光源显色性的评价方法及显色指数的计算

  DOHO标准光源箱     |      2024-04-11

光源的显色性是指光源的光照射到物体上所产生的客观效果和对物体真实色彩的显现程度,也就是颜色逼真的程度。显色性高的光源对颜色表现较好,颜色逼真;而显色性低的光源对颜色表现较差,颜色偏差较大。光源的显色性一般用显色指数来表示,其符为Ra。本文对光源显色性的含义及显色指数的计算方法作了介绍。

光源显色性

光源显色性的含义:

物体反射的是光源的光谱,因此,人眼观察到的颜色在很大程度上取决于光源的光谱分布。很多情况下,人们是在人工光源下观察物体的,但人工光源的光谱分布和太阳光的光谱分布差异很大。不同的光源照明下,物体会呈现不同的颜色,而在日光下物体显现的颜色是最准确的。人工光源和太阳光相比,其显示同色能力的强弱叫做该光源的显色性。

通常,除连续光谱的光源具有较好的显色性外,有几个特定波长色光组成的混合光源也有很好的显色效果。如450nm的蓝光、540nm的绿光、610nm的橘红光以适当比例混合所产生的白光,虽然为高度不连续光谱,但却具有良好的显色性。

光源的显色性指光源照射到物体上,由物体反射或透射后物体显示出的颜色效果。显色性直接影响物体的颜色外貌,因此在光源的评价中它有着重要的意义。


光源显色性的评价方法:

显色性是评价光源的重要特性,人们习惯认为物体在日光下的颜色为真实颜色,因此用物体在灯光下和日光下的颜色的接近程度表示灯光的显色性,颜色越接近,显色性越高。光源的光谱分布决定了光源的显色性,具有连续光谱分布的光源具有较好的显色性,如日光灯,白炽灯等。显色性的评价方法大体上可以分为两种:基于光谱分布之差的方法和基于作为标准的物体色外貌之差的方法。目前在光源显色性评价上多采用后一种方法。

CIE推荐显色指数CRI来评价光源的显色性。CIE提出把普朗克辐射体作为评价低色温光源显色性的参照标准。当相对色温低于5000K时,将同等色温下的普朗克辐射体在作为参考光源;当相对色温高于5000K时,将标准照明体D作为参考光源。若样本在测试光下的颜色和参考光下的颜色完全相同,则认为显色指数为100。在评价光源的显色性时,采用14种试验色,如下图所示。

CRI选用的R1-R14颜色样品

其中前8种不同颜色,它们明度值接近,彩度适中,围绕色相环,用于光源一般显色指数和特殊显色指数的计算;而后6种是一些饱和色和皮肤色,如四个心理基础色(纯红、黄、绿、蓝)、皮肤色和树叶颜色,用于特殊显色指数的计算。通过测量并计算这些试验色在测试光和参考光下的色差,便可求出光源的显色指数,用以表征光源显色性的优劣程度。

假设第i中试验色在参考光和测试光下的色差为△Ei(i= 1,2,3,……,14),则可以计算出各种试验色的特殊显色指数Ri:Ri=100-4.6△Ei。

显色指数越高,代表显色性越好,如果Ri=100,表示该样本在测试光合参考光下的色差为0。将前8个样本的显色指数取平均值,得到常用的一般显色指数Ra,显色指数Ra是评价光源的重要指标。


光源显色指数的计算:

CIE推荐定量评价光源显色性的“测验色”法规定用黑体或标准照明体D作为参照光源,将其显色指,数定为100,并规定了若干测试用的标准颜色样品;通过在参照光源下和待测光源下对标准样品形成的色差,评定待测光源显色性,用显色指数值来表示。显色指数的计算涉及对原始数据和导出性参数的运用以及很多中间参量的计算,主要有三种方法计算光源的显色指数:标准方法,特征矢量法和沃尔特斯法,下面主要介绍一下标准方法计算显色指数。

评价光源显色指数时采用一套15种检验色样,选定8个色样为一组(I=1,……,8)作为评价一般显色指数用的检验色样,它们分别代表淡灰红色、暗灰黄色、饱和黄绿色、中等黄绿色、淡蓝绿色、淡蓝色、淡紫蓝色、淡红紫色。选定后7个色样(i=9,…,15)分别作为特殊显色指数评价用的检验色样,它们分别代表深红、深黄、深绿、深蓝、白种人肤色、叶绿色、中国人女性肤色。根据在参照光源下和待测光源下各检验色样的色差△Ei,计算出特殊显色指数:

特殊显色指数计算式

一般显色指数(CIE1~8号颜色样品Ri的平均值):

一般显色指数Ra计算式

通常是在已知待测光源的光谱功率分布的情况下,进行显色性计算,主要步骤如下:

1.通过对待测光源的光谱辐射测量,计算待测光源的色度参数(xk,yk)(uk,vk)、ck dk及CCT(K),然后根据1~15号颜色样品的光谱辐亮度因数ρi(λ)的数据算出在待测光源下各样品的xk,i、yk,i和uk,i、vk,i色度坐标。计算公式如下:

光源色度坐标(u,v)计算:

光源色度坐标计算式01

其中k等于辐射功率的最大光效率Km=683(lm/W),P(λ)为光源光谱功率分布,x(λ)、y(λ)、z(λ)是CIE 1931标准色度观察者光谱三刺激值。在可见光谱内,波长间隔△λ是以入为中心波长,波长范围为380nm至780nm,波长间隔△λ为5nm。色度坐标计算如下:

光源色度坐标计算式02

2.根据CCT选择参照照明体,计算参照照明体的光谱功率分布,然后计算参照照明体的色度参数(xr,yr)、(ur、vr)和cr、dr。

3.适应性色位移的考虑:由于待测光源k和所选用的参照照明体r的色度不完全相同,而使视觉在不同照明下受到颜色适应的影响。为了处理两种照明下的色适应,必须将待测光源的色度坐标uk、vk调整为参照照明体的色度坐标ur、vk,即uk'=ur,Vk'=Vr,这时各颜色样品i的色度坐标uk,i vk,i也要作相应的调整,成为uk,i'、vk,i'。这种色度坐标的调整叫做适应性色位移,用以下系数关系式进行转换:

适应性色位移系数关系式

上式中下标“r”代表参照照明体;“k”代表待测光源;“k,i”代表待测光源照明下第i种标准样品。在计算显色指数时,就用调整后的色度坐标计算。

4.计算在参照照明体r照明下颜色样品的的xr,i、yr,i和ur,i vr,i色度坐标。

5.色差计算公式如下:

色差△Ei计算式002

6.由△Ei得特殊显色指数Ri和一般显色指数Ra。

光源的一般显色指数越高,其显色性就越好,对颜色的还原性越好。不过最近国外专家研究表明,特殊显色指数也是影响颜色还原性的重要指数。