光源显色性度量标准的发展与现状

迈克·伍德

【摘 要】 光源显色性是光源重要的性能之一，对它的度量和传达是一个重要的课题。对原有的CRI表述一直存有争议。 由于LED集成光源的兴起，最近几年全世界对这个经典课题的研究又掀起了一股新的热潮。本文简明扼要地综 述了光源显色性度量的进展，介绍了色质指数（CQS）、色域指数（CGI）等指数的特点，并结合演艺灯光行 业，阐述了作者的看法和建议。

【关键词】 显色性；度量指数；色饱和度；显色指数CRI；色质指数CQS；色域指数CGI

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.09.005

【Abstract】Color rendering is one of the important properties of lighting source， whose measurement and transmission are the important subject. Original CRI statements have been controversial for years. As the LED integrated lighting source is on the upgrade， the study of this classical subject all over the world sets off a new upsurge. The progress of the light source color rendering measurement was briefly summarized， the color quality scale （CQS）， color gamut index （CGI） and other index were introduced， and combined with performing lighting industry， the author's views and suggestions were expounded in this paper.

【Key Words】color rendering； measure index； color saturation； color rendering index； color quality scale； color gamut index

笔者曾设想将对显色性度量指数的所有选择作一综述，并试图将全部的度量标准集聚在一起。但是，这件事说起来容易，做起来就难了。坦率地说，显色性度量的整个主题有点混乱。实际上，它一直处于混乱的状况，不过对于连续光谱的光源和接近连续光谱的光源，例如HID（High-intensity discharge，高强度气体放电光源）灯泡，还是可以接受的。用户可能正眯着眼、抿着嘴，并试图说服自己相信技术数据表所列举的那些数字。现在的问题是，窄光谱、多光源LED发光源的引进，意味着用户不能再骗自己，说原有的显色性度量是有意义的。CRI（Color Rendering Index，显色指数）真是令人无望，它可以给用户完全误导性的信息；CQS（Color Quality Scale，色质指数）稍微好些，但是几乎无人使用它；还有许多其他的度量标准。所有这些标准都具有实用性，但是没人知道它们表述的内涵是什么。

另一个问题是，即使它们是有意义的，也并非误导，但是这些现有的度量标准中，没有一个标准能呈现其显色性度量标准的全貌。它们的目的是对照明物体的单一光源进行评估。对于世上大多数人而言，这种度量运作得很好。他们想知道在这个光源照明下厨房台面看上去如何，或办公室在另一个光源照明下看上去如何，以及用作评估依据的单一显色性度量标准的类型。然而，度量标准没有说明：在同一时间被许多不同光源共同照明下的一个情景看上去会如何呈现，而其中的每一个光源可能具有不同的特性；也就是说，光源将如何一起工作，受照的情景将如何呈现。让我们简要地复述目前所知道的有关显色性度量标准的情况，然后再看看它运作得如何以及它失败在哪里。

1 CRI——显色指数

CRI是所有显色性度量标准中的第一个标准，现在仍然是最著名的标准。它最初是在20世纪50年代和60年代作为区别和度量荧光灯显色性的方法而研发的。还有其他相关的故事，但是就笔者对它的了解而言，灯泡制造商推进CRI的开发是将其作为一种与用户争辩的工具，勉为其难地证明荧光灯这种具有陌生光色的新灯泡的性能。早期荧光灯的显色性很糟糕（如同早期的白光LED光源），迫切需要一种度量/营销工具来劝说用户在灯泡显色性得到改善时，再一次使用它们。CRI就是这样一种营销工具。它与改进后的显色性信息的紧密联系，提供了区别一种灯泡和另一种灯泡的方法。你能说笔者对CRI多少有点冷嘲热讽吗？事实上，尽管它最终用作通用度量标准，但它最初绝不是为用户和设计师设计的，它纯粹是制造商为了区别和销售他们的灯泡产品而设计的。

已颁布的标准CRI度量值是Ra。这是一个来源于有限试验色的综合度量值，这些试验色都是非饱和色。为度量Ra的CRI试验色样品被指定为图1中的TCS01～TCS08（来自于这些样品的相应度量结果被称为R1～R8）。从这些浅淡的非饱和色里，一点儿也看不出，饱和度更高的色彩在这个光源照明下会如何呈现。

CRI也能够反映更饱和色彩的测试结果，其附加试验色样品TCS09～TCS14偶尔被报道。作为显示对深红色的响应，TCS09（R9）特别有用。LED和荧光灯产品常常将其排除在外，因为它们对深红色通常会产生令人震惊的结果。R9非常低或甚至负值是常见的，表明该光源根本不能显现深红色。图2和图3显示RGB LED光源的特殊CRI，该光源显现这种红色糟透了，但仍然能够达到综合CRI为80。

由CRI可知，被报告的Ra值是R1～R8结果的简单平均数，而一个低分值容易被隐藏在这个平均数中。你可能有一个光源，在7个试验色上可得96分，但在第8个试验色上得0分，它仍然能获得CRI 的Ra值为84。实际上，这样的光源将是一个糟糕的选择。换句话说，有的光源可能表面上具有较高的CRI，而关键色彩的显现却很差。有关CRI还有很多话要说，特别是关于它是如何被不严格的制造商所玩弄的，笔者此前也写过专门文章，不再赘言（编者注：可参考本刊2010年11期《解析显色指数CRI》一文）。一言以蔽之，对于窄光谱发射体光源，比如RGB LED光源，CRI几乎是无用的度量值。对于宽光谱光源，比如白光LED，它表现得好一点，但仍然不是很好。就像当初灯泡和LED制造商生产荧光灯时喜欢它一样，他们仍然喜欢它。此外，它是制造商的营销工具，而不是对最终用户有用的工具。endprint

2 CQS——色质指数

CQS是CRI的改进版，试图解决CRI某些不足之处，使其对用户更有用些。尤其是，它采用范围较广的、色彩更加饱和的试验色样品，见图4，并综合它们的试验结果，在这种度量方法中不再会隐藏单一的糟糕结果。

图5显示图2和图3中相同RGB LED光源的CQS结果，这次红色表现的不足就暴露出来了，而相应的欠佳的肤色表现也是显而易见的。尤其要察看试验色样品VS1、VS14和VS15。

笔者想举一个实例说明CRI值是如何被人误解的。图6显示同一情景的两张照片。左边的影像是受照于RGB LED光源，该光源的CRI为82，CQS为74。在这种情况下，CRI和CQS之间产生差异的主要原因是彩色都被冲淡了，即饱和度都减小了，因而对CRI的不利影响没有对CQS的影响那么大。此外，其中也有一些两个度量值所引发的真实的呈现误差。在现行规章下，这种光源要能通过美国能源之星（Energy Star，要求有最小的CRI值）的认证。右边的影像则受照于LED不同排列的另一个RGB LED光源，该光源具有较低的CRI值，仅为71，但CQS值较高，为83。这是因为彩色已经被选中，从而它们或因过饱和、或因彩色增加，而不是因未饱和而导致失分。CQS容许一些过饱和的彩色，这常常是无异议的，但CRI则对这些彩色扣分很大，使CRI数值降分。除了过饱和情况之外，在这个影像中显示的色彩误差实际比第一个影像中显示的少。在现行规章下，这种光源因其CRI值太低而不符合能源之星标准。这明显是荒谬的。用户更喜欢哪一个度量指标？像这样增加彩色的所有光谱都会引发色调改变。因此，彩色增加型光源的CQS值绝不会达到100。CQS并不喜好彩色增加型光源或产生过饱和但又限定扣分程度的光源。

在笔者看来，对于演艺灯光，CQS是比CRI更有用的指标。然而，单一的CQS指标是我们需要的足够信息吗？可惜，不是。

3 缺失的信息

在显色性问题上，依然有缺失的信息。CRI和CQS两个度量值提供了光源显色性如何好或如何不好的指示，如果单独使用某个光源，且该光源将平均呈现各种彩色，那么其度量值就足够充分了。但是，没有哪一个显色度量值能说明，它的不足之处在哪里。如果有两个光源，它们的CRI同为85（或CQS，这个度量值同样适用于这两个光源）。就许多用途而言，这个显色水平是可接受的，所以，用户能正确地判断两者中的任一个可能是适用的，对于这项照明工作虽不是很好但能胜任。然而，这没有说明一点：它们一起使用时看上去色彩会如何呈现。或许它们中的一个光源缺乏红色，而另一个缺乏绿色。因此，它们独自使用时，每一个都是可接受的；但当它们被同时使用时，则可能是相当可怕的。在演艺行业，设计师可能经常遇见这样一种情况：提供辅助光和侧光的泛光灯来自制造商A，而提供主光的聚光灯则来自于制造商B。两个产品都采用窄光谱LED发射光源，而且它们都拥有相同的CRI：85。单独使用其中一个产品为演员照明，都能产生良好的显色效果，但是，它们被一起使用时，舞台上的色彩将会改变，其变化取决于哪一个产品起支配作用。设计师要做什么呢？当这些灯具第一次出现在舞台灯光装置中，在灯光彩排之前，设计师如何能够预先知道舞台色彩效果及其变化的相关信息。这是个让设计师很挠头的问题。在一定程度上，以前也有这个问题：在将HID电脑灯连同白炽光源灯具一起使用时。但是现在，在伴有每个变化的场景中有可能还看见这种用法。在使用电脑灯时，用户似乎学会了接受或容忍这种状况，但是笔者依然认为：它看上去是挺糟糕的。

CQS的2013第9版本试图通过引入色彩饱和度图标（Color Saturation Icon）来说明这个问题。这是一个小的图像，以简单方式表明光源在哪里表现得好，哪里表现得不好，它应该伴随着产品说明书上的原始CQS值。

图7显示白炽光源的色饱和度图标；展示光源光输出的彩虹状有色区域几乎完全填充了外圈，标志一个完美的光源，只是在深蓝色区域稍稍有点缺失——白炽光源缺乏深蓝色成分。因为CQS试验色样品已经被慎重地选择以使其拥有相同的色度值，这是CGI运作的目的。图8、图9分别显示了两个RGB LED光源的色饱和度图标，两个光源的CRI值均为67，因此，单独借助此指标的应用，不能区别它们的显色性。然而这两个色饱和度图标清楚地显示出它们的区别，图8显示红色和绿色过饱和了，而在另一个图标（图9）中，则显示红色和绿色未达饱和点。借助这个额外的信息，更容易做出判断：这两个光源一起使用，很可能效果不好。

尽管还没有见过哪一家制造商在其产品说明书上运用CQS色饱和度图标，但是笔者可以看出，它是一个非常有用的添加物。它很容易演算和印制，并在简单的小图像中转达了许多信息。NASA（National Aeronautics and Space Administration，美国国家航空航天局）的约翰逊航天中心正在考虑，在评估用作航天器照明和彩色指示器的光源时应用这些色饱和度图标。彩色通常被用来指示航天器的不同控制和安全特性，因而照明需要足够良好，以使用户看清这些色彩。黄色或橙色是一种警告，无论哪一个，可能都是重要的指示。具有高CRI值的良好光源，呈现一个特定的关键彩色却很差，在迅速地了解CRI作为度量的缺点时， NASA已经碰到麻烦。

4 其余的显色性度量标准

CRI和CQS可能是最常见的显色性度量指数，然而，除此之外还有很多其他的度量指数。对一些公认的CRI缺点，其他改进建议还包括采用更多的试验色。最近的一个建议是：采用许多理论上的单色波段样品，它们彼此部分交叠以覆盖整个光谱。这将提供比现行的两个试验中都更精细的结果。图10显示了具有多重交叠色彩的理念。当然，这些纯色在真实生活中实际上没有一个作为色素存在，但是，这没有关系，因为所有试验都是在计算机里完成的。然而，即使达到这个波段间隔尺寸，用户依然不能凭一个简单的数字指数就知道色彩呈现方面的不足究竟在哪里。endprint

CGI（Color Gamut Index，色域指数）是另一个得到大力支持的显色性度量指数。这一次它被推荐为CRI或CQS的添加物，而不是它们的替代物。CGI的建议者理解和确认CRI和CQS的长处，以及它们的固有缺点——在未饱和与过饱和之间不能加以区别。在上述任一种情况中，CGI和CQS的指数值都会下降，但是无法判断引起变化的是哪一个因素。CGI是将CQS色饱和度图标表示方式的试验进行量化的一种手段，它采取如同CRI和CQS一样的色彩样品，并在u'、v'色度坐标图上绘制试验光源照明下的合成颜色。这创建了多边形的图形，多边形范围就是试验色受到该光源照射时色彩呈现的整个范围。这些多边形区域，或称色域（Color Gamut Area，CGA）表示产生的颜色范围中色饱和度状况如何，因而提供了对未饱和或过饱和光源的一种量度。一般而言，色域越大，色样品越饱和，人眼区别它们就越容易。然后，通过CGI与相同色温的最好光源的CGA比较，从CGA获得CGI。与CRI或CQS相结合，CGI提供了对光源整体显色性能更好的感觉。然而，这两个指数依然不能说明，哪些色彩在该光源照明下呈现得好或不好，所以笔者不确信它能提供本行业中用户需要的一切。图11显示各种不同光源的CGA的例子。

与所谈论过的其他显色性度量不同， CGI的数值实际上可以很高也可以很低，其间会有可被接受的CGI数值范围，而不是只有较低的下限。对于正常照明而言，当前普遍建议的可接受的CGI范围是：大于80而小于100，外加CRI（或CQS）大于80。（笔者推荐伦斯勒理工学院照明研究中心为获取更多CGI及其应用的信息而所做的工作。）

其他较为成熟的显色性度量指数包括：全光谱颜色指数（FSCI——Full Spectrum Color Index）、显色示意图

（CRM——Color Rendering Map）、颜色识别指数（CDI——Color Discrimination Index）、显色能力（CRC——Color Rendering Capacity）、反差感觉指数（FCI——Feeling of Contrast Index）、佛莱特瑞指数（FI——Flattery Index）、颜色偏好指数（CPI——Color Preference Index）等。这些指数的目的，本质上都是相同的：提供单一的数字（或图形），以评估某光源在人眼看来其显色性如何良好。“良好”一词在这里的意思是，从一种度量值变化到另一个度量值的量差有多少。但总的说来，它是试验光源对完美的假设光源（常常以日光用作其范例）的对照。至少在一定程度上，它们全都担当起这项评估工作。但是在目前，世界还没有对这些度量指数中的哪一个取得一致意见以便统一使用。在最近几年中，许多国际委员会一直努力寻找新的度量指数以替代有缺陷的CRI，迄今为止没有达成一致协议，每个委员会都终止了寻求一致协议的企图和努力（一个值得注意的例外是PLASA技术标准计划（PLASA Technical Standards Program）。决定哪一个度量指数适用于本行业，不能永远等待别人来决定。）有太多的既得利益者忙于取得一致的意见：制造商有其商业的关注，而不希望有一个度量值使它们的产品显得很难看，专业学者不会赞同接受不完美的任意度量指数（一个依赖于心理学和统计学的度量值，这或许是不可能取得的），而最终用户和设计师只是想要今天有助于其某个事物乃至任何事物。

每一个人都认同CRI是无用的，但是因为人们对它的替代者没取得一致意见，致使无用的CRI作为唯一编入法典的显色度量标准能够长久存在。遗憾的是，笔者不能确定，在这样的小行业中，人们针对这个问题所做出的决定究竟可以产生多大的影响。但重要的是，至少知道将发生什么，并认识到能对显色性做出惟一正确而快速判断的是用户的眼睛。

（本文编译自美国《PROTOCOL》杂志2014年冬季刊第19卷第1期《Color Rendering - Where are we ？》一文，http：//na.plasa.org/publications/protocol.html）

（编辑 张冠华）endprint