浅谈超高清演播室LED光源显色性测试方法

马文龙，张海东，史 蕾

（深圳广播电影电视集团，广东 深圳 518055）

近年来，超高清电视制作快速发展，4K在各大电视媒体得到普及，8K也开始小范围应用实践。超高清具有高分辨率、高动态范围、宽色域等特点，这些技术性发展对演播室灯具的选择、布光、调光提出新的要求。本文主要从超高清的宽色域、超高清演播室LED光源显色性测试方法等方面进行探讨。

1 超高清图像宽色域

色域（Color Gamut）是指某种设备所能表达的颜色数量所构成的范围区域。超高清的色域从BT.709（高清色域范围标准）到BT.2020（4K色域范围标准）（图1①），Rec.2020覆盖了75.8%的CIE 1931色彩空间，Rec.709色域所占面积仅仅覆盖了35.9%（图2）。因此，超高清图像色彩层次更丰富，色彩饱和度更好。这些色域的变化相应要求电视光源色彩还原自然、逼真、纯正。

图2 UHD TV VS HD TV色域

2 色彩还原与光谱

图像画面色彩还原的好坏，由演播室光源的光谱决定。光源光谱分为连续性光谱（或叫全光谱）和非连续性光谱。连续性光谱可以提供较佳的显色品质，色彩还原较好；非连续性光谱，光谱中某种色谱很少或缺失，显色性较差，色彩还原会偏色或失色。例如，晚上街道照明的LED灯，光很亮也很白，但人脸看起来很灰、不透，说明它的显色性差，一定是非连续性光谱。再比如，演播室的钨丝灯照射下，光看上去偏红偏黄，经摄像机校正白平衡后，被摄景物的颜色却还原比较真实、自然，这说明钨丝灯看起来发黄，但显色性很好，它的光谱就是连续性光谱。图3～图8是不同光源的光谱。

图3 日光光谱

图8 R+G+B LED光谱

图4 钨丝灯光谱

图5 三基色灯光谱

图6 镝灯光谱

图7 蓝色LED+荧光粉光谱

3 如何选择高显色性的LED白光灯

白光LED作为新型光源，因其发光效率高、耗能低、发热低等原因，目前普遍应用在电视演播室。但白光LED是非连续性光谱，为了使光谱平坦，灯光厂家会相应加入缺少色彩的荧光粉来改善，但有些还是会弥补不到位。如何测量白光LED显色性的高低？目前基本采用CRI（Color Rendering Index）标准的Ra+R9和光谱评价，但这种测试方法评价演播室LED光源的显色性是否适当，是否适用于白光LED光源？以下介绍几种测试方法，探讨哪种方法准确度更高。

3.1 CRI标准（Ra、R9）——常规测试标准

CRI标准是（CIE，International Commission on Illumination，国际照明委员会）于1948年制定的显色指数的测量方法。CRI是针对人眼确定的，它的测量值是由规定的14个颜色样品（中国又加入一种亚洲妇女肤色）在标准光源和待测光源照射时产生的色差，计算出每个样品的显色指数。颜色样品都选自孟塞尔颜色体系，图9所示为15个CRI颜色样品。

图9 15个CRI颜色样品（根据测试设备色标自己绘制）

综合显色指数Ra（R1～R8）是前8个特殊显色指数的平均值，这8个颜色都是三原色的混合色，具有中等饱和度及大致相同的明度。Ra值越大，显色性越好，最高数值为100。

白光LED出现后，R9（饱和红色）成为衡量白光LED显色性的一个重要指标。超高清图像需要真实再现皮肤颜色以及对蔬菜、花卉的红色的还原，R9色品质量具有不可取代的作用。

3.2 CQS（Qa）修正CRI

CRI测试标准有着很长的历史，用它来评价新型光源LED白光灯时，存在色空间不均匀、采样色品少、饱和度过低等问题。NIST（National Institute of Standards and Technology，美国国家标准与技术研究所）给出一种新的方法——色质指数（CQS，Color Quality Scale）。

与CRI类似，CQS也采用测验色法。CRI选色样品相对都是非饱和色，这样测验可能会掩盖光源对饱和度更高颜色的显色性问题。CQS选取15个饱和色，都选自孟塞尔颜色体系，图10所示为15个CQS颜色样品。

图10 15个CQS颜色样品（根据测试设备色标自己绘制）

Qa是15个颜色样品数据的均方根值，即将n个值的平方和除以n后再开方的结果，取算术平均值之前，先对每个数据进行开方。公式如下：

Qi是被测光源与参考光源照射同一套标准色样的色差，i取1～15。

这样一来，即使在色样间存在一些色差，也不会对最终结果产生较大的影响。Qf（fidelity）完全依照显色性的颜色还原性这一定义，未剔除此类色差，Qp（preference）则从偏好度角度考虑。因此，三个CQS值不尽相同。图11是用光谱辐射计测试评估数据分析的软件界面。

图11 光谱辐射计测试评估数据分析

3.3 TLCI标准——数字摄像机拍摄、标准监视器测试

前英国广播公司BBC的工程师、光学专家罗伯特（AlanRoberts）先生与欧洲广播联盟（EBU，European Broadcasting Union）合作，于2011年提出电视光源一致性参数（TLCI，Television Lighting Consistency Index）,命名为TLCI-2012。它是通过光谱辐射测试仪对被测光源的光谱能量分布进行测试，然后用分析软件计算，得到TLCI的测试结果。

TLCI评测标准是由一张色彩对比图标显示比对结果确定的，测试卡有24色，测试的结果基于每个标准对比色块在标准光源（标准光源是指色度和色温都落在普朗克曲线的光源）的照射下，由电视摄像机输出端画面得到的色彩表现。这个色彩表现是指在一个标准的一级高清电视监视器上可以看到的色彩表现。图12是光谱辐射计测试光源的分析软件界面。

图12 光谱辐射计测试评估数据分析

3.4 TM-30-15标准——保真度指数（Rf）和色域指数（Rg）两个维度测试

北美照明工程学会（IES，Illumination Engineering Society）下属的颜色委员会，在2015年提出新的光源显色评价方法——TM-30-15。

TM-30-15采用99个标准色测试，这99色不是选自孟塞尔颜色体系，而是从自然界105 000个物体的颜色中仔细选取，代表生活中常见的各种颜色（从饱和到不饱和、从亮到暗），图13还原99个色品的选取。

图13 99个色品的选取（来源于2015年DOE+IES研讨会）

TM-30-15提供两个测量结果。第一个度量指数是保真度指数（Fidelity Index）Rf，Rf与CRI所测的Ra相似，但不等同。Rf是一个表明保真度0～100的数值，反映被测光源比较参照标准光源对人眼所呈现的显色效果。第二个度量指数是色域指数Rg，它提供一种被测试光源相对于参照光源所做的色域测量值，用于评价被不正确呈现的颜色是过饱和还是欠饱和。Rg为100表示显示正确，大于100表示过饱和，低于100则表示欠饱和。

此技术规范通过客观统计的方法，通过量化色度（接近参照点）和色饱和度（浓度的递增或减少），描述光源显色性的测量。通过产生的颜色坐标图，显示色彩和浓度变化的平均值。

标准提供了Rf和Rg的计算公式，包括99个色品的光谱反射率计算函数，通过一个软件工具辅助计算和显示结果。图14为分光辐射照度计测试的界面。

图14 分光辐射照度计测试数据分析表

Rf计算公式如下：

Rg计算公式如下：

4 结语

超高清电视制作图像要求色彩还原自然，人物肤色正常、舒服，色彩饱和度好。目前大量选用的白光LED灯具还存在一些光“质”问题，如何客观量化、评价，采用哪种测量标准为依据来验证和考量，还需要业内人士进一步探讨、思考和研究。

注释：

①图1及图2来源于王亚明2018年5月的讲座《HDR制作、转换与播出》。