天雄 · 觀察 | Ra=100 真的是最理想的顯色性嗎？

顏色是人的感覺之一，它總是與觀察者個人的主觀體驗有關。每個人看到一種顏色后的感覺，別人難以知曉。所以顏色的研究總是充滿了神秘的想象。同時，顏色又使世界變得五彩繽紛，視覺藝術、圖象顯示與傳輸、紡織品印染、彩色印刷等，都離不開顏色的研究。因此顏色的研究、對顏色進行客觀的定量的描述，成為許多科學家研究的對象。

牛頓在 1664 年用棱鏡把白色的太陽光色散成不同色調的光譜，奠定了光顏色的物理基礎。1860 年麥克斯韋用不同強度的紅、黃、綠三色光配出了從白光一直到各種顏色的光，奠定了三色色度學的基礎。在此基礎上，1931 國際照明委員會建立了 CIE 色度學系統，并不斷完善。如今 CIE 色度系統已廣泛用于定量地表達光的顏色。

顏色離不開照明，只有在光照下物體才有可能顯示出顏色，而且光的顏色對人們的心理有非常大的影響。同濟大學楊公俠教授已在他的專著《視覺與視覺環境》一書的第五章中，作了非常精彩的描述。

在不同光源照射下，同一個物體會顯示出不同的顏色。例如綠色的樹葉在綠光照射下，有鮮艷的綠色，在紅光照射下近于黑色。由此可見，光源對被照物體顏色的顯現，起著重要的作用。光源在照射物體時，能否充分顯示被照物顏色的能力，稱為光源的顯色性。

1965 年，國際照明委員會推薦在 CIE 色度系統中，用一般顯色指數Ra來描述光源的顯色性。一般顯色指數 Ra 應用得還很成功，已被照明界廣泛接受，但是也存在一些問題，本文將為光源顯色性的評價方法，以及近年來的進展作一介紹。

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一般顯色指數Ra

光源顯色性的評價方法，希望能夠既簡單又實用。然而簡單和實用往往是兩個互相矛盾的要求。在 CIE 顏色系統中，一般顯色指數 Ra 就是這樣一個折衷的產物：它比較簡單，只需要一個 100 以內的數值，就可以表達光源的顯色性能，Ra=100 被認為是最理想的顯色性。

事實上，我們在日常生活里，常常在檢驗光源的顯色性。許多人都有這樣的經驗，細心的女士在商場買衣服的時候，常常還要到室外日光下再看一看它的顏色。她這樣做，實際上就是在檢驗商場光源的顯色性：看一看同樣一件衣服，在商場光源的照明下和在日光的照明下，衣服的顏色有什么不同。所以描述光源的顯色性，需要兩個附加的要素：日光（參考光源）和衣服（有色物體）。

在 CIE 顏色系統中，為確定待測光源的顯色性，首先要選擇參考光源，并認為在參考光源照射下，被照物體的顏色能夠最完善的顯示。 CIE 顏色系統規定：在待測光源的相關色溫低于 5000K 時，以色溫最接近的黑體作為參考光源；當待測光源的相關色溫大于 5000K 時，用色溫最相近的 D 光源作為參改光源。這里 D 光源是一系列色坐標可用數字式表示、并與色溫有關的日光。

在選定參考光源后，還需要選定有色物體。由于顏色的多樣性，需要選擇一組標準顏色，使它們能充分代表常用的顏色。 CIE 顏色系統選擇了 8 種顏色，它們既有多種色調，又具有中等明度值和彩度。

在 u-v 顏色系統中，測定每一塊標準色板，在待測光源照射下和在參考光源照射下色坐標的差別，即色位移 ΔEi ，就可得到該色板的特殊顯色指數 Ri 。

Ri=100—4.6ΔEi

對 8 塊標準色板所測得的特殊顯色指數 Ri 取算術平均，就得到了一般顯色指數 Ra 。可見光源的一般顯色指數 Ra 的最大值為 100，認為這時光源的顯色性最好。

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一般顯色指數Ra的局限性

盡管一般顯色指數 Ra 簡單實用，但是它在許多方面表現出嚴重不足。

首先，顏色是人們主觀的感覺，不是物體固有的屬性，它與照明條件、觀察者、輻照度、照度、周圍物體和觀察角度等有關，并不存在什么所謂“真實顏色”。但是由于在 CIE 系統中，已定義 Ra 在近似黑體的輻射下達最高值 100 ，所以燈泡制造商都有意識地設計燈泡，使在用它照射物體時的顯色性與黑體或日光照射時盡可能相近。這意味著光源的光譜分布與黑體或日光有偏離時，會使顯色指數下降。

但是事實上，研究者 Judd、Thorntou 和 Jerome 已證實人們不一定最喜歡 CIE 所規定的參考光源照明時的顏色。

CIE 規定的參考光源是與待測光源的相關色溫最接近的黑體或日光，它們都是輻射連續光譜的光源，具有多種顏色的光譜成分。當色溫在 6500K 時，其長短波的光譜功率分布較為均衡，作為參考光源應該說較為合理。但當色溫在 400K 以下時，光譜功率分布嚴重不對稱，蘭色的短波光譜功率遠小于紅色的長波光譜功率，其顏色偏向紅色，作為參考光源存在疑問。

在 CIE 顏色系統中，8 塊標準色板都是處在中等明度和色飽和度，在 u~v 系統中為等距離間隔。它們對于室內照明，可認為已能充分代表各種常用顏色。但在室外照明時，往往存在一些色飽和度較高的顏色，這 8 塊標準色板已不能充分代表常用顏色。

許多學者認為標準色板數太少，是一般顯色指數的另一個不足。雖然 CIE 還有 9—14 號色飽和度較高的6塊色板，但它們并不包含在一般顯色指數Ra之中。在照明實踐中，人們熟知的顏色為皮膚、樹葉、食品等，它們的顏色極為重要，但它們都被排除在一般顯色指數之外。

Seim 曾提議用 20 塊標準色板，但由于這會使計算變得太復雜而被拒絕。當前，計算機普遍使用，似乎這個提議又得重新考慮。

由于光源的顯色性評價存在這兩大問題、許多其它的評價方法引起廣泛興趣，本文將就作者所知作一簡要介紹。

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夫勒特利指數Rf

研究表明人們傾向于記住比較熟悉的物體的顏色，而且是記住它的生動的、飽和度較高時的顏色。這種記憶色與喜愛色往往相一致，而且傾向于向飽和度高方向偏移。如人們膚色的記憶色，傾向于向紅方向偏移，樹葉色向綠色方向偏移。顯然與 CIE 中的 Ra 方法不同。

Rf 事實上是對 Ra 的修正，這個修正包括二個方面：

第一，在參考光源的照明下定義 Rf =90,只有在假想的“完美光源”照明下，才有 Rf = 100。

第二，選擇 10 塊標準色板，即除了原來 1-8 號標準色板外，還加上 13 號 14號 二塊色板，相應于皮膚色和樹葉色。

這時，“完美光源”就是指在它的照射下，能把10塊標準色板的顏色向喜愛方向偏移的光源。

由此可見，對每塊標準色板來說，相應的“完美光源”的色坐標是各不相同的，可以由實驗確定。這也說明了這樣的“完美光源”只能是假想的。

Rf 的計標方法與 Ra 相似，但有二點不同：

1、對于每塊標準色板，參考光源的色坐標都需要調整，即根據實驗確定的“完美光源”色坐標。然后，在待測光源照明時，每塊色板的色差是與其相應的“完美光源”相比較后得到。

2、在計算 Rf 時，取 10 塊色板的色差平均值，但是每塊色板的權重不同。13 號色板是膚色，權重是 35% 、2 號是 15% 、14 號是 15% 、其余是每塊 5%。這里特別強調了膚色的重要性。所以待測光源的Rf可以高于參考光源 Rf =90，但小于100。

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顏色偏愛指數（CPI）

顏色偏愛指數 CPI（colour preference index）利用上節提出的喜愛色概念，定義在 D65 光源照明下，顏色偏愛指數 CPI =100。

于是待測光源的 CPI 可以這樣得到：

在待測光源照射下，計算8塊標準色板的色坐標與最喜愛色的色坐標之差，并求其矢量和的平均值（ ）：CPI=156-7.18（）

以上計算都是在 CIE 的 UV 色度系統中進行。

雖然 CPI 與 Rf 都利用了最喜愛色這一概念，但兩者有很大差別：

1、在計算 Rf 時，用 1—8 號和 13 、14 共 10 塊標準色板，而 CPI 只用 1—8 塊標準色板

2、技術 Rf 時，色差（ΔE）取實驗值的 1/5，而 CPI 取原始實驗值

3、計算 Rf 時，各塊色板的權重不同，而 CPI 取相同權重

4、根據定義 Rf 的最大值為 100，而 CPI 的最大值為 156

最后要指出提出 Rf 與 CPI 兩個指數的研究人員，都用實驗確定喜愛色，而在實驗中采用的是日光色照明。現在有證據表明喜愛色與光源的相關色溫有關。所以在使用 Rf 和 CPI 來恒量顯色性時，僅僅適用高色溫的光源。

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色分辯指數（CDI）

用 Ra、Rf 或 CPI 來描述光源的顯色性，參考光源必須與待測光源有相同的色溫。顏色分辯指數 CDI （colourdiscrimination index）克服了這個局限性。

該指數的提出，基于這樣一個假定：在某種光源的照明下，能區別顏色的能力愈強，則此光源的顯色性愈好。在某個光源照明時，8塊標準色板在 CIE 的 UV 色度圖中，所包圍的面積為：

GA =0.5Σ（UiVj-UjVi） i,j=1,2,…8; i≠j

在 C 光源照明下，該面積 GA =0.005，定義這時 CDI =100，于是在待測光源的照明下，其色分辯指數為：

CDI=（GA/0.005）×100

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結束語

由上述討論可知，光源顯色性的評價方法很多，而且在不斷發展和完善之中，本文介紹的僅僅是其中的一部分，它們各有優缺點。

即使目前廣為采用的一般顯色指數 Ra，也還有許多缺點。

它最主要的缺點，是參考光源的選擇：參考光源是一個光譜連續的光源，用它作為標準來衡量光譜不連續的光源，不很合適。參考光源的色溫必須與待測光源的相關色溫相近，而事實上，對于一定的照明作業，色溫本身對顯色性就有很大的影響，這個方法限制了只能用在光源色溫已經確定的條件下使用。

它的第二個缺點是標準色板的選擇：對于室內照明，可認為 8 塊標準色板已能充分代表各種常用顏色。但在室外照明時，對一些色飽和度較高的顏色，不能充分代表常用顏色。

文章來源：云知光照明