На протяжении всей своей истории, от каменного века и до наших дней, люди пользуются искусственными источниками света.
Однако в своей основе наше зрение сформировалось под воздействием источников света, имеющих тепловую природу: естественное освещение – Солнце, в качестве же искусственного источника света, на протяжении десятков и сотен тысяч лет, был огонь – пламя костра, факелы. Позже, с опытом в сжигании различных материалов, появились и более специализированные устройства – светильники на основе природных смол, жира, масел и воска. Древнейшие светильники, достоверно сделанные руками человека, имеют возраст более 15 000 лет (найдены в пещере Ласко во Франции).
Каменные лампы эпохи неолита, Музей тысячи ламп (г. Цяньдэн, Китай).
Принцип действия подобного освещения довольно прост: природные материалы содержат большой по массе процент углерода, при сгорании сажистые частицы углерода сильно раскаляются в пламени до 1000… 1500°С и излучают свет.
В 19 веке для освещения стали использовать горючий газ и температура сгорания топлива увеличилась до 1500… 2300°С а КПД преобразования энергии в свет – до 1… 5%, с открытием электричества и изобретением лампы накаливания температура свечения раскаленной вольфрамовой нити возросла до ~ 3000°С. Однако физическая суть явления принципиально не менялась, свет излучало нагретое до большой температуры тело.
С точки зрения человеческого восприятия и физиологии все эти тепловые источники света имеют одну важную особенность – более-менее гладкое распределение спектральной плотности излучения во всей видимой глазом области примерно 400… 700 нм.
Спектры излучения нагретого тела разной температуры
и кривые относительной фоточуствительности рецепторов человеческого глаза
Принципиальным новшеством в освещении стало изобретение люминесцентных газоразрядных ламп, а потом и светодиодов, и те и другие излучают свет непосредственно в видимом глазом диапазоне с очень высокой эффективностью, но, к сожалению, спектральная плотность этого излучения обычно неравномерна.
Сложная форма спектра люминесцентных ламп и светодиодов обусловлена их конструкцией и принципом работы, в обоих случаях узкие пики монохромного излучения либо излучаются непосредственно в видимой области, либо преобразуются с помощью люминофорного покрытия в более широкий спектр пригодный для восприятия глазом.
Но как плата за эффективность – из-за такой неравномерности спектра – восприятие оттенков цветов при таком освещении может существенно отличаться от естественного. Так что с появлением около 100 лет назад газоразрядных ламп появилась и необходимость оценки качества передачи цвета.
На практике для белого света удобной, хоть и не очень точной характеристикой при выборе источника света, является коррелированная цветовая температура. Простой выбор между «теплым», «нейтральным» или «холодным» светом по аналогии с естественными тепловыми источниками света определенной температуры, к которым привык наш глаз. Несколько более точно параметры цвета задают координаты цветности – с помощью них уже можно определить оттенок света, но это уже требует более специальных знаний и навыков. Ну и, конечно, собственно спектр – это максимально подробное описание для понимания колориметрических и фотометрических свойств.
Различные способы описания цветовых параметров света, цветовая температура, координаты и спектр.
В силу исторических причин в настоящее время основным методом оценки качества передачи оттенков в освещении для потребителя по-прежнему является «Индекс цветопередачи» CRI (Colour Rendering Index).
На практике же применительно к светодиодным и другим источникам света уже достаточно давно прорабатываются и используются более новые и совершенные методики, такие как «шкала качества цвета» CQS (Color Quality Scale), разрботанный на основе тех же принципов комитетом IES стандарт TM-30-18, или, например, более нишевый стандарт TLCI (Television Lighting Consistency Index), определяющий качество цветопередачи при искусственном освещении объектов кино- и видеосъемки.
Отмечу, что во всех этих метриках в качестве эталонных используются «естественные» тепловые источники света.
Индекс цветопередачи CRI
Индекс цветопередачи показывает, насколько естественный цвет имеют предметы при освещении. Эталоном принято считать солнечный свет, CRI которого равен 100. До 1974 года Международной Комиссией по Освещению (МКО) данная методика подразумевала сравнение 8 эталонных цветов с цветами, полученными от тестируемого источника света.
В 1974 году к этим 8 эталонным ненасыщенным цветам добавилось еще 6 дополнительных, но уже насыщенных цветов.
Методика измерения CRI заключается в расчете цветовых сдвигов этих 14 образцов относительно эталона:
- исследуемый источник света направляется на шаблонный образец;
- при помощи специальных приборов измеряется цвет образца;
- образец освещается эталонным светом (если это «теплый» свет с CCT менее 5000К, то эталоном служит тепловой источник света, если «холодный» с CCT более 5000К, то в качестве эталона используется модель стандартного дневного света тип D);
- замеряется цвет образца под эталонным светом;
- рассчитывается разница под различными источниками света.
Вышеописанный алгоритм повторяется со всеми шаблонными образцами, после чего вычисляется среднее арифметическое значение CRI.
Максимальное значение CRI = 100 признается методикой как идеальная цветопередача, на практике значение CRI > 80 считается удовлетворительным для большинства применений, ну а более точно необходимые значения приводятся в соответствующих отраслевых стандартах, таких как ГОСТ Р 55710-2013, ГОСТ Р 55709-2013, СП 52.13330.2016, СанПиН 1.2.3685-21 или, например, DIN 5035
Приведу несколько типичных примеров ламп с разными значениями индекса цветопередачи:
Характеристика цветопередачи | CRI | Примеры ламп |
очень хорошая | > 90 | cерные лампы, лампы накаливания, галогенные лампы, люминесцентные лампы с пятикомпонентным люминофором, лампы МГЛ (металогалогенные), светодиодные лампы |
очень хорошая | 80-89 | люминесцентные лампы с трехкомпонентным люминофором, светодиодные лампы |
хорошая | 70-79 | люминесцентные лампы ЛБЦ, ЛДЦ, светодиодные лампы |
хорошая | 60-69 | люминесцентные лампы ЛД, ЛБ, светодиодные лампы |
посредственная | 40-59 | лампы ДРЛ (ртутные), НЛВД с улучшенной цветопередачей |
плохая | < 40 | лампы ДНаТ (натриевые) |
Пример отображения цвета и оттенков в зависимости от индекса цветопередачи источника света.
Хотя индекс CRI и признается МКО как общая методика для всей индустрии освещения, но для современных источников света со сложным многокомпонентным спектром как люминесцентные или светодиодные лампы высокий CRI не всегда является индикатором действительно хорошей передачи цветов.
Пример искажения общей цветопередачи при формально высоком индексе CRI - свет получился некомфортный, на верхнем фото спектр и цветовые координаты смещены в область желто-зеленого относительно кривой излучения абсолютно черного тела.
Очевидные недостатки индекса CRI по отношению к современным источникам света обусловили появление новых, более точных и адекватных метрик оценки освещения, таких как т.н. «шкала качества света» COS и стандарт IES ТМ-30.
Шкала качества цвета (Color Quality Scale, CQS)
Цвет поверхности определяется в первую очередь ее отражательными свойствами и спектральным составом освещения. Изначальным недостатком индекса CRI было использование только пастельных цветов в качестве эталонных цветопроб, в результате, при высоком значении индекса для насыщенных цветов, цветопередача могла быть плохой. Эталонная палитра системы CQS использует набор только базовых насыщенных цветов.
Наборы эталонных образцов CRI и CQS
Так же существенно отличается и методика подсчета, вводятся дополнительные метрики:
- Для получения общего индекса система CQS использует среднеквадратичное усреднение отклонений цветовых координат, для каждого эталонного цветового образа. По сравнению со среднеарифметическим усреднением в CRI - цветовой сдвиг хотя бы по одному из образцов будет сильнее влиять на общий индекс.
- Отдельные индексы каждой цветопробы CRI уменьшаются при любом сдвиге цветовых координат, в CQS при оценке цветового сдвига изменение насыщенности оттенка не учитывается. Это позволяет корректнее оценить системы с монохромными источниками света (люминесцентные лампы, светодиоды), которые при сохранении цветовых координат могут более ярко передавать насыщенные цвета объектов
- В CQS используется масштабирование, исключающее возможность отрицательных отдельных индексов (в CRI такое возможно и иногда вводит людей в заблуждение).
- Кроме общего индекса COS (обозначается как Qa), предусмотрены дополнительные метрики, например, Color Fidelity Sacale (Qf) и Relative gamut area (Qg). Эти индексы рассчитываются аналогично общей методике, но Qf более строгий и штрафует любой сдвиг цветовых координат включая насыщенность, а Qg – сравнивает нормализованную площадь фигуры по гамме и позволяет оценить зависимость цветовосприятия от яркости
- Создатели CQS использовали самую современную на тот момент методику преобразования цвета для учета механизма адаптации при восприятии цвета человеком.
В отчете о тестировании CQS, на картинке выше, в частности, помимо спектра, можно увидеть диаграмму в цветовом пространстве CIELAB, на которой расположены цветовые координаты точек образца (красные точки и линии) и эталона (синие точки и линии). Искажения цветопередачи для каждого цвета – хорошо видны по смещению точек и общему отклонению формы получившейся фигуры.
Смещение точек внутрь локуса ближе к 0 координат говорит об уменьшении насыщенности цветов, а искажение формы – о неверных оттенках. Если же фигуры визуально совпадают, и, например, красная фигура получается чуть больше, с сохранением формы, то это говорит о высоком качестве света. Такое визуальное отображение достаточно легко понять потребителю, его можно легко добавить в виде компактного графика на упаковку или в документацию светильника.
Стандарт IES TM-30
Методика CQS впервые была опубликована в 2010 году американским Национальным институтом стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) и была высоко оценена профессиональным сообществом, поэтому спустя несколько лет комитетом IES (International Engineering Soiety) была сформирована рабочая группа для работы над новым международным стандартом оценки качества искусственных источников света с рабочим названием ТМ-30. Фактически, в состав группы вошли разработчики стандарта CQS и новый стандарт TM-30 использует и развивает её основные принципы и опыт:
- TM-30 использует расширенную таблицу эталонных цветов, содержащую 99 оттенков
- TM-30 опирается на самые передовые исследования в области восприятия и адаптации человеческого зрения и использует более сложный алгоритм для оценки искажения цветов
- в TM-30 еще более продвинутая система описания характера цветовых искажений
a) Кривые отражения 99 образцов CES финального набора для методики TM-30, распределены равномерно, без поправок на длину волны, в соответствии с требованием спектральной однородности.
(b) Соответствующие координаты в цветовой модели CAM02-UCS, когда образцы CES освещены черным телом с температурой 5000 К; образцы CES равномерно распределены в цветовом диапазоне NCS.
Цвета соответствуют воспринимаемым цветам образцов.
В качестве эталонов TM-30, как и остальные метрики, использует традиционная модель планковского излучателя (теплового источника света) для образцов с коррелированной цветовой температурой меньше 5000 К, для более «холодных» цветовых температур, больше 5000 К – применяется модель естественного дневного света в соответствии с рекомендациями CIE.
Так же TM-30 развивает и улучшает идею дополнительных метрик и использует не один, а комплиментарную пару индексов при определении качества цветопередачи Rf (Fildelity) и Rg (Gamut).
Индекс Rf вычисляется по алгоритму близкому к расчёту Ra в методике CRI, может принимать значения от 0 до 100 и показывает разницу в восприятии каждого из 99 тестовых оттенков.
С учетом такой широкой палитры индекс Rf близкий к 100 говорит о тождественности тестируемого и эталонного источников.
Индекс Rg показывает, насколько изменяется насыщенность каждого из оттенков цветов при освещении тестовым источником света по сравнению с эталоном. Теоретически шкала Rg не имеет ограничений, 100 выбрано в качестве порогового уровня, при этом:
- если Rg >100, то тестируемый свет перенасыщает цвета по сравнению с эталонным;
- если Rg<100, то цвета тестовой палитры будут выглядеть менее насыщенно
a) Rf - три возможных искажений и цветовых сдвигов источника света: (1) обесцвечивание (уменьшение цветности), (2) изменение оттенка, (3) перенасыщение. Эти сдвиги образуют векторное поле, отображающее изменения в цветовом пространстве
(b) Rg - гипотетический источник света, вызывающий исключительно насыщенные сдвиги; потеря точности в этом случае связана с максимальным расширением цветового охвата.
Таким образом, методика TM-30 описывает качество цветопередачи интегральными коэффициентами уже по двум измерениям: искажение оттенка (Rf) и насыщенность цвета (Rg).
Индексы Rg и Rf принципиально взаимосвязаны, поэтому, для заданного значения Rf можно определить максимальное и минимальное значения Rg. То есть для физически реализуемых светильников с заданным коэффициентом качества цветопередачи - диапазон возможных значений насыщенности передаваемых цветов ограничен.
Любое искажение оттенков цветов тестируемым источником приводит к уменьшению значения индекса Rf, при этом насыщенность может как увеличиваться, так и уменьшаться. Границы возможных комбинаций значений индексов Rf и Rg ограничены на графике ниже областью с белым фоном с диагоналями, сходящимися в точке максимального значения Rf.
Многочисленные исследования рабочей группы и обратная связь от конечных потребителей показали, что во многих применениях (в основном это внутреннее освещение) решения со спектром, увеличивающим насыщенность при освещении цветных предметов, лучше воспринимаются потребителями, чем их аналоги с высоким CRI, но худшим показателем Rg.
Графическое отображение взаимосвязи между Rf и Rg с примерами реальных (синие точки на левой картинке) и смоделированных источников света
Первая версия методики была опубликована в 2015 году, но рабочая группа TM-30 продолжает развивать и улучшать стандарт для более точной и аккуратной оценки цветопередачи искусственных источников света.
Пример стандартного отчета по TM-30-18, последней актуальной версии стандарта приведен на картинке ниже, в качестве образца я выбрал светодиод LDR-2835-TAB-5098 с высоким заявленным индексом CRI 98 от компании Ledestar.
Как видим, на цветовом пространстве тестовая кривая светодиода с высокой точность повторяет эталонную, незначительно отклоняясь в сторону большей насыщенности для сиреневого цвета и наоборот чуть смещаясь в сторону меньшей насыщенности для бежевых оттенков (цветопроба CES91).
По совокупности получается индекс Rf (Fildelity) – 97 говорит об очень высоком качестве цветопередачи, а индекс Rg (Gamut) – 102 показывает, что некоторые цвета могут выглядеть даже немного насыщеннее, чем под естественным светом.
Дополнительные шкалы локального отклонения цветности (Local Chroma Shift) и искажения оттенка (Local Hue Shift), как и шкала локальной точности цветопередачи (Local Color Fidelity) - позволяют более точно локализовать отклонения параметров от эталона и сделать вывод о качестве света.
Пример отчета оценки цветопередачи по стандарту TM-30-18 для светодиода LDR-2835-TAB-5098
Индекс TLCI
Рассмотренные выше методики CRI, CQS и TM-30 основаны на оценке качества восприятия цвета человеческим глазом. Однако существует ряд задач, когда нужно обеспечить высокую цветопередачу и затем воспроизведение освещаемого объекта для искусственных сенсоров кино- фото- и видеокамер, которые вносят дополнительные искажения при восприятии цветов человеком. Особенно актуально это для профессионального освещении телевизионных и киностудий или, например, спортивных арен, где предусматривается телетрансляция.
Может показаться, что высокие показатели CRI и CQS автоматически гарантируют высокую цветопередачу и в случае использования камер для трансляции изображения. Но на самом деле видеооборудование и человеческий глаз существенно различаются по механизмам восприятия цвета. В первую очередь спектральная чувствительность искусственных сенсоров заметно отличается от формы кривых спектральной чувствительности сенсоров человеческого глаза.
Кривые спектральной чувствительности рецепторов человеческого глаза (а)
и трехсенсорной матрицы CCD-камеры (b)
