观察的计算值。

实验的结果均属于通常颜色科学领域心理物理实验的正常范围之内[14]，故后续的实验结果处理中，此14名观察者的全部数据都将被认为是有效的实验数据。

从两次的CV也可看出，第二次的平均值整体上好于第一次的平均值，由此可以看出观察者在实验了一段时间以后，适应了实验方法及增加了熟练度，观察者之间、观察者自身的稳定性都得到相应地提升。

图3 观察者两次观察下的CV1

图4 观察者两次观察下的CV2

将观察者评分作平均数计算，与测得的光源显色指数进行对比分析，图5所示为显色指数与观察者主观评价自然程度对比图。

用SPSS软件的Pearson相关系数对实验中的各蔬菜自然程度，光源色温及显色指数进行显著性检测，如表2所示。在 0.05水平(双侧)上显著相关的部分已加粗，为使表格更简单，列表中删去了对角重复的一半数据。由表2可看出，各变量中，光源色温分别与“青椒自然程度”“西红柿自然程度”“茄子自然程度”“胡萝卜自然程度”呈显著正相关。显色指数与色温及各蔬菜自然程度均未显现显著性相关性。

“青椒自然程度”分别与“西红柿自然程度”“茄子自然程度”呈显著正相关。

“黄瓜自然程度”分别与“西红柿自然程度”“茄子自然程度”“胡萝卜自然程度”呈显著正相关。

图5 蔬菜自然程度和光源显色指数对比

表2 各蔬菜自然程度与光源色温及显色指数间的相关性

“西红柿自然程度”分别与“茄子自然程度”“胡萝卜自然程度”呈显著正相关。

“茄子自然程度”与“胡萝卜自然程度”呈显著正相关。

CCT(相关色温)对“青椒自然程度”有显著性影响，实验所用4个CCT水平中，5 950 K色温下被试感觉青椒最为自然。

从图5可以看出，LED光源下，5 050 K相关色温下蔬菜的自然程度中，西红柿和茄子的自然程度最高且明显高于其他色温；在4 545 K色温下，黄瓜和胡萝卜的自然程度最高，略高于5 950 K色温，2 879 K色温时自然程度最差。对比显色指数时发现：CRI除了在最低2 879 K色温和D65光源时与主观评价时一致，其余与主观评价一致性均不理想。

3 结 语

通过心理物理学实验得到观察者在不同色温LED光源下蔬菜的自然程度的主观评分，结合CIE评价显色性标准的CRI，主客观结合评价LED光源的显色性。

由Person相关性分析可知，显色指数与主观性评价蔬菜的自然程度之间关联性不强，即评价传统光源显色性评价指标显色指数不能很好地表现LED光源下的主观感知。由此可以判断，显色指数不能很好地评价LED光源的显色性。

D65光源下，所有蔬菜的自然程度均高于LED光源。在LED光源显色指数均不太高的情况下，较高的色温对光源显色性存在有利影响。