Жарық көзінің түс беру индексі

Кіріспе

Түсті көрсету индексі (CRI) — стандартты жарық көзімен салыстырғанда жарық көзінің түрлі-түсті нысандардың түсін қаншалықты дәл бере алатынының сандық өлшемі. Жоғары CRI-ға ие жарық көздері, нәрестелерге күтім көрсету және өнер туындыларын қалпына келтіру сияқты түске сезімтал қолданыстарда қажет. Халықаралық жарықтандыру комиссиясы (CIE) анықтағандай, түсті көрсету — жарықтандырушының нысандардың түсіне тигізетін әсері, оларды эталондық немесе стандартты жарықтандырушымен саналы немесе санасыз салыстыру арқылы. Жарық көзінің CRI оның түсін көрсетпейді; бұл ақпарат корреляциялық түс температурасы (CCT) арқылы беріледі. CRI жарық көзінің спектрімен анықталады. Көбінесе жарық көзінің үздіксіз спектрі болады, ал флуоресцентті шамдарда дискретті сызықтық спектр болады, сондықтан жарық көзінің CRI жоғары болады. Саудада қолжетімді жарықтандыру өнімдерінде көрсетілетін «CRI» мәні, дұрысырақ айтқанда, CIE Ra мәні болып табылады, «CRI» жалпы термин, ал CIE Ra — халықаралық стандартты түсті көрсету индексі. Сандық мәні бойынша ең жоғары CIE Ra мәні 100-ге тең, және ол тек спектрі күн сәулесінің спектрімен толық сәйкес келетін немесе қара дененің спектріне жақын жарық көзіне ғана беріледі (жарық шамдары қара дененің жақсы үлгісі болып табылады), ал кейбір жарық көздері үшін теріс мәнге жетеді. Төмен қысымды натрийлі жарықтандырудың CRI теріс мәнге ие, ал флуоресцентті шамдардың CRI негізгі түрлері үшін шамамен 50-ден, ең жақсы көпфосфорлы түрлері үшін шамамен 98-ге дейін өзгереді. Типикалық ақ LED шамдардың CRI 80 немесе одан жоғары болады, ал кейбір өндірушілер өздерінің LED шамдарының CRI 98-ге дейін жететінін мәлімдейді. CIE Ra-ның түс беруді болжау қабілеті CIECAM02 және күндізгі жарық симуляторлары үшін CIE метамеризм индексі сияқты түс беру моделіне негізделген өлшемдерге қарағанда сынға ұшырады. CRI, әсіресе 5000 Кельвиннен (K) төмен температурадағы жарық көздерін бағау үшін жақсы көрсеткіш емес. IES TM 30 сияқты жаңа стандарттар осы мәселелерді шешеді және кәсіби жарықтандыру дизайнерлері арасында CRI қолданылуын алмастыра бастады. Дегенмен, CRI тұрмыстық жарықтандыру өнімдерінде әлі де кең таралған.

Measure of ability of a light source to reproduce colors in comparison with a standard light source

A color rendering index (CRI) is a quantitative measure of the ability of a light source to reveal the colors of various objects faithfully in comparison with a natural or standard light source. Light sources with a high CRI are desirable in color critical applications such as neonatal care and art restoration. Color rendering, as defined by the International Commission on Illumination (CIE), is the effect of an illuminant on the color appearance of objects by conscious or subconscious comparison with their color appearance under a reference or standard illuminant. The CRI of a light source does not indicate the apparent color of the light source; that information is given by the correlated color temperature (CCT). The CRI is determined by the light source's spectrum. An incandescent lamp has a continuous spectrum, a fluorescent lamp has a discrete line spectrum; implying that the incandescent lamp has the higher CRI. The value often quoted as "CRI" on commercially available lighting products is properly called the CIE Ra value, "CRI" being a general term and CIE Ra being the international standard color rendering index. Numerically, the highest possible CIE Ra value is 100 and would only be given to a source whose spectrum is identical to the spectrum of daylight, very close to that of a black body (incandescent lamps are effectively black bodies), dropping to negative values for some light sources. Low pressure sodium lighting has a negative CRI; fluorescent lights range from about 50 for the basic types, up to about 98 for the best multi phosphor type. Typical white color LEDs have a CRI of 80 or more, while some manufacturers claim that their LEDs achieve a CRI of up to 98. CIE Ra's ability to predict color appearance has been criticized in favor of measures based on color appearance models, such as CIECAM02 and for daylight simulators, the CIE metamerism index. CRI is not a good indicator for use in visual assessment of light sources, especially for sources below 5000 kelvin (K). New standards, such as the IES TM 30, resolve these issues and have begun replacing the usage of CRI among professional lighting designers. However, CRI is still common among household lighting products.

Тарих

Зерттеушілер электр шамдарының түс беруін салыстыру үшін күндізгі жарықты эталон ретінде пайдаланады. 1948 жылы күндізгі жарық жақсы түс беруге ие, ең жақсы жарық көзі ретінде сипатталды, себебі "ол (күндізгі жарық) (1) түрлі-түсті бояулардың кең ассортиментін көрсетеді, (2) түстердің шағын айырмашылықтарын ажыратуды жеңілдетеді және (3) айналамыздағы заттардың түстері табиғи көрінеді". 20 ғасырдың ортасында түс ғалымдары жасанды жарықтың түстерді дәл қайта жаңғырту қабілетін бағалауға қызығушылық танытты. Еуропалық зерттеушілер жарықтандырғыштарды сипаттау үшін «өкілдік» спектрлік жолақтардағы спектрлік қуатты бөлуді (SPD) өлшеуге тырысты, ал Солтүстік Америкалық әріптестері жарықтандырғыштардың анықтамалық нысандарға түстік әсерін зерттеді. CIE мәселені зерттеу үшін комиссия құрды және соңғы тәсілді қолдану туралы ұсынысты қабылдады – бұл тәсілге спектрофотометрия қажет емес, және ол Мунселл сынамалары жиынтығымен қолданылады. Әртүрлі түстердің сегіз сынамасы екі жарықтандырғышпен кезекпен жарықтандырылып, түс көрінісі салыстырылатын. Сол кезде түс көрінісінің моделі болмағандықтан, бағалауды қолайлы түс кеңістігіндегі түс айырмашылықтарына негіздеуге шешім қабылданды, ол CIEUVW. 1931 жылы CIE адамның көру жүйесінің үш түстік табиғатына негізделген алғашқы ресми колориметрия жүйесін қабылдады. CRI осы колориметрия жүйесіне негізделген. Әр түрлі корреляцияланған түс температурасы (CCT) бар жарық көздерін салыстыру мәселесін шешу үшін, CIE 5000 K-ден төмен CCT-сі бар шамдар үшін сол түс температурасы бар эталондық қара дене немесе әйтпесе CIE стандартты жарықтандырғыш D (күндізгі жарық) фазасын пайдалануды шешті. Бұл анықтама үшін таңдауға түс температурасының үздіксіз диапазонын ұсынды. Жарық көзі мен эталондық жарықтандырғыштар арасындағы кез келген түстік айырмашылықтар фон Кристің түсін өзгерту трансформациясымен қысқартылуы керек. CRI-нің екі нұсқасы бар: көбірек қолданылатын Ra (іс жүзінде 1974 жылдан бастап) және R96a.

Researchers use daylight as the benchmark to which to compare color rendering of electric lights. In 1948, daylight was described as the ideal source of illumination for good color rendering because "it (daylight) displays (1) a great variety of colors, (2) makes it easy to distinguish slight shades of color, and (3) the colors of objects around us obviously look natural". Around the middle of the 20th century, color scientists took an interest in assessing the ability of artificial lights to accurately reproduce colors. European researchers attempted to describe illuminants by measuring the spectral power distribution (SPD) in "representative" spectral bands, whereas their North American counterparts studied the colorimetric effect of the illuminants on reference objects. The CIE assembled a committee to study the matter and accepted the proposal to use the latter approach, which has the virtue of not needing spectrophotometry, with a set of Munsell samples. Eight samples of varying hue would be alternately lit with two illuminants, and the color appearance compared. Since no color appearance model existed at the time, it was decided to base the evaluation on color differences in a suitable color space, CIEUVW. In 1931, the CIE adopted the first formal system of colorimetry, which is based on the trichromatic nature of the human visual system. CRI is based upon this system of colorimetry. To deal with the problem of having to compare light sources of different correlated color temperatures (CCT), the CIE settled on using a reference black body with the same color temperature for lamps with a CCT of under 5000 K, or a phase of CIE standard illuminant D (daylight) otherwise. This presented a continuous range of color temperatures to choose a reference from. Any chromaticity difference between the source and reference illuminants were to be abridged with a von Kries type chromatic adaptation transform. There are two extent versions of CRI: the more commonly used Ra of (actually from 1974) and R96a of .

Хроматикалық бейімделу

осы фон Кристің хроматикалық түрлендіру теңдеуін пайдаланып, әрбір үлгі үшін сәйкес түс (uc,i, vc,i) анықталады. Аралас индекстер (t, i) сынақ жарықтандыру спектрінің және i үлгісінің спектрлік шағылыстыру қасиеттерінің ішкі көбейтіндісін білдіреді, мұндағы r және t индекстері сәйкесінше эталондық және сынақ жарық көздерін көрсетеді.

Сынақ түстерінің үлгілері

Атауы: Жарық күніндегі көрінісі, Munsell бойынша жуықтамасы, үлгі TCS01 7,5 R 6/4 Ақшыл-қызыл TCS02 5 Y 6/4 Қараңғы сарғыш-қоңыр TCS03 5 GY 6/8 Күшті сары-жасыл TCS04 2,5 G 6/6 Орташа сарғыш-жасыл TCS05 10 BG 6/4 Ақшыл көгілдір-жасыл TCS06 5 PB 6/8 Ақшыл көк TCS07 2,5 P 6/8 Ақшыл күлгін TCS08 10 P 6/8 Ақшыл қызыл-күлгін TCS09 4,5 R 4/13 Күшті қызыл TCS10 5 Y 8/10 Күшті сары TCS11 4,5 G 5/8 Күшті жасыл TCS12 3 PB 3/11 Күшті көк TCS13 5 YR 8/4 Ақшыл сарғыш-қызыл TCS14 5 GY 4/4 Орташа зәйтүн жасылы (жапырақ)

, ережесінде көрсілгендей, бастапқы сынақ түс үлгілері (TCS) Munsell атласының ерте басылымынан алынған. Бірінші сегіз үлгі, ұсынылған он сегіз үлгінің ішінен таңдалған, салыстырмалы түрде аз қаныққан түстер және түстердің толық спектрі бойынша біркелкі таратылған. Бұл сегіз үлгі жалпы түс беру индексін есептеу үшін қолданылады. Соңғы алты үлгі жарық көзінің түс беру қасиеттері туралы қосымша ақпарат береді; алғашқы төртеуі жоғары қанығу үшін, ал соңғы екеуі белгілі нысандардың өкілдері ретінде. Бұл үлгілердің шағылысу спектрлерін , ал олардың шамамен Munsell белгілері бөлек тізімделген.

Жаңа сынақ түсті үлгілер

TCS01* TCS02* TCS03* TCS04* TCS05* TCS06* TCS07* TCS08* TCS09* TCS10* L* 40.9 61.1 81.6 72.0 55.7 51.7 30.0 51.0 68.7 63.9 a* 51.0 28.8 −4.2 −29.4 −43.4 −26.4 23.2 47.3 14.2 11.7 b* 26.3 57.9 80.3 58.9 35.6 −24.6 −49.6 −13.8 17.4 17.3

Жоғарыда талқыланғандай, бастапқы үлгілердің қолданудан шығуына байланысты ColorChecker диаграммасын пайдалану ұсынылады, себебі қазір тек метамериялық сәйкестіктер ғана сақталған. Түс диаграммасының сегіз үлгісіне қоса, екі тері түсінің үлгісі де анықталды (TCS09* және TCS10*). Осыған сәйкес, жаңартылған жалпы CRI есебі сегіз емес, он үлгінің орташасы бойынша жүргізіледі. Дегенмен, ColorChecker диаграммасынан гөрі кез келген түс айырмашылығы үшін жақсы корреляцияны қамтамасыз ететін жапсырмалар анықталды, оның үлгілері біртекті түс кеңістігінде тең емес бөлінген.

Арнайы құндылығы: R9

Ra – R1–R8 аралығындағы орташа мән; R9-дан R15-ке дейінгі басқа мәндер Ra есебінде қолданылмайды, соның ішінде R9 "қаныққан қызыл", R13 "тері түсі (ақ)", R15 "тері түсі (орташа)", олардың бәрін дәл қайта жаңғырту қиын. R9 – жоғары CRI жарықтандырудағы маңызды көрсеткіш, себебі көптеген қолданыстарда қызыл жарық қажет, мысалы, фильм және бейнежарықтандыру, медициналық жарықтандыру, көркем жарықтандыру сияқты. Дегенмен, жалпы CRI (Ra) есебінде R9 кірмейді. R9 – Ri сандарының бірі, ол кеңейтілген CRI-де бір ұпай болатын түсті сынақ үлгілерін (TCS) білдіреді. Бұл сан жарық көзінің TCS 09-ға қатысты түс беру қабілетін көрсетеді. Ол жарықтың заттардың қызыл түсін дәл қайта өндіруге арналған ерекше қабілетін сипаттайды. Көптеген жарық өндірушілер немесе сатушылар R9 ұпайын көрсетпейді, бірақ ол фильм және бейнежарықтандыру үшін түс беруді бағалаудағы маңызды мән, сондай-ақ жоғары CRI мәні қажетті кез келген қолданыс үшін де маңызды. Сондықтан, әдетте, жоғары CRI жарық көзін бағалау кезінде ол түс беру индексінің толықтырылысы ретінде қарастырылады. R9 мәні, TCS 09, яғни қызыл түс – фильм және бейнежарықтандыру, мата басып шығару, кескін басып шығару, тері түсі, медициналық жарықтандыру сияқты көптеген жарықтандыру қолданыстары үшін маңызды түс. Сонымен қатар, көптеген басқа да заттар қызыл түсте болмаса да, құрамында әртүрлі түстер, соның ішінде қызыл түс болады. Мысалы, тері түсіне тері астындағы қанның әсері бар, яғни тері түсі де қызыл түске жатады, бірақ ол көзбен қарағанда ақ немесе ашық сары түске жақын көрінеді. Егер R9 мәні жеткіліксіз болса, бұл жарық астында тері түсі бозару немесе тіпті жасыл көрінуі мүмкін.

Сын

Оно және басқалар CRI-ді практикада субъективті түс беру сапасымен әрдайым толық сәйкес келмейтінін сынға алды, әсіресе флуоресценттік шамдар немесе ақ LED сияқты тік шығару спектрі бар жарық көздері үшін. Тағы бір мәселе – CRI 5000 К-де үздіксіздікке ие, себебі эталонның хроматикалық координаталары Планк локусынан CIE күндізгі локусына өтеді. Олар түс сапасы шкаласында (CQS) тағы бірнеше мәселені анықтады, оларды төменде қарастырамыз: Түс арақашықтығы есептелетін түс кеңістігі (CIEUVW) ескірген және біртекті емес. Оның орнына CIELAB немесе CIELUV қолданыңыз. Хроматикалық адаптация трансформациясы (Вон Кристің трансформациясы) жеткіліксіз. CMCCAT2000 немесе CIECAT02 қолданыңыз. Қателердің арифметикалық ортасын есептеу кез келген үлкен ауытқудың үлесін азайтады. Егер бір жарық көзінде маңызды спектрлік аймақта ерекше төмен CRI болса, ұқсас CRI көрсеткен екі жарық көзі әртүрлі нәтижелер береді. Орташа квадраттық ауытқуды қолданыңыз. Бұл метрика қабылдауға негізделмеген; барлық қателер тең салмақталады, ал адамдар кейбір қателерді басқаларынан артық сезінеді. Түс ∆Ei сандық мәні өзгермей тұрып, қанықтығы артуы немесе азаюы мүмкін, бірақ көбінесе қанық түс көз тартарлық болып көрінеді. Теріс CRI-ді түсіндіру қиын. 0-ден 100-ге дейінгі шкаланы нормалдау үшін келесі формуланы қолданыңыз. CCT жоқ (ақ емес) жарық көздері үшін CRI есептеу мүмкін емес. Өндірушілер шамдардың сәуле шығару спектрін жетілдіре алатынын ескеретін болсақ, сегіз үлгі жеткіліксіз. Көбірек үлгілерді қолданыңыз (CQS үшін он бес үлгі ұсынылады). Үлгілер көбейтуге қиындық тудырмайтын деңгейде қаныққан болуы керек. CRI тек жарық көзінің белгілі бір CCT-ға сәйкестігін өлшейді, бірақ идеалды жарық көзінің өзінде де қысқа немесе ұзақ толқынды спектрде энергия жетіспесе, түстерді жақсы бере алмайды (яғни, ол тым көк немесе қызыл болуы мүмкін). Нәтижені 6500 К үшін CIELAB кеңістігіндегі он бес үлгімен құрылған көпбұрыштың ауданы мен сынақ көзінің ауданы арақатынасымен салмақтаңыз. 6500 К сілтеме ретінде таңдалды, себебі оның энергиясы көзге көрінетін спектрде біркелкі таратылған және гамма ауданы жоғары. Бұл көбейту коэффициентін нормалдайды.

Ohno and others have criticized CRI for not always correlating well with subjective color rendering quality in practice, particularly for light sources with spiky emission spectra such as fluorescent lamps or white LEDs. Another problem is that the CRI is discontinuous at 5000 K, because the chromaticity of the reference moves from the Planckian locus to the CIE daylight locus. identify several other issues, which they address in their color quality scale (CQS):
The color space in which the color distance is calculated (CIEUVW) is obsolete and nonuniform. Use CIELAB or CIELUV instead. The chromatic adaptation transform used (Von Kries transform) is inadequate. Use CMCCAT2000 or CIECAT02 instead. Calculating the arithmetic mean of the errors diminishes the contribution of any single large deviation. Two light sources with similar CRI may perform significantly differently if one has a particularly low special CRI in a spectral band that is important for the application. Use the root mean square deviation instead. The metric is not perceptual; all errors are equally weighted, whereas humans favor certain errors over others. A color can be more saturated or less saturated without a change in the numerical value of ∆Ei, while in general a saturated color is experienced as being more attractive. A negative CRI is difficult to interpret. Normalize the scale from 0 to 100 using the formula The CRI cannot be calculated for light sources that do not have a CCT (non white light). Eight samples are not enough since manufacturers can optimize the emission spectra of their lamps to reproduce them faithfully, but otherwise perform poorly. Use more samples (they suggest fifteen for CQS). The samples are not saturated enough to pose difficulty for reproduction. CRI merely measures the faithfulness of any illuminant to an ideal source with the same CCT, but the ideal source itself may not render colors well if it has an extreme color temperature, due to a lack of energy at either short or long wavelengths (i. e., it may be excessively blue or red). Weight the result by the ratio of the gamut area of the polygon formed by the fifteen samples in CIELAB for 6500 K to the gamut area for the test source. 6500 K is chosen for reference since it has a relatively even distribution of energy over the visible spectrum and hence high gamut area. This normalizes the multiplication factor.

Баламалар

CIE түстерді көрсету индексінің ақ LED жарық көздеріне қолданылу мүмкіндігін визуалды эксперименттердің нәтижелері негізінде қарастырады. Дэвис төрағалық ететін CIE TC 1 69(C) қазіргі уақытта "жарықтандыруға қолданылатын ақ жарық көздерінің, соның ішінде қатты күйдегі жарық көздерінің түстерін беру қасиеттерін бағалаудың жаңа әдістерін" зерттеп жатыр, 2010 жылдың наурызына дейін жаңа бағалау процедураларын ұсыну мақсатында [ ]. Түсті берудің баламалы индекстерін жан-жақты қарастыру үшін бірнеше баламалы сапа көрсеткіштерін қарастырып, тоғыз психофизикалық экспериментте алынған визуалды деректерге негізделген олардың өнімділігін салыстырды. GAI индексі мен CIE Ra-ның геометриялық орташасы табиғилықпен ең жақсы байланысқа ие екені анықталды (r=0.85), ал жад түстеріне негізделген түс сапасы көрсеткіші (MCRI) артықшылықпен ең жақсы байланысқа ие болды (r=0.88). Бұл көрсеткіштердің басқа сыналған көрсеткіштермен (CIE Ra; CRI CAM02UCS; CQS; RCRI; GAI; geomean (GAI, CIE Ra); CSA; Judd Flattery; Thornton CPI; MCRI) салыстырғандағы айырмашылықтары p < 0.0001 шамасында статистикалық тұрғыдан маңызды болып табылды. Дэнгол және авторлар тобы психофизикалық эксперименттер жүргізіп, адамдардың табиғилық және жалпы артықшылық туралы пікірлерін бір өлшеммен болжау мүмкін емес екенін, бірақ адалдыққа негізделген өлшемді (мысалы, Qp) және спектрлік кеңдікке негізделген өлшемді (мысалы, Qg немесе GAI) бірлесіп қолдану қажеттігіне келіп тірелді. Олар нақты кеңселерде әртүрлі спектрлерді бағалау бойынша қосымша эксперименттер жүргізді. CRI-ге қатысты сын-ескертпелерге байланысты көптеген зерттеушілер баламалы көрсеткіштерді жасады, бірақ олардың салыстырмалы түрде аз бөлігі кеңінен қолданыс тапты.

Гамут ауданы индексі (GAI)

2010 жылы Реа мен Фрессинье жасаған түс диапазоны индексі (GAI) – CRI-дегі кемшіліктерді жоюға жасалған тырабыс. Олар GAI стандартталған Farnsworth Munsell 100 Hue Tests сынақтарында түс айырмашылықтарын анықтауда CRI-ден артық екенін, сондай-ақ GAI түстің қанықтығын болжауға мүмкіндік беретінін көрсетті.

Түс сапасының шкаласы (CQS)

LED жарықтандырудың жарық сапасын бағалау мақсатында психофизикалық эксперимент әзірленді. Ол "түс сапасы шкаласында" қолданылатын түсті үлгілерге негізделген. Түс сапасы шкаласының (CQS) болжамдары және визуальды өлшеулердің нәтижелері салыстырылды.

Фильмдер мен бейнелерді жоғары CRI LED жарықтандыру

Фильмдер мен бейне түсіру алаңдарында LED шамдарын қолдануға тырысқанда қиындықтар туындады. LED шамдарының негізгі түстерінің түс спектрлері, фильмдік эмульсиялар мен цифрлық сенсорлардың күтілетін түс толқын ұзындығы диапазондарымен сәйкес келмейді. Осының салдарынан, түс беру оптикалық көшірмелерде, фильмнен (DIs) цифрлық медиаға көшірулерде және бейнекамераға түсірілген жазбаларда толығымен болжамсыз болуы мүмкін. Бұл құбылыс кинофильмдерге қатысты, Кино өнер академиясының ғылыми қызметкерлері жүргізген LED шамдарын бағалау сериясының нәтижелерінде жазылған. Осыған байланысты, адамның көзін камерамен алмастыру үшін TLCI (телевизиялық жарықтандыру тұрақтылық индексі) сияқты басқа да өлшемдер әзірленді. CRI сияқты, бұл көрсеткіш жарық көзінің сапасын 0-ден 100-ға дейінгі шкала бойынша камерада қалай көрінетініне қарай бағалайды. Кейбір өндірушілер өз өнімдерінің TLCI көрсеткіші 99-ға дейін жетеді деп мәлімдейді.