造成测量与视觉反差现象的技术机理分析

2011-04-06

                                               造成测量与视觉反差现象的技术机理分析
       全球纺织采购供应链色彩解决方案商——天友利，近几年来，越来越多的顶尖零售商和服装品牌厂家选择天友利作为自己的优选或共选色彩技术提供商。产品涉及行业：塑料、 涂料、 纺织、 汽车、 化妆品、 数码影像、 印前 、印刷、 油墨、 色觉测试、 包装等。
　　一是， Ｔ 8 直管日光灯发出的光频谱，宽于高频率节能灯的光频谱。包括部分不可见光的光频谱，有效瞳孔流明倍数（有效视觉光效）低 。
　　二是， 三基色高频率大功率工业专用节能灯，发出的光频谱。大都集中在可见光的光频谱范围，不可见光的光频谱很少。因尔，三基色高频率大功率工业专用节能灯，有效瞳孔流明倍数（有效视觉光效）高。
　　三是， 数字式照度计，测量到的光能量，是光源发出的全部光频谱的光能量。而人的视觉，只能感觉到光频谱中，可见光频谱部分的光能量。不可见光频谱的光能量，人的视觉是感觉不到的。
　　四是， 由于光源含不可见光频谱的光能量多少，频闪效应大小，显色性能高低等多种因素作用。Ｔ 8 直管日光灯有效瞳孔流明倍数（有效视觉光效），低于高频率节能灯有效瞳孔流明倍数（有效视觉光效）。因而，有效照度，Ｔ 8 直管日光灯也就低于高频率节能灯。
　　正是由于上述四个方面的技术原因，才出现用数字式照度计测量，Ｔ 8 直管日光灯的照度值，高于三基色高频率大功率工业专用节能灯的照度值。但是，实际地面照度，Ｔ 8 直管日光灯，没有高频率节能灯明亮，这样一个事实。
有效瞳孔流明倍数（有效视觉光效）物理概念的含义，祥见＜ 科学选用大功率节能灯构建绿色照明环境基本概念＞一文。
三、对测量与视觉反差现象的技术分折结论：
　　通过上述技术分析得知：采用数字式照度计，测量勒克斯（Ｌｘ）数值高低，来比较鉴别电光源的光效高低。
u 只能在同一种类光源中，在同样的环境中。在使用同样的灯具的前提下，在同样的地点进行测量。计算出光源，每瓦特的勒克斯数值，
　　即：每瓦特照度值：Ｃｄ＝Ｅ／Ｐ；（单位是：Ｌｘ／Ｗ）。
　　式中：Ｅ：地面照度值， 单位是 勒克斯 Ｌｘ
　　Ｐ：电光源功率， 单位是 瓦特Ｗ
　　Ｃｄ： 每瓦特照度值，单位是 勒克斯 ／瓦特（Ｌｘ／Ｗ）
　　在此基础上，进行比较鉴别，才能得出科学的结论。
　　电光源每瓦特照度值Ｃｄ越高，电光源光效越高，越节省电能。
　　u 对不同种类的电光源，应充分考虑电光源，有效瞳孔流明倍数（有效视觉光效）的影响。和不同种类电光源之间，互相替代的功率比例，进行综合技术估算。
　　有关技术参数，参见 ＜ 绿色光源基本概念 ＞、＜ U型管螺旋管节能灯应用设计方案 ＞ 、 ＜ T5节能灯直接替代Ｔ8日光灯应用设计方案 ＞等专题文献

　　颜色是人的感觉之一，它总是与观察者个人的主观体验有关。每个人看到一种颜色后的感觉，别人难以知晓。所以颜色的研究总是充满了神秘的想象。同时，颜色又使世界变得五彩缤纷，视觉艺术、图象显示与传输、纺织品印染、彩色印刷等，都离不开颜色的研究。因此颜色的研究、对颜色进行客观的定量的描述，成为许多科学家研究的对象。
　　牛顿在1664年用棱镜把白色的太阳光色散成不同色调的光谱，奠定了光颜色的物理基础。1860年麦克斯韦用不同强度的红、黄、绿三色光配出了从白光一直到各种颜色的光，奠定了三色色度学的基础。在此基础上，1931国际照明委员会建立了CIE色度学系统，并不断完善。如今CIE色度系统已广泛用于定量地表达光的颜色。
　　颜色离不开照明，只有在光照下物体才有可能显示出颜色，而且光的颜色对人们的心理有非常大的影响。同济大学杨公侠教授已在他的专著视觉与视觉环境一书的第五章中，作了非常精采的描述。(1) 在不同光源照射下，同一个物体会显示出不同的颜色。例如绿色的树叶在绿光照射下，有鲜艳的绿色，在红光照射下近于黑色。由此可见，光源对被照物体颜色的显现，起着重要的作用。光源在照射物体时，能否充分显示被照物颜色的能力，称为光源的显色性。1965年，国际照明委员会推荐在CIE色度系统中，用一般显色指数Ra来描述光源的显色性。一般显色指数Ra应用得还很成功，已被照明界广泛接受，但是也存在一些问题，本文将为光源显色性的评价方法，以及近年来的进展作一介绍。
一、一般显色指数Ra
　　光源显色性的评价方法，希望能够既简单又实用。然而简单和实用往往是两个互相矛盾的要求。在CIE颜色系统中，一般显色指数Ra就是这样一个折衷的产物：它比较简单，只需要一个100以内的数值，就可以表达光源的显色性能，Ra=100被认为是理想的显色性。但是，有时候人们的感觉并非如此。例如在白炽灯照射下的树叶，看上去并不太鲜艳。问题在哪里？我们来讨论影响什么是一般显色指数。
　　为简便起见，我们这里只讨论一般显色指数Ra的主要构成方法，而不讨论它的具体计算方法。事实上，我们在日常生活里，常常在检验光源的显色性。许多人都有这样的经验，细心的女士在商场买衣服的时候，常常还要到室外日光下再看一看它的颜色。她这样做，实际上就是在检验商场光源的显色性：看一看同样一件衣服，在商场光源的照明下和在日光的照明下，衣服的颜色有什么不同。所以描述光源的显色性，需要两个附加的要素：日光（参考光源）和衣服（有色物体）。在CIE颜色系统中，为确定待测光源的显色性，首先要选择参考光源，并认为在参考光源照射下，被照物体的颜色能够完善的显示。CIE颜色系统规定，在待测光源的相关色温低于5000K时，以色温接近的黑体作为参考光源；当待测光源的相关色温大于5000K时，用色温相近的D光源作为参改光源。这里D光源是一系列色坐标可用数字式表示、并与色温有关的日光。
　　在选定参考光源后，还需要选定有色物体。由于颜色的多样性，需要选择一组标准颜色，使它们能充分代表常用的颜色。CIE颜色系统选择了8种颜色，它们既有多种色调，又具有中等明度值和彩度。在u-v颜色系统中，测定每一块标准色板，在待测光源照射下和在参考光源照射下色坐标的差别，即色位移ΔEi，就可得到该色板的特殊显色指数Ri。Ri=100—4.6ΔEi
　　对8块标准色板所测得的特殊显色指数Ri取算术平均，就得到了一般显色指数Ra。可见光源的一般显色指数Ra的大值为100，认为这时光源的显色性更好。
二、一般显色指数Ra的局限性
　　尽管一般显色指数Ra简单实用，但是它在许多方面表现出严重不足。首先，颜色是人们主观的感觉，不是物体固有的属性，它与照明条件、观察者、辐照度、照度、周围物体和观察角度等有关，并不存在什么所谓“真实颜色”。但是由于在CIE系统中，已定义Ra在近似黑体的辐射下达更高值100，所以灯泡制造商都有意识地设计灯泡，使在用它照射物体时的显色性与黑体或日光照射时尽可能相近。这意味着光源的光谱分布与黑体或日光有偏离时，会使显色指数下降。例如用红、绿、兰三个单色LED组成的白光LED,当在它的一般显色指数Ra较低时，它的显色性有时并不一定很坏。
　　但是事实上，许多研究者Judd(2)、Thorntou(3)和Jerome(4) 已证实人们不一定喜欢CIE所规定的参考光源照明时的颜色。例如前面已经提到的用色温很低的白炽灯照射绿色的树叶，并不一定是更好的选择。规定在黑体或日光照射时显色指数为更佳值Ra = 100，存在疑问。
　　CIE规定的参考光源是与待测光源的相关色温接近的黑体或日光，它们都是辐射连续光谱的光源，具有多种颜色的光谱成分。当色温在6500K时，其长短波的光谱功率分布较为均衡，作为参考光源应该说较为合理。但当色温在400K以下时，光谱功率分布严重不对称，兰色的短波光谱功率远小于红色的长波光谱功率，其颜色偏向红色，作为参考光源存在疑问。
　　在CIE颜色系统中，8块标准色板都是处在中等明度和色饱和度，在u~v 系统中为等距离间隔。它们对于室内照明，可认为已能充分代表各种常用颜色。但在室外照明时，往往存在一些色饱和度较高的颜色，这8块标准色板已不能充分代表常用颜色。许多学者认为标 色板数太少，是一般显色指数的另一个不足。虽然CIE还有9—14号色饱和度较高的6块色板，但它们并不包含在一般显色指数Ra之中。在照明实践中，人们熟知的颜色为皮肤、树叶、食品等，它们的颜色极为重要，但它们都被排除在一般显色指数之外。Seim曾提议用20快标准色板,(5)但由于这会使计算变得太复杂而被拒绝。当前，计算机普遍使用，似乎这个提议又得重新考虑。
　　由于光源的显色性评价存在这两大问题、许多其它的评价方法引起广泛兴趣，本文将就作者所知作一简要介绍。
三、夫勒特利指数Rf
　　研究表明人们倾向于记住比较熟悉的物体的颜色，而且是记住它的生动的、饱和度较高时的颜色。这种记忆色与喜爱色往往相一致，而且倾向于向饱和度高方向偏移。如人们肤色的记忆色，倾向于向红方向偏移，树叶色向绿色方向偏移。显然与CIE中的Ra方法不同。Rf事实上是对Ra的修正，这个修正包括二个方面：第一，在参考光源的照明下定义Rf = 90,只有在假想的“完美光源”照明下，才有Rf = 100。第二，选择10块标准色板，即除了原来1-8号标准色板外，还加上13号14号二块色板，相应于皮肤色和树叶色。这时，“完美光源”就是指在它的照射下，能把10块标准色板的颜色向喜爱方向偏移的光源。由此可见，对每块标准色板来说，相应的“完美光源”的色坐标是各不相同的，可以由实验确定。这也说明了这样的“完美光源”只能是假想的。Rf的计标方法与Ra相似，但有二点不同：（1）对于每块标准色板，参考光源的色坐标都需要调整，即根据实验确定的“完美光源”色坐标。然后，在待测光源照明时，每块色板的色差是与其相应的“完美光源”相比较后得到。（2）在计算Rf时，取10块色板的色差平均值，但是每块色板的权重不同。13号色板是肤色，权重是35%、2号是15%、14号是15%、其余是每块5%。这里特别强调了肤色的重要性。所以待测光源的Rf可以高于参考光源Rf = 90，但小于100。
四、颜色偏爱指数（CPI）
　　颜色偏爱指数CPI（colour preference index）利用上节提出的喜爱色概念,定义在D65光源照明下，颜色偏爱指数CPI =100。于是待测光源的CPI可以这样得到：在待测光源照射下，计算8块标准色板的色坐标与喜爱色的色坐标之差，并求其矢量和的
平均值（  ）：
　　CPI=156-7.18（ ）
　　以上计算都是在CIE的UV色度系统中进行。
　　虽然CPI与Rf都利用了喜爱色这一概念，但两者有很大差别：
　　（1）在计算Rf时，用1—8号和13、14共10块标准色板，而CPI只用1—8块标准色板。
　　（2）技术Rf时，色差（ΔE）取实验值的1/5，而CPI取原始实验值。
　　（3）计算Rf时，各块色板的权重不同，而CPI取相同权重
　　（4）根据定义Rf的大值为100，而CPI的大值为156
　　后要指出提出Rf与CPI两个指数的研究人员，都用实验确定喜爱色，而在实验中采用的是日光色照明。现在有证据表明喜爱色与光源的相关色温有关。所以在使用Rf和CPI来恒量显色性时，仅仅适用高色温的光源。
五、色分辩指数（CDI）
　　用Ra、Rf或CPI来描述光源的显色性，参考光源必须与待测光源有相同的色温。颜色分辩指数CDI（colour discrimination index）克服了这个局限性。
　　该指数的提出，基于这样一个假定：在某种光源的照明下，能区别颜色的能力愈强，则此光源的显色性愈好。在某个光源照明时，8块标准色板在CIE的UV色度图中，所包围的面积为：
　　GA =0.5Σ（UiVj-UjVi） i,j=1,2,…8; i≠j
　　在C光源照明下，该面积GA=0.005，定义这时CDI=100，于是在待测光源的照明下，其色分辩指数为：
　　CDI=（GA/0.005）×100
六、结束语
　　由上述讨论可知，光源显色性的评价方法很多，而且在不断发展和完善之中，本文介绍的仅仅是其中的一部分，它们各有优缺点。即使目前广为采用的一般显色指数Ra,也还有许多缺点。它主要的缺点，是参考光源的选择：参考光源是一个光谱连续的光源，用它作为标准来衡量光谱不连续的光源，不很合适。参考光源的色温必须与待测光源的相关色温相近，而事实上，对于一定的照明作业，色温本身对显色性就有很大的影响，这个方法限制了只能用在光源色温已经确定的条件下使用。它的第二个缺点是标准色板的选择：对于室内照明，可认为8块标准色板已能充分
　　代表各种常用颜色。但在室外照明时，对一些色饱和度较高的颜色，不能充分代表常用颜色。
　　因作者水平的限制，只能作此简要介绍，供大家参考。
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