中國照明學會《照明工程學報》于2012年《照明工程學報》創刊20周年之際開展優秀論文評選工作。經過作者自薦、專家推薦以及專家評審等工作，從2010年、2011年、2012年《照明工程學報》刊登的論文中評選出優秀論文50篇。本篇論文榮獲《照明工程學報》2010年—2012年優秀論文評選 二等獎。

　　作者：程雯婷 孫耀杰 童立青 林燕丹

　　1 顯色指數與光源顏色質量評價

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

　　1. 1 顯色指數(CRI) 存在的缺陷

　　在過去數十年， 國際照明學會( CIE) 制定的顯色指數(CRI) 是最常用的評價顏色質量的指數。但隨著新光源的出現和研究的深入，其存在的問題也日益凸顯[1]。根據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，一個光源對于物體的色表產生的效果[2]。用于評價的指數即顯色指數CRI ( Color RenderingIndex)。

　　美國[3，4]、匈牙利[5 ～ 8]、法國[9 ～ 11] 等研究者均發現，CRI 在用于評價光源，尤其是LED 的顯色性時，存在許多問題，如色空間不均勻、顏色樣品數量少且飽和度過低等。不僅如此，用光源的顯色性來評價顏色質量本身存在著問題。根據顯色性的定義，其評價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，顯色指數都會降低。但實際運用中，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來評判光源顏色質量是不全面的[12]。基于以上考慮，CIE 在2007 年的技術報告[13]中明確提出: 目前的顯色指數CRI 不能有效反映包括白光LED 在內的白光照明光源的顯色性優劣。

　　1. 2 新的光源顏色質量評價體系的形成

　　為了修正CRI 的一些問題，美國NIST 的WendyDavis 和Yoshi Ohno[14，15] 開發了一套新的評價系統CQS (Color Quality Scale)。但該系統主要基于數學計算開發，其可靠性仍有待更多的視覺實驗驗證。例如Nicola Pousset 等人[16] 將其顏色偏好度實驗結果與各光源的CQS 值進行比較，結果發現CQS 值在反映真實顏色質量上不盡人意。

　　要全面地評價光源的顏色質量，需要考慮很多因素， 如顏色還原性， 色調的區分度( 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一的光源顏色質量評價體系，但有一點可以肯定:決定光源顏色質量的是人的視覺感受。因此，我們需要基于大量的視覺實驗來確定該評價體系。

　　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; 被試進行的視覺任務主要有: 考察顏色還原性( 即顯色) 的色差評價; 考察偏好度、鮮艷度、協調度等的主觀評分; 考察顏色區分度的辨色實驗。但目前大多研究均為視覺實驗結果與顯色指數CRI 的比較，并已獲得明確結論，對于CQS 體系的驗證僅含顏色偏好度，不含顏色還原性等其他方面的研究，因此還有待完善。此外，大部分視覺實驗針對歐洲人群，由于東西方人群的顏色偏好差異，其結果未必適用于亞洲人。因此，本實驗對光源的CRI 和CQS 均進行了計算，并基于視覺實驗考量了顏色還原性和顏色偏好度兩方面特性，以期在CQS 系統的可靠性驗證方面作出完善，并為顏色質量評價的視覺實驗補充亞洲人樣本。

　　2 實驗方法

　　實驗選取了5 種光源，其中2 種鹵素燈、2 種LED 和1 種緊湊型熒光燈(CFL) ，均為市場上的高端產品，其中鹵素燈作為相同色溫下的參考光源。光源基本信息見表1， 按照色溫將5 種光源分為6500K 組與5000K 組兩組進行，分開進行視覺實驗。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，然后基于光譜計算了CRI 和CQS 兩類指數。

　　視覺實驗在一暗室內進行，制成兩個獨立的隔間，如圖3 所示。隔間頂部安裝有光源，不產生眩光，均勻照射在桌面上，兩隔間桌面平均照度均為500lx。

　　實驗采用被試者內設計( 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，且經過篩選，無色盲等其他眼疾。利用抵消實驗條件的設計( reversal experimental condition design) ，每位被試均參與所有實驗條件下的三組實驗任務。第一項為色差的評分。實驗采用的MCC 色卡是CIE 規定的用以比較待測光源與參考光源色差的標準方法。實驗時，在兩個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燈作為參考光源，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行打分。打分的規則是，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) 五個大類( 表2) ，然后再進行5 個等級的細分，最后以諸如VS4，L2 的形式表示。為便于統計數據，統計過過時將得分轉換為末尾行1 ～ 25 的數字。

　　三項實驗均為偏好度的評價。隔間內放置了仿真花朵和水果， 便于被試觀察并作出判斷。其中第二項為對各個光源的單獨評分， 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。第三項為兩兩比較，令被試選出更喜歡的光源編號。

　　3 實驗結果與分析

　　3. 1 CRI 和CQS 計算結果

　　表3 顯示了各個光源的CRI 和CQS 計算值。對于顯色指數CRI，除了計算了一般顯色指數(Ra) ，還計算了4 個高飽和度特殊顯色指數的平均值R (9～ 12) ，另外還單獨列出了9 號樣品的特殊顯色指數R9，因為R9 是高飽和度紅色樣品，而目前LED往往在紅色區域的顯色性較差。由表可見，由于9號樣品在5 號光源下產生過大的色差，R9 呈現了負值。這也正證明了CRI 指數存在問題。CQS 的計算值里包括了Qa，Qp，Qf 三種。CRI 中存在的一個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數，反而額外增加分數。因此從結果可以發現， 三個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 視覺實驗結果與分析

　　24 個顏色樣品在不同光源( 2 號6500K LED，3 號6500K CFL，5 號5000K LED) 與對應的參考光源( 同色溫的鹵素燈) 下的色差得分結果如圖4 所示。方差分析( ANOVA) 顯示， 對其中8 個樣品，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劣( 見圖5) : (1) 對于樣品4，11，16， 2 號( 6500K LED ) 優于3 號( 6500KCFL) ; (2) 對于樣品7，18，3 號(6500K CFL) 優于2 號( 6500K LED) ; ( 3 ) 對于樣品1，2，4，16，21， 2 號( 6500K LED ) 優于5 號( 5000KLED) ; (4) 對于樣品1，2，7，18，3 號(6500KCFL) 優于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，顯色指數高的CFL，未顯示出特別優勢。

　　3. 3 視覺實驗與CRI、CQS 計算值的比較

　　關于顏色還原性， 基于顯色指數CRI 和美國NIST 提出的CQS 指數的計算，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的視覺實驗，該熒光燈樣品較LED 未見明顯優勢，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，對飽和度因素進行補償的Qp 的計算值與Qa 有所區別，但是仍然與實際的偏好度不符合。具有很高的CRI 和CQS 值的6500K 鹵素燈反而比同色溫的熒光燈、LED 偏好度低。可能的原因是，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 結論

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

　　(2) 針對本次測試的樣品，CQS 指數與顯色指數CRI 計算值接近，在評價光源顏色質量的準確性上，與CRI 相比未見優勢。若CQS 要取代CRI 成為新的標準評價體系，仍有待進一步的完善，提高其普適性;

　　(3) 光源的顏色質量是一項綜合性的評價，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勢，在實際應用中可加以利用，如在商業照明中，提供白光普通照明的同時，在照明藍色、黃綠色商品時，可增加其顏色飽和度，以提高商品吸引力。