Ra=100 真的是最理想的显色性吗？-专栏作家-云知光

光源显色性的评价方法

文 | 朱绍龙

编辑手记：

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，作了非常精彩的描述。

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 被认为是最理想的显色性。

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？我们来讨论一下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）。

小编举个栗子：我一位朋友，家里装修要买木地板。

她在店里看到的木地板颜色是这样子的：

送到家里安装的时候，太阳光照进来，发现是这样子的：

她不由感慨：原来展示厅里的灯光犹如女人化妆一样，卸了妆之后根本不是原来的那个面目！

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最完善的显示。 CIE 颜色系统规定：在待测光源的相关色温低于 5000K 时，以色温最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，用色温最相近的 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 的最大值为 100，认为这时光源的显色性最好。

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最高值 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、蓝三个单色 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，研究者 Judd、Thorntou 和 Jerome 已证实人们不一定最喜欢 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，并不一定是最好的选择。规定在黑体或日光照射时显色指数为最佳值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最接近的黑体或日光，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。

许多学者认为标准色板数太少，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 块标准色板，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。

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。

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最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 都利用了最喜爱色这一概念，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 的最大值为 100，而 CPI 的最大值为 156