中國照明學(xué)會《照明工程學(xué)報(bào)》于2012年《照明工程學(xué)報(bào)》創(chuàng)刊20周年之際開展優(yōu)秀論文評選工作。經(jīng)過作者自薦、專家推薦以及專家評審等工作，從2010年、2011年、2012年《照明工程學(xué)報(bào)》刊登的論文中評選出優(yōu)秀論文50篇。本篇論文榮獲《照明工程學(xué)報(bào)》2010年—2012年優(yōu)秀論文評選 二等獎(jiǎng)。

　　作者：程雯婷 孫耀杰 童立青 林燕丹

　　1 顯色指數(shù)與光源顏色質(zhì)量評價(jià)

　　如今人們對室內(nèi)照明質(zhì)量的要求越來越高，照明評價(jià)也從過去以照度為主要指標(biāo)，向基于舒適性的綜合評價(jià)發(fā)展。其中光源的顏色質(zhì)量( colorquality) 是決定室內(nèi)照明效果的重要指標(biāo)之一。

　　1. 1 顯色指數(shù)(CRI) 存在的缺陷

　　在過去數(shù)十年， 國際照明學(xué)會( CIE) 制定的顯色指數(shù)(CRI) 是最常用的評價(jià)顏色質(zhì)量的指數(shù)。但隨著新光源的出現(xiàn)和研究的深入，其存在的問題也日益凸顯[1]。根據(jù)CIE 對于顯色性( colorrendering) 的定義，它是指與參考照明體下的色表相比較，一個(gè)光源對于物體的色表產(chǎn)生的效果[2]。用于評價(jià)的指數(shù)即顯色指數(shù)CRI ( Color RenderingIndex)。

　　美國[3，4]、匈牙利[5 ～ 8]、法國[9 ～ 11] 等研究者均發(fā)現(xiàn)，CRI 在用于評價(jià)光源，尤其是LED 的顯色性時(shí)，存在許多問題，如色空間不均勻、顏色樣品數(shù)量少且飽和度過低等。不僅如此，用光源的顯色性來評價(jià)顏色質(zhì)量本身存在著問題。根據(jù)顯色性的定義，其評價(jià)的是光源對于物體在參考照明體下的顏色還原性( color fidelity) ，所以不管物體的色表往什么方向偏離，顯色指數(shù)都會降低。但實(shí)際運(yùn)用中，如果光源使顏色飽和度增加，可以提高視覺清晰度和視亮度，所以單純用顯色指數(shù)來評判光源顏色質(zhì)量是不全面的[12]?；谝陨峡紤]，CIE 在2007 年的技術(shù)報(bào)告[13]中明確提出: 目前的顯色指數(shù)CRI 不能有效反映包括白光LED 在內(nèi)的白光照明光源的顯色性優(yōu)劣。

　　1. 2 新的光源顏色質(zhì)量評價(jià)體系的形成

　　為了修正CRI 的一些問題，美國NIST 的WendyDavis 和Yoshi Ohno[14，15] 開發(fā)了一套新的評價(jià)系統(tǒng)CQS (Color Quality Scale)。但該系統(tǒng)主要基于數(shù)學(xué)計(jì)算開發(fā)，其可靠性仍有待更多的視覺實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。例如Nicola Pousset 等人[16] 將其顏色偏好度實(shí)驗(yàn)結(jié)果與各光源的CQS 值進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CQS 值在反映真實(shí)顏色質(zhì)量上不盡人意。

　　要全面地評價(jià)光源的顏色質(zhì)量，需要考慮很多因素， 如顏色還原性， 色調(diào)的區(qū)分度( huediscrimination) ，顏色鮮艷度( vividness) ，人們對顏色的偏好度( preference ) ， 視覺清晰度( visualclarity) ，視覺舒適度等等。目前為止國際上未形成統(tǒng)一的光源顏色質(zhì)量評價(jià)體系，但有一點(diǎn)可以肯定:決定光源顏色質(zhì)量的是人的視覺感受。因此，我們需要基于大量的視覺實(shí)驗(yàn)來確定該評價(jià)體系。

　　目前的研究主要采用的方法可歸納為: 保持桌面照度或視線方向亮度相同; 并保證各待測光源具有接近的色溫或色坐標(biāo); 被試進(jìn)行的視覺任務(wù)主要有: 考察顏色還原性( 即顯色) 的色差評價(jià); 考察偏好度、鮮艷度、協(xié)調(diào)度等的主觀評分; 考察顏色區(qū)分度的辨色實(shí)驗(yàn)。但目前大多研究均為視覺實(shí)驗(yàn)結(jié)果與顯色指數(shù)CRI 的比較，并已獲得明確結(jié)論，對于CQS 體系的驗(yàn)證僅含顏色偏好度，不含顏色還原性等其他方面的研究，因此還有待完善。此外，大部分視覺實(shí)驗(yàn)針對歐洲人群，由于東西方人群的顏色偏好差異，其結(jié)果未必適用于亞洲人。因此，本實(shí)驗(yàn)對光源的CRI 和CQS 均進(jìn)行了計(jì)算，并基于視覺實(shí)驗(yàn)考量了顏色還原性和顏色偏好度兩方面特性，以期在CQS 系統(tǒng)的可靠性驗(yàn)證方面作出完善，并為顏色質(zhì)量評價(jià)的視覺實(shí)驗(yàn)補(bǔ)充亞洲人樣本。

　　2 實(shí)驗(yàn)方法

　　實(shí)驗(yàn)選取了5 種光源，其中2 種鹵素?zé)簟? 種LED 和1 種緊湊型熒光燈(CFL) ，均為市場上的高端產(chǎn)品，其中鹵素?zé)糇鳛橄嗤珳叵碌膮⒖脊庠?。光源基本信息見?， 按照色溫將5 種光源分為6500K 組與5000K 組兩組進(jìn)行，分開進(jìn)行視覺實(shí)驗(yàn)。首先采集了各光源的相對光譜功率分布， 見圖1、圖2，光譜采集儀器為STC3000 光譜儀，然后基于光譜計(jì)算了CRI 和CQS 兩類指數(shù)。

　　視覺實(shí)驗(yàn)在一暗室內(nèi)進(jìn)行，制成兩個(gè)獨(dú)立的隔間，如圖3 所示。隔間頂部安裝有光源，不產(chǎn)生眩光，均勻照射在桌面上，兩隔間桌面平均照度均為500lx。

　　實(shí)驗(yàn)采用被試者內(nèi)設(shè)計(jì)( within-subjects design)的方法，選取10 名被試，其中5 男5 女，年齡為20至24 歲，均具有正常的視力或矯正視力，且經(jīng)過篩選，無色盲等其他眼疾。利用抵消實(shí)驗(yàn)條件的設(shè)計(jì)( reversal experimental condition design) ，每位被試均參與所有實(shí)驗(yàn)條件下的三組實(shí)驗(yàn)任務(wù)。第一項(xiàng)為色差的評分。實(shí)驗(yàn)采用的MCC 色卡是CIE 規(guī)定的用以比較待測光源與參考光源色差的標(biāo)準(zhǔn)方法。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在兩個(gè)隔間桌面上分別放置MCC 色卡，隔間一邊放置待測光源( CFL 或LED) ，另一邊放置相同色溫的鹵素?zé)糇鳛閰⒖脊庠?，令被試觀察兩套色卡中的24 對顏色樣品，并對每一對的色差進(jìn)行打分。打分的規(guī)則是，首先將色差感受歸入VS ( very small，非常小)，S ( small，較小)，M (medium，中等) ， L( large，大) ，VL ( very large，很大) 五個(gè)大類( 表2) ，然后再進(jìn)行5 個(gè)等級的細(xì)分，最后以諸如VS4，L2 的形式表示。為便于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)過過時(shí)將得分轉(zhuǎn)換為末尾行1 ～ 25 的數(shù)字。

　　三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)均為偏好度的評價(jià)。隔間內(nèi)放置了仿真花朵和水果， 便于被試觀察并作出判斷。其中第二項(xiàng)為對各個(gè)光源的單獨(dú)評分， 包括從0( 非常不喜歡) 到100 ( 非常喜歡) 的評分，和從1( 非常不喜歡) 到5 ( 非常喜歡) 的評分。第三項(xiàng)為兩兩比較，令被試選出更喜歡的光源編號。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　3. 1 CRI 和CQS 計(jì)算結(jié)果

　　表3 顯示了各個(gè)光源的CRI 和CQS 計(jì)算值。對于顯色指數(shù)CRI，除了計(jì)算了一般顯色指數(shù)(Ra) ，還計(jì)算了4 個(gè)高飽和度特殊顯色指數(shù)的平均值R (9～ 12) ，另外還單獨(dú)列出了9 號樣品的特殊顯色指數(shù)R9，因?yàn)镽9 是高飽和度紅色樣品，而目前LED往往在紅色區(qū)域的顯色性較差。由表可見，由于9號樣品在5 號光源下產(chǎn)生過大的色差，R9 呈現(xiàn)了負(fù)值。這也正證明了CRI 指數(shù)存在問題。CQS 的計(jì)算值里包括了Qa，Qp，Qf 三種。CRI 中存在的一個(gè)問題是把有益于視亮度增加的飽和度增加也作為色差，引起CRI 值的降低，因此Qa 計(jì)算中將由飽和度增加引起的色差去除在外，而Qf ( fidelity) 則完全依照顯色性的顏色還原性這一定義，未剔除此類色差， 而Qp ( preference ) 則從偏好度角度考慮，鑒于增加飽和度可以提高偏好度，所以飽和度增加引起的色差不但不減小分?jǐn)?shù)，反而額外增加分?jǐn)?shù)。因此從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)， 三個(gè)CQS 值不盡相同，1，2，3，4 號光源從整體上看都使顏色樣品的飽和度在不同程度上有所增加。

      3. 2 視覺實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　24 個(gè)顏色樣品在不同光源( 2 號6500K LED，3 號6500K CFL，5 號5000K LED) 與對應(yīng)的參考光源( 同色溫的鹵素?zé)? 下的色差得分結(jié)果如圖4 所示。方差分析( ANOVA) 顯示， 對其中8 個(gè)樣品，三種光源在0. 05 的顯著水平下有顯著差異( 見表4)。通過進(jìn)一步的兩兩比較得到各光源在一些顏色樣品下的還原性優(yōu)劣( 見圖5) : (1) 對于樣品4，11，16， 2 號( 6500K LED ) 優(yōu)于3 號( 6500KCFL) ; (2) 對于樣品7，18，3 號(6500K CFL) 優(yōu)于2 號( 6500K LED) ; ( 3 ) 對于樣品1，2，4，16，21， 2 號( 6500K LED ) 優(yōu)于5 號( 5000KLED) ; (4) 對于樣品1，2，7，18，3 號(6500KCFL) 優(yōu)于5 號(5000K LED)。由此可見，對于不同顏色樣品，三種光源(6500K LED; 6500K CFL;5000K LED) 在顯色性能上各有利弊，顯色指數(shù)高的CFL，未顯示出特別優(yōu)勢。

　　3. 3 視覺實(shí)驗(yàn)與CRI、CQS 計(jì)算值的比較

　　關(guān)于顏色還原性， 基于顯色指數(shù)CRI 和美國NIST 提出的CQS 指數(shù)的計(jì)算，6500K 和5000K 的LED 樣品比6500K 熒光燈樣品的顯色性( 顏色還原性) 差，但基于顏色樣品色差評價(jià)的視覺實(shí)驗(yàn)，該熒光燈樣品較LED 未見明顯優(yōu)勢，對于不同顏色的樣品，它們的還原性各有利弊。

　　人們對各樣品的偏好度更是與CRI 和CQS 大相徑庭。其中，對飽和度因素進(jìn)行補(bǔ)償?shù)腝p 的計(jì)算值與Qa 有所區(qū)別，但是仍然與實(shí)際的偏好度不符合。具有很高的CRI 和CQS 值的6500K 鹵素?zé)舴炊韧珳氐臒晒鉄簟ED 偏好度低?？赡艿脑蚴?，熒光燈和LED 的光譜具有一些峰值，提高了一些顏色的飽和度，使顏色更鮮艷，物體更清晰。

　　4 結(jié)論

　　(1) 顯色指數(shù)CRI 無法反映光源顯色性( 即對被照物體的顏色還原性) 的實(shí)際情況，更不能用以評價(jià)人們的偏好度;

　　(2) 針對本次測試的樣品，CQS 指數(shù)與顯色指數(shù)CRI 計(jì)算值接近，在評價(jià)光源顏色質(zhì)量的準(zhǔn)確性上，與CRI 相比未見優(yōu)勢。若CQS 要取代CRI 成為新的標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)體系，仍有待進(jìn)一步的完善，提高其普適性;

　　(3) 光源的顏色質(zhì)量是一項(xiàng)綜合性的評價(jià)，需考慮顯色性、偏好度等多種因素;

　　(4) LED 在提高某些顏色飽和度、從而增加人們偏好度方面有一定優(yōu)勢，在實(shí)際應(yīng)用中可加以利用，如在商業(yè)照明中，提供白光普通照明的同時(shí)，在照明藍(lán)色、黃綠色商品時(shí)，可增加其顏色飽和度，以提高商品吸引力。