Индекс цветопередачи: оценка качества освещения

Введение

Индекс цветопередачи (CRI) – это количественная мера способности источника света воспроизводить цвета различных объектов в сравнении со стандартным источником света. Источники света с высоким CRI предпочтительны в областях, критичных к цветопередаче, таких как уход за новорожденными и реставрация произведений искусства. Цветопередача, как определено Международной комиссией по освещению (CIE), – это влияние осветителя на восприятие цвета объектов посредством сознательного или подсознательного сравнения с их восприятием при освещении эталонным или стандартным источником. CRI источника света не указывает на воспринимаемый цвет самого источника; эта информация предоставляется коррелированной цветовой температурой (CCT). CRI определяется спектром источника света. Лампа накаливания имеет непрерывный спектр, а люминесцентная лампа – дискретный линейчатый спектр, что подразумевает более высокий CRI для лампы накаливания. Значение, часто указываемое как "CRI" на коммерчески доступных осветительных приборах, корректно называется значением CIE Ra, при этом "CRI" является общим термином, а CIE Ra – международным стандартным индексом цветопередачи. Численно, максимальное значение CIE Ra равно 100 и может быть присвоено только источнику, спектр которого идентичен спектру дневного света или очень близок к спектру абсолютно черного тела (лампы накаливания фактически являются абсолютно черными телами), при этом для некоторых источников света значение может быть отрицательным. Низконатриевое освещение имеет отрицательный CRI; флуоресцентные лампы варьируются от примерно 50 для базовых типов до примерно 98 для лучших многофосфорных типов. Типичные белые светодиоды имеют CRI 80 и выше, в то время как некоторые производители заявляют о достижении CRI до 98. Способность CIE Ra предсказывать восприятие цвета подвергалась критике в пользу показателей, основанных на моделях восприятия цвета, таких как CIECAM02, а для имитаторов дневного света – индекс метамеризма CIE. CRI не является надежным показателем для визуальной оценки источников света, особенно для источников ниже 5000 Кельвинов (K). Новые стандарты, такие как IES TM 30, решают эти проблемы и постепенно заменяют использование CRI среди профессиональных светодизайнеров. Однако CRI все еще широко используется в бытовых осветительных приборах.

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.

История

Исследователи используют дневной свет в качестве эталона для сравнения цветопередачи электрических источников света. В 1948 году дневной свет был описан как идеальный источник освещения для качественной цветопередачи, поскольку "он демонстрирует (1) большое разнообразие цветов, (2) позволяет легко различать незначительные оттенки цвета и (3) цвета окружающих нас объектов выглядят естественно". В середине XX века ученые-колористы проявили интерес к оценке способности искусственных источников света точно воспроизводить цвета. Европейские исследователи пытались описать источники света, измеряя спектральное распределение мощности (SPD) в "репрезентативных" спектральных диапазонах, в то время как их североамериканские коллеги изучали колориметрическое воздействие источников света на эталонные образцы. CIE сформировал комитет для изучения этого вопроса и принял предложение использовать последний подход, который не требует спектрофотометрии, с использованием набора образцов Munsell. Восемь образцов различных оттенков попеременно освещались двумя источниками света, и сравнивалось цветовое восприятие. Поскольку в то время модели цветового восприятия не существовало, было решено основывать оценку на цветовых различиях в подходящем цветовом пространстве CIEUVW. В 1931 году CIE приняла первую формальную систему колориметрии, основанную на трихроматической природе человеческой зрительной системы. CRI основана на этой системе колориметрии. Для решения проблемы сравнения источников света с различными коррелированными цветовыми температурами (CCT), CIE остановился на использовании эталонного излучателя абсолютно черного тела с той же цветовой температурой для ламп с CCT менее 5000 К, или фазы стандартного источника света CIE D (дневной свет) в противном случае. Это обеспечивало непрерывный диапазон цветовых температур для выбора эталона. Любые различия в цветности между источником и эталонным источником света должны были быть скорректированы с помощью преобразования цветовой адаптации типа фон Криса. Существует две версии CRI: более распространенная Ra (фактически с 1974 года) и 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 .

Хроматическая адаптация

использует это уравнение хроматической трансформации фон Криса для определения соответствующего цвета (uc,i, vc,i) для каждого образца. Смешанные индексы (t, i) обозначают внутреннее произведение спектра тестового осветителя и спектральной отражательной способности образца i, где индексы r и t относятся соответственно к опорному и тестовому источникам света.

Образцы цветов для испытаний

Название Appr. Munsell Внешний вид при дневном свете Swatch TCS01 7,5 R 6/4 Светло-красновато-серый TCS02 5 Y 6/4 Темно-желтовато-серый TCS03 5 GY 6/8 Яркий желто-зеленый TCS04 2,5 G 6/6 Умеренно желтовато-зеленый TCS05 10 BG 6/4 Светло-голубовато-зеленый TCS06 5 PB 6/8 Светло-голубой TCS07 2,5 P 6/8 Светло-фиолетовый TCS08 10 P 6/8 Светло-красно-фиолетовый TCS09 4,5 R 4/13 Яркий красный TCS10 5 Y 8/10 Яркий желтый TCS11 4,5 G 5/8 Яркий зеленый TCS12 3 PB 3/11 Яркий синий TCS13 5 YR 8/4 Светло-желто-розовый TCS14 5 GY 4/4 Умеренно-оливковый зеленый (как лист) Как указано в оригинале, образцы цвета (TCS) взяты из раннего издания атласа Munsell. Первые восемь образцов, являющиеся подмножеством из восемнадцати, предложенных в , имеют относительно низкую насыщенность и равномерно распределены по всему диапазону оттенков. Эти восемь образцов используются для расчета общего индекса цветопередачи. Последние шесть образцов предоставляют дополнительную информацию о свойствах цветопередачи источника света: первые четыре – для высокой насыщенности, а последние два – как представители хорошо известных объектов. Спектры отражения этих образцов можно найти в , а их приблизительные обозначения Мунселла указаны рядом.

Новые пробы для испытания цвета

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

Как обсуждалось в , рекомендуется использовать карту ColorChecker в связи с устареванием исходных образцов, от которых остались лишь метамерические соответствия. Помимо восьми образцов цветовой шкалы, определены два образца тона кожи (TCS09* и TCS10*). Соответственно, обновленный общий индекс цветопередачи (CRI) усредняется по десяти образцам, а не по восьми, как это было ранее. Тем не менее, было установлено, что цветовые поля в дают лучшую корреляцию для оценки любой разницы в цвете, чем карта ColorChecker, образцы которой не распределены равномерно в однородном цветовом пространстве.

Особое значение: R9

Ra – это среднее значение R1–R8; другие значения от R9 до R15 не используются при расчете Ra, включая R9 "насыщенный красный", R13 "светлый тон кожи" и R15 "средний тон кожи", которые сложно точно воспроизвести. R9 – важный показатель в источниках света с высоким CRI, поскольку многие применения требуют красного света, например, в кино- и видеоосвещении, медицинском освещении, освещении произведений искусства и т.д. Однако в общем расчете CRI (Ra) R9 не учитывается. R9 – один из показателей Ri, относящихся к тестовым образцам цвета (TCS), и является одним из баллов в расширенном CRI. Этот показатель оценивает способность источника света передавать цвет TCS 09 и описывает, насколько точно свет воспроизводит красный цвет объектов. Многие производители или продавцы осветительных приборов не указывают значение R9, хотя оно критически важно для оценки цветопередачи в кино- и видеоосвещении, а также в любых приложениях, требующих высокого CRI. Поэтому его обычно рассматривают как дополнение к индексу цветопередачи при оценке источника света с высоким CRI. Значение R9, TCS 09, или, другими словами, красный цвет, является ключевым для многих областей применения освещения, таких как кино- и видеоосвещение, текстильная печать, печать изображений, передача оттенков кожи, медицинское освещение и т.д. Кроме того, многие другие объекты, кажущиеся не красными, на самом деле состоят из различных цветов, включая красный. Например, на тон кожи влияет кровь, находящаяся под кожей, что означает, что тон кожи также содержит красный цвет, хотя визуально он может казаться близким к белому или светло-желтому. Если значение R9 недостаточно высокое, тон кожи при таком освещении может казаться бледным или даже зеленоватым при просмотре глазами или на камере.

Критика

Оно и другие критиковали индекс цветопередачи (CRI) за то, что на практике он не всегда хорошо коррелирует с субъективным качеством цветопередачи, особенно для источников света с пикообразным спектром излучения, таких как люминесцентные лампы или белые светодиоды. Другая проблема заключается в том, что CRI имеет разрыв при 5000 К, поскольку хроматичность эталонного источника перемещается от планкского локуса к локусу дневного света CIE. Они выявили несколько других проблем, которые решаются в их шкале качества цвета (CQS):

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.

Цветовое пространство, в котором рассчитывается цветовое расстояние (CIEUVW), устарело и не является однородным. Вместо этого следует использовать CIELAB или CIELUV. Используемая трансформация цветовой адаптации (трансформация Вон Криса) неадекватна. Вместо этого следует использовать CMCCAT2000 или CIECAT02. Расчет среднего арифметического ошибок снижает вклад отдельных больших отклонений. Два источника света с одинаковым CRI могут демонстрировать значительно разные результаты, если у одного из них особенно низкий частный CRI в спектральной полосе, важной для конкретного применения. Вместо этого следует использовать среднеквадратичное отклонение. Эта метрика не учитывает особенности восприятия; все ошибки взвешиваются одинаково, в то время как люди по-разному воспринимают различные ошибки. Цвет может изменяться по насыщенности без изменения численного значения ∆Ei, при этом, как правило, более насыщенные цвета воспринимаются как более привлекательные. Отрицательное значение CRI трудно интерпретировать. Нормализуйте шкалу от 0 до 100, используя формулу. CRI нельзя рассчитать для источников света, не имеющих CCT (не белого света). Восьми образцов недостаточно, поскольку производители могут оптимизировать спектры излучения своих ламп для точного воспроизведения этих образцов, но при этом демонстрировать плохие результаты в других областях. Используйте больше образцов (для CQS предлагается пятнадцать). Образцы недостаточно насыщены, чтобы создавать значительные трудности при воспроизведении. CRI лишь измеряет степень соответствия любого осветителя идеальному источнику с той же CCT, но сам идеальный источник может плохо передавать цвета, если имеет экстремальную цветовую температуру из-за недостатка энергии на коротких или длинных волнах (то есть может быть чрезмерно синим или красным). Взвесьте результат отношением площади гаммы полигона, образованного пятнадцатью образцами в CIELAB для 6500 К, к площади гаммы для исследуемого источника. 6500 К выбрано в качестве эталона, поскольку оно имеет относительно равномерное распределение энергии по видимому спектру и, следовательно, большую площадь гаммы. Это нормализует множитель.

Альтернативы

"рассматривает применимость индекса цветопередачи CIE к белым светодиодным источникам света на основе результатов визуальных экспериментов. Под председательством Дэвиса, CIE TC 1-69(C) в настоящее время изучает "новые методы оценки свойств цветопередачи источников белого света, используемых для освещения, включая источники света на основе твердотельных приборов, с целью рекомендовать новые процедуры оценки [ ] к марту 2010 года". Для всестороннего обзора альтернативных индексов цветопередачи см. в статье были рассмотрены несколько альтернативных показателей качества и сравнена их эффективность на основе визуальных данных, полученных в девяти психофизических экспериментах. Было установлено, что геометрическое среднее индекса GAI и CIE Ra лучше всего коррелирует с естественностью (r = 0,85), а метрика качества цвета, основанная на цветах памяти (MCRI), лучше всего коррелирует с предпочтением (r = 0,88). Различия в эффективности этих метрик по сравнению с другими протестированными метриками (CIE Ra; CRI CAM02UCS; CQS; RCRI; GAI; геометрическое среднее (GAI, CIE Ra); CSA; Judd Flattery; Thornton CPI; MCRI) оказались статистически значимыми при p < 0,0001. Дангол и др. провели психофизические эксперименты и пришли к выводу, что оценки людей относительно естественности и общего предпочтения нельзя предсказать с помощью одной меры, а требуется совместное использование меры, основанной на точности (например, Qp), и меры, основанной на цветовом охвате (например, Qg или GAI). Они провели дополнительные эксперименты в реальных офисах, оценивая различные спектры, сгенерированные для комбинирования существующих и предлагаемых метрик цветопередачи. В связи с критикой CRI многие исследователи разработали альтернативные метрики, однако лишь немногие из них получили широкое распространение."

Индекс площади гамута (GAI)

Индекс площади цветового охвата (GAI), разработанный в 2010 году Реа и Фрейссинье, представляет собой попытку улучшить показатели индекса цветопередачи (CRI) и преодолеть его недостатки. Авторы показали, что GAI лучше, чем CRI, предсказывает способность различать цвета в стандартизированных тестах Farnsworth Munsell 100 Hue Test, а также что GAI коррелирует с цветовой насыщенностью.

Шкала качества цвета (CQS)

разработан психофизический эксперимент для оценки качества света светодиодных источников света. В его основе использовались цветные образцы из "шкалы цветовой достоверности" (Color Quality Scale). Прогнозы CQS сравнивались с результатами визуальных измерений.

Светодиодные осветительные приборы с высоким уровнем CRI для кино и видео

Были выявлены проблемы при использовании светодиодного освещения на съемочных площадках для кино и видео. Цветовые спектры основных цветов светодиодных источников не соответствуют ожидаемым полосам пропускания длин волн, воспринимаемым пленочными эмульсиями и цифровыми сенсорами. В результате цветопередача может быть полностью непредсказуемой при оптической печати, переносе изображения с пленки на цифровые носители (DIs) и при видеосъемке. Данное явление в отношении кинопленки было задокументировано в серии тестов по оценке светодиодного освещения, проведенных научными сотрудниками Академии кинематографических искусств и наук. В связи с этим были разработаны различные метрики, такие как TLCI (индекс согласованности телевизионного освещения), для замены оценки человеческим глазом на оценку, полученную с помощью камеры. Аналогично CRI, эта метрика измеряет качество источника света с точки зрения его отображения на камере по шкале от 0 до 100. Некоторые производители заявляют, что значения TLCI их продукции достигают 99.