光源显色性评价标准与高清电视画质的关系

【摘 要】 介绍显色指数（CRI）、色质指数（CQS）和电视光源一致性指数（TLCI）等光源显色性评价方法，分析高清 演播室中，上述标准与电视画质的关系。

【关键词】 显色性；高清演播室；显色指数；色质指数；电视光源一致性指数

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2016.05.009

【Abstract】The method of measuring the color including the color rendering index （CRI）， color quality index （CQS） and TV light consistency index （TLCI） were introduced in this paper， and the relationship between the standard and the quality of the television in HD studio was analyzed.

【Key Words】color rendering property； HD studio； color rendering index； color quality scale； television lighting consistency index

引言

近年来，随着电视技术的进步，电视分辨率从标清、高清发展到超高清（4K、8K），电视画面发生了质的变化；同时，电视节目，尤其是高清节目，对照明光源品质的要求也在不断提高。

电视灯光是一种艺术语言。演播室灯光对于塑造人物形象、清晰的画面录制和满足节目制作要求起着至关重要的作用。照明光源显现被照明物体颜色的性能称为显色性。熟悉掌握光源显色性的评价方法及标准的应用，已成为电视灯光师和导演做好电视节目录制的基本功之一。

1 电视演播室光源概述

1.1 卤钨灯

多年来，卤钨灯是演播室制作的常用光源。其优点是可以平滑调光，显色指数接近日光。缺点是发光效率低、热耗大、使用寿命短。

1.2 荧光灯

荧光灯被证明比卤钨灯的效率要高出四、五倍，有较长的使用寿命，显色指数高。

1.3 高强度气体放电光源

高强度气体放电光源是新一代高品质光源。其中，金属卤化物灯显色指数高，光效高，寿命较长，广泛用于电脑灯及室外照明灯具。

1.4 LED光源

LED光源呈现出更加灿烂的视觉效果，且节能环保，使用寿命长，正逐渐成为演播室的主要光源。LED灯的发光效率可达钨灯的10倍以上，一定的LED灯组合可以组创连续光谱，提供亮丽的色彩还原，功耗低，光效高，调光迅速，不产生紫外光和IR辐射[1]。目前，国产LED舞台灯具，色彩和饱和度可实现连续变化，利用多种颜色混合产生的白光可以实现理想的照明效果。

2 光源显色性的评价

显色性是评价光源的关键参数之一。

2.1 光源的颜色特性

颜色来源于光，不同波长的可见光辐射的能量不同，在人眼的视觉上反映出的颜色也各不相同。可见光谱的波长在380 mm～ 780 mm之间。

对于一个固定颜色光源发出的光线，常用两个不同的术语表征颜色特性[2]：

（1）光源的色表，即人眼直接观察光源时所看到的颜色。

（2）光源的显色性，即光源发出的光照射物体后，物体颜色呈现效果的特性。

2.2 光源的色表

在照明应用领域，常用色温定量描述光源的色表。当一个光源发射出的光的颜色与黑体（完全辐射体）在某一温度下所辐射出的光的颜色相同，黑体的温度就称为该光源的颜色温度，简称为“色温”。色温用绝对温标（K）表示。

2.3 光源的显色性及评价标准

国际照明委员会（CIE）用“显色指数”（Color Rendering Index，简称CRI）来表示光源的显色性[3]。

显色指数包括一般显色指数（Ra）与特殊显色指数（Ri）两种。Ra的确定方法，是以选定的一套共8个有代表性的色样，在待测光源与参照光源下逐一进行比较，以确定每种色样在两种光源下的色差Ei 。按照约定的定量尺度计算出光源对每一种色样的显色指数Ri，即特殊显色指数。公式如下：

一般显色指数Ra则是8个色样显色指数算术平均值：

一般的人工照明光源，用Ra评价显色性指标就够了。需要考察光源对特定颜色的显色性时，需引用另外规定的检验色样，分别是深红、深黄、深绿、深蓝、白种人肤色、叶绿色、中国女性肤色（仅在中国），如图1所示。光源的显色指数越高，其显色性越好。与参照光源完全相同的显色性，其显色指数为100。一般认为Ra=80～100，显色性优良；Ra=50～79，显色性一般；Ra<50，显色性较差。图1中1#?8#为非饱和色块，9#?14#为饱和色块。

3 LED光源的显色性及评价方法

3.1 显色指数CRI

若把CRI应用于RGB组合型LED，可能引起误导，因RGB组合型LED缺少大量黄色光谱，它对黄色的显色性很差。RGB组合型光谱的波峰狭窄且波峰之间的间隔较大，光谱分布对波峰外饱和色的显色性很差。

CRI计算采用的标准色样板为非饱和色，对于衡量连续且频带较宽的光源的显色性比较好；对于LED 等饱和色光源，显色性评价准确性会有一定的误差。

如图2，选取12块标准色卡与标准光源对比，受试LED光源A（Ra =80）对右边四块饱和色的表现不如受试LED光源B（Ra =67）。

3.2 色质指数CQS

基于 CRI 在评估 LED 光源时，存在色空间不均匀、标准色样少、饱和度过低等问题。美国国家标准与技术研究所给出一种新方法——色质指数（Color Quality Scale ，简称CQS），来评价 LED 等新型白光光源的颜色品质。

与CRI类似，CQS也采用验色法。通过被测光源与参考光源，照射同标准色样，计算出它们之间的色差。区别于CRI的非饱和色，CQS选取15种饱和色，它们平均分布于整个可见光谱中[4]。

如图3，色质指数CQS测试色板的颜色由红到紫构成近乎连续变化的偏饱和颜色。

计算CQS值所需的数据都可以从光源的光谱和色样的颜色属性中推导出来，对15块色样的颜色位移量的初始计算与对CRI色样的计算相似，但是CQS值是取15个数据的均方根值，即：

式中：Qa——Qi的15个数据的均方根值；

Qi ——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。

相比于CRI（Ra）的计算，CQS（Qa）的计算方法在色差的权重上得到了增强，这样即使在色样间有一些色差，也不会对最终结果产生重大影响。

CQS 兼顾了LED白光等饱和色和样板色的完整性，但在准确评价颜色的保真度、偏好度不同种族人群方面，需要进一步进行视觉实验和完善。

3.3 电视光源一致性指数TLCI

欧洲广播联盟（European Broadcasting Union，简称 EBU）在2011年11月发布了另外一种针对演播室灯光的测试标准——电视光源一致性指数（Television Lighting Consistency Index，缩写为TLCI），它充分考虑了电视摄像机对照明环境的要求。

TLCI是用光谱辐射计对一个光源发出的光谱能量分布进行测量和计算的。TLCI标准的测试与CRI有些类似，是由一张色彩对比图标显示比对结果确定的。其测试色块有24块，如图5，左侧测试色块显示了由标准摄影机所还原并在标准显示屏上显示的参考光源和被测光源，右边的表格提供了12个色彩区块调整亮度、色度和色调所需的指示。右下的图示则画出了被测光源（深黑色曲线）和参考光源（浅色曲线）的光谱强度分布对比图[5]。

4 高清演播室中光源显色性评价标准的运用

结合灯光显色性标准评价方法，在高清演播室灯光升级改造及节目录制中，可运用CIR和TLCI颜色标准评价方法，对灯光系统和节目场景进行新的设计调整。高清电视清晰度高，取景范围宽，宽高比由4：3提高至16：9，色域表达更加丰富。画面细节和颜色呈现得更加清晰绚丽。因此，对光源显色性、灯具的选择都有明显的提高。以两种类型演播室为例：

4.1 中小型高清演播室

中小型高清演播室，一般可分为访谈、新闻、虚拟、多功能等几种类型。它的特点是以人物为主，灯光效果相对固定，变化较小。目前，在演播室主要采用LED灯具作光源。我们知道一般LED光源有缺陷，这种RGB的白光光谱与传统钨丝灯的白光光谱比较差别很大，如图6、图7所示。它是一个连续性很差的光谱，它的TLCI值只有20，CRI值是75。为解决这一问题，在高清演播室，采用高品质LED灯具做基础光源，色温由3 200 K变为6 000 K，克服了光谱连续性差的缺点。如图8和图9为视频效果图，其中每个灯光场景CRI值与TLCI值相近，满足电视灯光颜色一致性指标。

4.2 大型综艺高清演播室

首先，要对大型综艺高清演播室的灯具进行选择和优化；同时参照颜色评价标准和色卡测试法，用标准摄像机还原的光源色彩区块，光源光谱强度分布对比图，调整亮度、色度和色调等指标，以得到较好的灯光、视频色彩。高清综艺演播室主光、副光、逆光基本光线的光位处理方法是灵活多变的，所产生的效果也是相互制约的。不同场景灯具的选择要注意色温、照度、光比、显色性等参数，以保持色彩还原一致性。

在灯光设计时，优先选择高品质灯具做基础光源。LED舞台灯具色彩和饱和度可实现连续变化，利用多种颜色混合技术产生的白光，可以实现理想的照明效果。所以，灯具的优化选择，是保证高清演播室光源品质的重要的基础工作。

当灯光师在演播室中，为实现最佳灯光效果，对被摄对象进行布光照明、确定光位、测光强度、调整光比、排除干扰的时候，更应重视色彩还原问题。

不难看出，TLCI 与 CRI 的测试目的和方法有所不同，TLCI 针对的是摄像机而CRI 针对的是人眼的观测。色彩表现力都用数字 0～100的数值；但两者并不呈线性关系。CRI 值高的光源，TLCI 值不一定高。CRI的测试和计算是基于人眼对颜色的分辨能力；而TLCI 的计算也参考了摄像机对颜色的分辨能力。因此，要很好地理解运用灯光颜色标准设计灯光场景。特别是在大型综艺演播室中，要得到很好的色彩效果，不仅在视觉上，而且在视频录制中要保持画质色彩的相对一致性。图10和图11是在2 800 m2演播室录制的视频效果截图，前者仅采用CRI一种标准录制，现场灯光色彩感较好但电视摄像机色彩还原一致性差；后者参照CRI和TLCI两种标准设计的灯光场景视频截图，现场与录制的颜色效果一致性较好。CRI和TLCI数值是用UPRtek MK350光谱仪测得的相对参考值。

5 结束语

沿用40多年的CRI，并非专用于电视演播室的灯光标准，但仍是普遍认可的度量标准；CQS是在CRI基础上提出的改进方法，两者都不是针对电影和电视摄像机的特性制定的。TLCI方法是在考虑摄像机、显示器特性的基础上建立的评价方法。

随着灯光师、导演对视觉效果要求的逐步提高，需能够适用于人眼也适用于电视或电影摄像机，真实反映各种光源的显色性。如何选择高质量的光源，特别是演播室灯光行业，需要一个有效且宜用的标准。

参考文献：

[1] 雷振声. 有关演播室和剧院用LED等的一些设计考虑[R]. 2013.

[2] 姚涵春. 光源的颜色[J]. 演艺设备与科技，2006（1）.

[3] [美]迈克·伍德.解析显色指数CRI[J]. 施端，译. 演艺科技，2010（11）：15-18.

[4] [美]迈克·伍德.显色指数CRI与色质指数CQS[J]. 施端，译. 演艺科技，2010（12）16-19.

[5] 北京照明协会照明设计专业委员会. 照明设计手册（第2版）[M]. 北京：中国电力出版社，2006.

作者简介：

王立，黑龙江广播电视台技术委员会技术监审，高级工程师，原电视台制作部副主任，长期从事电视节目编辑、制作、播出系统的维护运行和管理工作，获东北地区科技进步一等奖、国家广电总局技术质量奖二、三等奖等奖项。