LED普通照明灯具的显色性对电视图像色彩还原的影响问题研究

2010-05-30赵贵华王京池

演艺科技 2010年9期

赵贵华，王京池

（中央电视台技术制作中心，北京 100859）

1 原理和目的

光源对物体颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色的逼真程度。显色性高的光源对颜色的再现较好，我们所看到的颜色也就较接近自然原色；显色性低的光源对颜色的再现较差，我们所看到的颜色偏差也较大。显色指数（Ra）是目前定义光源显色性评价的普遍方法。对于人造光源，显色性是一个很重要的色度参数，它表示物体在光源照射下颜色比基准光（太阳光）照明时颜色的偏离。CIE推荐定量衡量光源显色性的方法，显色指数Ra在0～100内分布，Ra=100时显色性最好，数值越小，显色性越差。

国际照明委员会CIE开发了一种以8种标准色样为基础量化光源显色性的方法，即先测量被测光源的色温，再算出此光源下与同色温的基准光源比对这8种色样的偏离率，而比对这8种色样比率的数据就称为显色指数，这种测试方法获得的数据差异非常大。目前，我们开始使用专门的仪器来测量包括色品坐标、相关色温、显色指数等色参数值。测试中经常使用到光、色测量的仪器为PMS-50（增强型）紫外－可见－近红外光谱分析系统，其测量依据是国际照明委员会CIE关于光和颜色测量的标准。LED照明灯具发出的光波长为380 nm～780 nm的特殊波段的电磁波，正是由于在这一波段，人眼对其产生“明亮”和“颜色”的响应，因此，对于这一波段的测量和计量相当重要。

按照《电视演播室灯光系统设计规范》的规定，彩色电视照明要求光源的显色指数不低于85。如果光源的显色指数过低，电视画面的色彩还原会受到很大影响。这就是说，显色指数低于85的光源是不能在电视演播室中使用的。LED照明灯具作为一种新兴光源，其是否满足彩色电视照明要求，需要在实验室对其显色指数进行测试。同时，各厂家LED灯具的显色指数高低不同，而且与传统卤钨灯的显色指数存在差距，因此，LED照明灯具在演播室使用时会对电视图像色彩还原产生一定的影响。通过对LED照明灯具在演播室使用中与传统的卤钨灯进行比较，了解LED照明灯具对电视图像色彩还原影响的程度和灯具可能影响电视图像色彩还原的因素，LED照明灯具对电视图像色彩还原影响的测试以主观测评为主。

2 实验室测试

2.1 测试条件

2.1.1 测量仪器

测试采用杭州远方光电信息有限公司生产的PMS-50（增强型）紫外－可见光－近红外光谱分析系统。

2.1.2 灯具品种和数量

本次LED照明灯具的显色性研究将对卤钨聚光灯、LED平板柔光灯和LED聚光灯3类灯具产品进行测试。这3类灯具选择7种型号照明灯具，每种型号灯具测试2台，其中还对灯具编号为3-1 LED50W平板柔光灯在做完高温试验后进行显色性的测试。产品型号和灯具编号见表1。

LED普通照明灯具的显色性安排在实验室进行，测试期间每种型号提供2台LED灯具，测试前可对LED灯具进行适当调整，并点燃灯具100 h以达到稳定性，测试过程中不允许调换LED灯具，每种型号LED可提供1台备用灯具。

2.2 测试内容、方法和步骤

2.2.1 测试内容

根据光度色度学理论，只要测得被测光源的光谱功率分布P（λ）后，就可计算出被测光源的颜色参数：色品坐标（x、y）和（u、v）、相关色温Tc、显色指数Ra、Ri（1～15）、峰值波长及半宽度等。因此，具体的实验方法就是使用光、色测量仪器PMS-50（增强型）紫外－可见－近红外光谱分析系统测量出LED照明灯具光谱功率分布P（λ）。

2.2.2 测试仪器

用PMS-50（增强型）紫外－可见光－近红外光谱分析系统对色品坐标、相关色温、显色指数进行测试，PMS-50（增强型）紫外－可见光－近红外光谱分析系统（见图1），原理上完全满足CIE对光和颜色测量的要求，测量系统包括PMS-50主机1台、光度探头、温度探头、小积分球、稳压电源、智能电量测量仪、专用串行通讯电缆及专用软件等。

2.2.3 测试方法和步骤

测试是在四周墙壁、屋顶、地面及测试设备均为无光泽黑色的环境中进行。首先，待测灯具必须先点亮一段时间（一般为15～30分钟），待灯稳定后，再进行测试；其次，把待测灯具的出光口对准小积分球的接收窗口，要注意点灯的位置、方向等，因为光源在不同条件下，测试结果是不一样的；最后，测试完成后保存测试报告。对于聚光灯的光谱测试，对其聚光端和散光端分别进行测试。

2.3 测试结果和结论

2.3.1 测试结果

采用PMS-50（增强型）紫外－可见光－近红外光谱分析系统对卤钨聚光灯和LED灯具测试。图2和图3所示为测试后两种频谱图。

2.3.2 测试结论

2.3.2.1 灯具显色指数分析

所有灯具测试后的Ra值见表2所示，其Ra值比较如图4所示。

从表2和图4可以看出：

（1）LED灯具的显色指数均低于传统的卤钨灯具；

（2）同厂家同型号的LED灯具显色指数测试值几乎相同，表明显色一致性好；

（3）不同厂家的LED灯具Ra值有明显的差距，一般分布在75～95之间；

（4）个别LED灯具，其显色指数明显低于80；

（5）7号灯具为特制低显色指数灯具，显色指数为63.2。

2.3.2.2 平板柔光灯显色指数分析

编号为1-1、1-2、2-1、2-2、3-1、3-1平板柔光灯具体R1～R15分布值如图5所示。

从图5可以看出：

（1）对于灯具编号为3-1、3-2的平板柔光灯，其表征特殊显色指数的R9值太低，这会直接影响色饱和度较高的物体色彩正常重现；

（2）R9的高低不影响一般显色指数Ra，但直接影响整个LED灯具的特殊显色指数。如果要提高特殊显色指数，就要想办法提高R9的值；

（3）国内厂家LED平板柔光灯显色指数明显高于国外厂家。

2.3.2.3 聚光灯显色指数分析

除特制低显色指数的7号聚光灯外，编号为4-1、5-1、6-1 LED聚光灯在聚光端和散光端具体R1～R15分布值如图6所示，4-2、5-2、6-2 LED聚光灯在聚光端和散光端具体R1～R15分布值如图7所示。

从图6和图7可以看出：

（1）对于LED聚光灯，当其工作在聚光端和散光端位置时，显色指数几乎不变；

（2）与平板柔光灯一样，R9的高低直接影响整个LED灯具的特殊显色指数。如果要提高特殊显色指数，就要想办法提高R9的值。

2.3.2.4 高温测试对显色指数的影响

对于3-1 LED50W平板柔光灯高温测试前后Ra值的比较如图8所示。

从图8可以看出，对于编号为3-1 LED平板柔光灯高温测试前后其显色指数几乎不变，其Ra平均值高温测试前后均为77.1。

3 演播室电视图像色彩还原测评

3.1 测评条件

3.1.1 场地

测试采用中央电视台新台址设备在演播室进行。主观评价分别在演播室录制现场和中央电视台主观评价室进行。

3.1.2 测试系统设备和连接

3.1.2.1 测试设备

摄像机采用SONY公司的HDC-1580高清摄像机，镜头采用CANON公司的HJ22ex7.6BIRSE，示波器采用LEADER公司的LV5800高清数字示波器，监视器使用2台PANASONIC公司的26英寸液晶监视器，录像机采用PANASONIC公司HD D5格式录像机，测试系统设备详细清单如表3所示。

3.1.2.2 测试系统连接

整个测试系统连接如图9所示。

系统信号路由：摄像机机头拍摄图像通过光缆传输到基站进行处理，一路输出到高清示波器用于波形记录和监看，一路输出到HD D5录像机进行记录，另外两路输出到2台26英寸液晶监视器用于图像监看。每个场景测试前我们都对摄像机进行认真的黑白平衡校正，测试过程中我们通过摄像机RCP面板对摄像机参数进行调整。

3.1.3 测试灯具

选择6类LED照明灯具，其中4类为低色温（3 200 K）灯具、显色指数为80左右；1类为高色温（5 600 K）、显色指数为80左右；1类低色温（3 200 K）、显色指数为65左右。各场景产品具体型号和灯具数量见表4。此外，我们还选择传统的卤钨光源照明灯具作为比较的标准。LED照明灯具对电视图像色彩还原影响的测试安排在高清演播室进行，测试期间各设备需提供相应型号LED灯具7～10台用于演播室布光。

3.2 测评内容、方法和步骤

3.2.1 测评内容

分别拍摄并记录传统的卤钨灯和6类LED灯照射下的图像。测试中不同品牌灯具在同灯轴不同灯位下布光，图10显示的是场景4各LED灯具灯光布置情况，其他场景灯具灯光布置基本相同。

拍摄时摄像机采用定点拍摄，每次拍摄同一场景在不同的灯具照射下尽量保证相同位置、相同景别的构图方式。每个场景拍摄记录30 s，同一类LED场景不同拍摄主体间用彩条隔开，时间为10 s，不同类LED场景间采用黑底的方式隔开，时间为15 s。将七类LED灯具照射下的图像按场景编辑成序列，进行主观评价打分。

测试中，摄像机各项调整为缺省值，规定场景选择为演播室内典型拍摄场景，如表5所示。

3.2.2 测评方法和步骤

分别拍摄并记录传统的卤钨灯和6类LED灯照射下的图像。在演播室测试时，根据节目的传统制作流程，首先由灯光师对各个位置的LED照明选择合适的色温值后并调节灯具照度，利用色温表测试现场色温值；然后，摄像机在该灯光照明环境下进行黑、白平衡调整，并记录当时摄像机白平衡调整后RCP显示的色温值。我们对每类LED场景做以下操作记录。

（1）对于人物的拍摄：

摄像机光圈固定在5.5，调节相关灯具的照度值，确保视频信号幅度在800 mV，记录此时各灯具的照度值；记录此时的波形显示；记录此时的视频信号。

调节光圈保证最佳主观图像效果，读出此时视频信号幅度，读出此时的光圈值；记录此时的波形显示；记录此时的视频信号。

（2）对于水果、花篮和色卡的拍摄：

表4 各测试场景灯具具体型号和数量

表5 场景拍摄具体内容和相应景别

调节光圈保证最佳主观图像效果，读出此时视频信号幅度，读出此时的光圈值；记录此时的波形显示；记录此时的视频信号。

我们以场景1为例，其记录后显示波形如图11～图15所示。其他场景波形记录不再展示。

3.3 图像色彩还原主观评价

3.3.1 评分标准

采用5分制标准来衡量图像色彩还原性能，具体分值标准见表6所示。

3.3.2 演播室现场图像色彩还原主观评价

在演播室拍摄各场景图像的同时，组织专家在现场只对场景编号0～6的人物肤色还原进行打分。同时，对于现场拍摄中需要记录相应场景下主观色彩还原感觉最好的画面时，需要现场专家组的一致认可，才可作为该场景下主观色彩还原感觉最好的画面进行记录。

3.3.3 主观评价室图像色彩还原主观评价

将7种灯具照射下的图像按场景在对编机房直接编辑成序列，其中一盒磁带为卤钨灯具照射下拍摄的图像，另一盒为6种LED灯具照射下拍摄的图像。每个拍摄场景30 s，同一类LED场景间采用黑底加字幕的方式隔开，时间为10 s，不同类LED间采用彩条方式隔开，时间为15 s。在松下公司2台BT-LH2600WMC监视器上进行观看，事先对2台监视器进行了严格的调试，确保显示颜色基本一致。

将卤钨灯照射下的图像依次与6种LED灯具照射下的图像进行对比，即每次播放图像时，左侧监视器为卤钨灯下拍摄的图像，右侧监视器为LED照明灯具下拍摄的图像，将两图像进行比较，再进行主观评价打分。每个序列最高分为5分，可精确到小数点后一位，而卤钨灯照射下拍摄的图像主观评价默认为5分。

为了确保评分显示为个人主观评价反应，我们将6类LED灯具照射下的图像在编辑时进行了随机排列，见表7，同时，要求专家在打分时不能互相讨论，以免影响其他人打分。如果认为右侧图像比左侧图像彩色还原好，可评为5+。人物1为拍摄主观评价最佳的人物画面，人物2为拍摄信号幅度不超标的人物画面。

主观评价室系统连接示意图如图16所示。将录像机的输出1接在对应的监视器A路上，将录像机的输出2与另一个监视器交叉连接，接在B路上。

3.4 数据分析和结论

3.4.1 演播室现场图像色彩还原分值

演播室现场评分如图17所示。

从图17可以看出：

（1）对于场景1、2、3、6 LED灯具照射下人物肤色还原，项目组专家给的分数都在4.5分以上，图像色彩还原佳，十分满意；

（2）对于场景4和5 LED灯具照射下人物肤色还原，项目组专家给的分数都在3分～4分之间，图像色彩还原一般，尚可接受。

3.4.2 主观评价室图像色彩还原分值

为了确保专家打分有效，在统计10位专家对每个场景下的图像色彩还原平均分值时，采用去掉一个最高分和一个最低分再取平均值的方式进行统计。

3.4.2.1 场景1（摄像机白平衡调整后色温显示3 034 K）

从图18和图19可以看出：所有拍摄物体的平均分值都在4分以上，整体色彩还原正常。对于水果、花和色卡的平均分值都在4.5分以上，这说明色彩还原极佳，十分满意；而对于人物1和人物2分值在4.3分～4.4分之间，这说明肤色还原佳，但不及所拍摄水果、花和色卡的色彩还原。

3.4.2.2 场景2（摄像机白平衡调整后色温显示3 152 K）

从图20和图21可以看出：所有拍摄物体的平均分值都在4分以上，整体色彩还原正常。对于人物1和人物2分值在4.4分以上，这说明肤色还原佳。

3.4.2.3 场景3（摄像机白平衡调整后色温显示3 225 K）

从图22和图23可以看出：所有拍摄物体的平均分值都在4分左右，整体色彩还原正常，但对于人物和水果的色彩还原与场景1和场景2的灯具相比稍显欠缺。该场景灯具的显色指数为77.1，而场景1和2场景灯具的显色指数都在85以上，这说明灯具的显色指数高低对图像色彩还原有一定的影响。但显色指数介于75～85之间的LED灯具对人物和物体的色彩还原也比较满意。

3.4.2.4 场景4（摄像机白平衡调整后色温显示3 324 K）

从图24和图25可以看出：所拍摄的水果、花和色卡的平均分值都在4分以上，这说明色彩还原佳，比较满意。该场景下对于人物图像平均分数介于3分～3.5分，这说明对肤色还原一般，尚可接受。