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Ra=100 真的是最理想的顯色性嗎?

顏色是人的感覺之一,它總是與觀察者個人的主觀體驗有關。每個人看到一種顏色后的感覺,別人難以知曉。所以顏色的研究總是充滿了神秘的想象。同時,顏色又使世界變得五彩繽紛,視覺藝術、圖象顯示與傳輸、紡織品印染、彩色印刷等,都離不開顏色的研究。因此顏色的研究、對顏色進行客觀的定量的描述,成為許多科學家研究的對象。


牛頓在1664年用棱鏡把白色的太陽光色散成不同色調的光譜,奠定了光顏色的物理基礎。1860年麥克斯韋用不同強度的紅、黃、綠三色光配出了從白光一直到各種顏色的光,奠定了三色色度學的基礎。在此基礎上,1931年國際照明委員會建立了CIE色度學系統,并不斷完善。如今CIE色度系統已廣泛用于定量地表達光的顏色。

顏色離不開照明,只有在光照下物體才有可能顯示出顏色,而且光的顏色對人們的心理有非常大的影響。同濟大學楊公俠教授已在他的專著《視覺與視覺環境》一書的第五章中,作了非常精彩的描述。

在不同光源照射下,同一個物體會顯示出不同的顏色。例如綠色的樹葉在綠光照射下,有鮮艷的綠色,在紅光照射下近于黑色。由此可見,光源對被照物體顏色的顯現,起著重要的作用。光源在照射物體時,能否充分顯示被照物顏色的能力,稱為光源的顯色性。

1965年,國際照明委員會推薦在CIE色度系統中,用一般顯色指數Ra來描述光源的顯色性。一般顯色指數Ra應用得還很成功,已被照明界廣泛接受,但是也存在一些問題,本文將為光源顯色性的評價方法,以及近年來的進展作一介紹。

1、一般顯色指數Ra

光源顯色性的評價方法,希望能夠既簡單又實用。然而簡單和實用往往是兩個互相矛盾的要求。在CIE顏色系統中,一般顯色指數Ra就是這樣一個折衷的產物:它比較簡單,只需要一個100以內的數值,就可以表達光源的顯色性能,Ra=100被認為是最理想的顯色性。

但是,有時候人們的感覺并非如此。例如在白熾燈照射下的樹葉,看上去并不太鮮艷。問題在哪里?我們來討論一下什么是一般顯色指數。

為簡便起見,我們這里只討論一般顯色指數Ra的主要構成方法,而不討論它的具體計算方法。

事實上,我們在日常生活里,常常在檢驗光源的顯色性。許多人都有這樣的經驗,細心的女士在商場買衣服的時候,常常還要到室外日光下再看一看它的顏色。她這樣做,實際上就是在檢驗商場光源的顯色性:看一看同樣一件衣服,在商場光源的照明下和在日光的照明下,衣服的顏色有什么不同。所以描述光源的顯色性,需要兩個附加的要素:日光(參考光源)和衣服(有色物體)。

在CIE顏色系統中,為確定待測光源的顯色性,首先要選擇參考光源,并認為在參考光源照射下,被照物體的顏色能夠最完善的顯示。 CIE顏色系統規定:在待測光源的相關色溫低于5000K時,以色溫最接近的黑體作為參考光源;當待測光源的相關色溫大于5000K時,用色溫最相近的D光源作為參考光源。這里D光源是一系列色坐標可用數字式表示、并與色溫有關的日光。

在選定參考光源后,還需要選定有色物體。由于顏色的多樣性,需要選擇一組標準顏色,使它們能充分代表常用的顏色。CIE顏色系統選擇了8種顏色,它們既有多種色調,又具有中等明度值和彩度。

在u-v顏色系統中,測定每一塊標準色板,在待測光源照射下和在參考光源照射下色坐標的差別,即色位移ΔEi,就可得到該色板的特殊顯色指數Ri。(Ri=100—4.6ΔEi)

對8塊標準色板所測得的特殊顯色指數Ri取算術平均,就得到了一般顯色指數Ra 。可見光源的一般顯色指數Ra的最大值為100,認為這時光源的顯色性最好。

2、一般顯色指數Ra的局限性

盡管一般顯色指數Ra簡單實用,但是它在許多方面表現出嚴重不足。

首先,顏色是人們主觀的感覺,不是物體固有的屬性,它與照明條件、觀察者、輻照度、照度、周圍物體和觀察角度等有關,并不存在什么所謂“真實顏色”。

但是由于在CIE系統中,已定義Ra在近似黑體的輻射下達最高值100,所以燈泡制造商都有意識地設計燈泡,使在用它照射物體時的顯色性與黑體或日光照射時盡可能相近。這意味著光源的光譜分布與黑體或日光有偏離時,會使顯色指數下降。例如用紅、綠、藍三個單色LED組成的白光LED,當它的一般顯色指數Ra較低時,它的顯色性有時并不一定很壞。

但是事實上,研究者Judd、Thorntou和Jerome已證實人們不一定最喜歡CIE所規定的參考光源照明時的顏色。例如前面已經提到的用色溫很低的白熾燈照射綠色的樹葉,并不一定是最好的選擇。規定在黑體或日光照射時顯色指數為最佳值Ra=100,存在疑問。

CIE規定的參考光源是與待測光源的相關色溫最接近的黑體或日光,它們都是輻射連續光譜的光源,具有多種顏色的光譜成分。當色溫在6500K時,其長短波的光譜功率分布較為均衡,作為參考光源應該說較為合理。但當色溫在4000K以下時,光譜功率分布嚴重不對稱,蘭色的短波光譜功率遠小于紅色的長波光譜功率,其顏色偏向紅色,作為參考光源存在疑問。

在 CIE 顏色系統中,8 塊標準色板都是處在中等明度和色飽和度,在 u~v 系統中為等距離間隔。它們對于室內照明,可認為已能充分代表各種常用顏色。但在室外照明時,往往存在一些色飽和度較高的顏色,這8塊標準色板已不能充分代表常用顏色。

許多學者認為標準色板數太少,是一般顯色指數的另一個不足。雖然CIE還有9—14號色飽和度較高的6塊色板,但它們并不包含在一般顯色指數Ra之中。在照明實踐中,人們熟知的顏色為皮膚、樹葉、食品等,它們的顏色極為重要,但它們都被排除在一般顯色指數之外。

Seim曾提議用20塊標準色板,但由于這會使計算變得太復雜而被拒絕。當前,計算機普遍使用,似乎這個提議又得重新考慮。

由于光源的顯色性評價存在這兩大問題、許多其它的評價方法引起廣泛興趣,本文將就作者所知作一簡要介紹。

3、夫勒特利指數Rf

研究表明人們傾向于記住比較熟悉的物體的顏色,而且是記住它的生動的、飽和度較高時的顏色。這種記憶色與喜愛色往往相一致,而且傾向于向飽和度高方向偏移。如人們膚色的記憶色,傾向于向紅方向偏移,樹葉色向綠色方向偏移。顯然與CIE中的Ra方法不同。

Rf事實上是對Ra的修正,這個修正包括二個方面:
第一,在參考光源的照明下定義Rf=90,只有在假想的“完美光源”照明下,才有Rf=100。
第二,選擇10塊標準色板,即除了原來1-8號標準色板外,還加上13號14號二塊色板,相應于皮膚色和樹葉色。

這時,“完美光源”就是指在它的照射下,能把10塊標準色板的顏色向喜愛方向偏移的光源。

由此可見,對每塊標準色板來說,相應的“完美光源”的色坐標是各不相同的,可以由實驗確定。這也說明了這樣的“完美光源”只能是假想的。

Rf的計標方法與Ra相似,但有二點不同:
1. 對于每塊標準色板,參考光源的色坐標都需要調整,即根據實驗確定的“完美光源”色坐標。然后,在待測光源照明時,每塊色板的色差是與其相應的“完美光源”相比較后得到。
2. 在計算Rf時,取10塊色板的色差平均值,但是每塊色板的權重不同。13號色板是膚色,權重是35% 、2號是15% 、14號是15% 、其余是每塊5%。這里特別強調了膚色的重要性。所以待測光源的Rf可以高于參考光源Rf=90,但小于100。

4、顏色偏愛指數(CPI)

顏色偏愛指數CPI(colour preference index)利用上節提出的喜愛色概念,定義在D65光源照明下,顏色偏愛指數CPI =100。

于是待測光源的 CPI 可以這樣得到:在待測光源照射下,計算8塊標準色板的色坐標與最喜愛色的色坐標之差,并求其矢量和的平均值( ):CPI=156-7.18()

以上計算都是在CIE的UV色度系統中進行。

雖然CPI與Rf都利用了最喜愛色這一概念,但兩者有很大差別:
1.在計算Rf時,用1—8號和13 、14共10塊標準色板,而CPI只用1—8塊標準色板
2.技術Rf時,色差(ΔE)取實驗值的1/5,而CPI取原始實驗值
3.計算 Rf 時,各塊色板的權重不同,而CPI取相同權重
4.根據定義Rf的最大值為100,而CPI的最大值為156

最后要指出提出Rf與CPI兩個指數的研究人員,都用實驗確定喜愛色,而在實驗中采用的是日光色照明。現在有證據表明喜愛色與光源的相關色溫有關。所以在使用Rf和CPI來恒量顯色性時,僅僅適用高色溫的光源。

5、色分辯指數(CDI)

用 Ra、Rf或CPI來描述光源的顯色性,參考光源必須與待測光源有相同的色溫。顏色分辯指數CDI(colourdiscrimination index)克服了這個局限性。

該指數提出,基于這樣一個假定:在某種光源的照明下,能區別顏色的能力愈強,則此光源的顯色性愈好。在某個光源照明時,8塊標準色板在CIE的UV色度圖中,所包圍的面積為:GA =0.5Σ(UiVj-UjVi) i,j=1,2,…8; i≠j。

在C光源照明下,該面積GA=0.005,定義這時CDI=100,于是在待測光源的照明下,其色分辯指數為:CDI=(GA/0.005)×100。

  結束語  

由上述討論可知,光源顯色性的評價方法很多,而且在不斷發展和完善之中,本文介紹的僅僅是其中的一部分,它們各有優缺點。即使目前廣為采用的一般顯色指數Ra,也還有許多缺點。

它最主要的缺點,是參考光源的選擇:參考光源是一個光譜連續的光源,用它作為標準來衡量光譜不連續的光源,不很合適。參考光源的色溫必須與待測光源的相關色溫相近,而事實上,對于一定的照明作業,色溫本身對顯色性就有很大的影響,這個方法限制了只能用在光源色溫已經確定的條件下使用。

它的第二個缺點是標準色板的選擇:對于室內照明,可認為8塊標準色板已能充分代表各種常用顏色。但在室外照明時,對一些色飽和度較高的顏色,不能充分代表常用顏色。

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