Системы оценки качества искусственного освещения: CRI, CQS, TLCI

№ 5(37)’2015
PDF версия
В настоящей статье приведен обзор различных стандартов — CRI, CQS, TM-30 и TLCI, а также показаны примеры протоколов для реальных источников света.

Человечество использует искусственные источники света (ИС) на протяжении достаточно продолжительного периода истории своего развития. При этом важно понимать, что наш зрительный аппарат формировался под воздействием ИС, имеющих тепловую природу: собственно солнечный свет, в ночное время — пламя огня, получаемое при сжигании дерева, природных масел, воска и т. д. С развитием химии и промышленности в ХIX в. в некоторых европейских странах для освещения стали использоваться различные горючие газы, позволяющие получать от процесса их сгорания большее количество света. При этом все горящие ИС излучали основную долю энергии в виде тепла — электромагнитное излучение в ИК-диапазоне. На долю видимого человеческим глазом диапазона приходилось всего 0,5–5% от всей потребляемой энергии. Температура сгорания топлива при этом находилась в пределах 1500–2300 °С. Появление электрических ламп позволило увеличить температуру ИС до 2800–3200 °С, однако по своей физической сути это был по-прежнему некий нагревательный прибор.

Рис. 1. Спектр естественного солнечного света в дневное время и спектр керосиновой лампы

С точки зрения восприятия человеческим глазом, излучение упомянутых ИС имело важную особенность — гладкая функция распределения спектральной плотности излучения в видимой человеческим глазом области 400–700 нм. На рис. 1 показаны спектр естественного солнечного света в дневное время и спектр керосиновой лампы — в качестве примера естественного и искусственного теплового ИС.

Появление в ХХ в. газоразрядных и свето­диодных ламп, излучающих энергию непосредственно в видимом диапазоне, позволило осуществить большой прорыв в эффективности искусственных ИС. Однако одновременно с этим возникла проблема качества цветопередачи, поскольку спектр газоразрядных ламп в видимом человеком диапазоне имеет сложную форму, отличную от формы излучения тепловых ИС. В качестве примера на рис. 2 показаны спектры белого светодиода, лампы накаливания и компактной люминесцентной лампы.

Спектры белого светодиода, ЛН и компактной ЛЛ

Рис. 2. Спектры белого светодиода, ЛН и компактной ЛЛ

Очевидно, что восприятие человеком сложных цветовых обрамлений окружающего пространства при освещении этими ИС может существенно отличаться, поэтому фактически сразу после появления в индустрии газоразрядных ламп началась работа по внедрению стандартов оценки качества передачи цвета.

В принципе, проблема описания цвета, транслируемого ИС, достаточно многогранна. Так, например, для конечного потребителя определения «теплый белый свет» достаточно, чтобы выбрать лампу накаливания (ЛН) или компактную люминесцентную лампу (ЛЛ). Более точно цвет можно охарактеризовать значением коррелированной цветовой температуры. Координаты цветности — это уже два или три дробных числа, не очень удобных для потребителя. Ну и, наконец, собственно спектр ИС: он позволяет рассчитать все колориметрические характеристики, однако для упомянутых выше светодиодных и газоразрядных ИС потребуется знание множества значений интенсивности излучения на соответствующих длинах волн (для корректной передачи всех особенностей формы спектра) (рис. 3).

Последовательность преобразования колориметрических параметров

Рис. 3. Последовательность преобразования колориметрических параметров

В настоящее время основной методикой оценки качества цветопередачи в освещении является CRI (Colour Rendering Index) [1]. Для более точной оценки в последние годы активно прорабатываются новые методики, например т. н. шкала качества цвета (Color Quality Scale, CQS) [3]. Отдельного внимания заслуживает относительно молодой нишевый стандарт TLCI (Television Lighting Consistency Index) [4], определяющий качество цветопередачи при искусственном освещении объектов кино- и видеосъемки.

Важно подчеркнуть, во всех упомянутых системах метрики качества цветопередачи (CRI, CQS, TLCI) именно тепловые источники света считаются «естественными» и используются в качестве эталонных [3].

 

CRI

Как было отмечено выше, основная проблема оценки современных источников света заключается в наличии различной формы спектра в видимой области. Так, например, рассмотренные выше ЛН и компактная ЛЛ при одинаковой коррелированной цветовой температуре могут передавать цвета совершенно по-разному. Собственно, индекс цветопередачи (CRI) разрабатывался как мера степени отклонения цвета объекта, освещенного ИС, от его цвета при освещении эталонным ИС сопоставимой цветовой температуры. Алгоритм расчета CRI подробно описан в существующих стандартах и публикациях [1, 3].

Напомним, что сам стандарт был разработан около 40 лет назад Международной комиссией по освещению (МКО, International Commission on Illumination, CIE).

CRI возвращает одно значение в диапазоне от 0 до 100, определяющее, насколько тестируемый источник искажает эталонную палитру эталонных цветов (т. н. «набор цветов» — Macbeth Color Checker [5]) по сравнению с эталонным ИС (модель солнечного света или излучения «абсолютно черного тела» — АЧТ). Можно отметить, что в стандарте DIN 6169 указаны 14 эталонных цветов TCS01– TCS14, однако для расчета собственно CRI используются только первые восемь образцов.

Методика расчета CRI следующая:

  • Для модели стандартного наблюдателя по CIE 1960 производится расчет цветовых координат тестируемого ИС.
  • Производится расчет коррелированной цветовой температуры для ближайшей точки цветового пространства, лежащей на кривой излучения АЧТ, по отношению к координатам тестируемого ИС.
  • Если цветовая температура меньше 5000 К, в качестве эталонного ИС в дальнейшем используется модель излучения АЧТ с цветовой температурой, соответствующей тестируемому ИС; в противном случае используется модель стандартного ИС дневного цвета типа D [6].
  • Каждый из тестовых цветов поочередно освещается эталонным и тестируемым ИС.
  • Определяются координаты цвета, отраженного от каждого образца палитры эталонных цветов при тестировании.
  • Для каждого цвета эталонной палитры вычисляется евклидово расстояние между точками координат на цветовой плоскости, полученными для отраженного света от эталонного и тестируемого ИС (DEi).
  • Рассчитываются т. н. частные индексы цветопередачи для каждого эталонного цветового образца Ri = 100–4,6DEi.
  • Рассчитывается искомое значение CRI как арифметическое среднее всех частных индексов.

Максимальное значение CRI = 100 признается методикой как идеальная цветопередача тестируемого ИС, при этом каждый образец из набора эталонных цветов выглядит одинаково при освещении тестируемым и эталонным источником. В целом, принято считать значение CRI > 80 удовлетворительным для большинства применений в общем освещении.

В таблице приведены типичные значения CRI для стандартных ИС.

Таблица. Типичные значения CRI для стандартных источников света

Характеристика
цветопередачи

Степень
цветопередачи

Коэффициент
цветопередачи

Примеры ламп

Очень хорошая

Более 90

ЛН, галогенные, ЛЛ с пятикомпонентным люминофором

Очень хорошая

80–89

ЛЛ с трехкомпонентным люминофором, СД

Хорошая

70–79

ЛЛ ЛБЦ, ЛДЦ, СД

Хорошая

60–69

ЛЛ ЛД, ЛБ, СД

Достаточная

3

40–59

ДРЛ, НЛВД с улучшенной цветопередачей

Низкая

4

Менее 39

ДНат

На сегодня CRI признается МКО как единственная глобальная методика для всей индустрии освещения, однако, как было отмечено выше, для современных ИС со сложным многокомпонентным спектром высокий CRI не всегда является индикатором хорошей цветопередачи.

Рассмотрим пример светильника, спроектированного с учетом оптимизации спектра по критерию максимального значения CRI.

На рис. 4 показан спектр, цветовые координаты и пример освещения реальных объектов таким ИС (верхнее фото на рисунке). Видно, что, несмотря на высокое значение CRI = 91 и хорошую цветопередачу тестовых цветов (набор в нижнем левом углу на фотографии), в целом такое освещение воспринимается менее комфортно по сравнению с эталонным светильником (ЛН с аналогичной цветовой температурой), эффект освещения от которого показан на нижней фотографии. Видимый эффект «желтизны» объясняется большим сдвигом цветовых координат рассматриваемого источника света относительно кривой излучения АЧТ.

Спектр, координаты цветности и пример освещения реальных объектов различными источниками света

Рис. 4. Спектр, координаты цветности и пример освещения реальных объектов различными источниками света

Данный пример иллюстрирует один из множества возможных случаев несоответствия люминесцентных или СД-ламп с высоким CRI ожиданиям конечных потребителей.

Обоснованная критика системы CRI и исследования альтернативных систем оценки качества цветопередачи привели к созданию нового стандарта — т. н. шкалы качества света.

 

Color Quality Scale

В одном из технических отчетов Международной комиссии по освещению отмечается, что «…индекс цветопередачи, разработанный комиссией, обычно неприменим для прогнозирования параметров цветопередачи набора источников света, если в этот набор входят светодиоды белого цвета». Для более точной оценки качества передачи цвета вводятся новые методики, например шкала качества цвета (Color Quality Scale, CQS).

Система CQS относительно недавно была окончательно утверждена исследовательской группой Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) как альтернатива существующей методике вычисления CRI. Термин CQS пока что не имеет адекватного прижившегося термина в российском профессиональном светотехническом словаре, поэтому в дальнейшем в публикации будет использоваться в виде оригинальной аббревиатуры.

Набор эталонных образцов для различных колориметрических систем

Рис. 5. Набор эталонных образцов для различных колориметрических систем

Как было показано выше, для расчета CRI используется эталонный набор только пастельных оттенков, что допускает плохую цветопередачу базовых насыщенных цветов при высоких значениях индекса. Эталонная палитра системы CQS использует набор только насыщенных цветов (рис. 5). Особенности предлагаемого стандарта CQS по сравнению с CRI:

  • Для получения общего индекса система CQS использует среднеквадратичное усреднение отклонений цветовых координат, полученных для каждого эталонного цветового образа. По сравнению с операцией среднеарифметического усреднения, используемой в CRI, цветовой сдвиг хотя бы по одному из образцов будет иметь более сильное влияние на общий индекс.
  • Создатели CQS используют самую современную методику преобразования цвета для учета механизма адаптации при восприятии цвета человеком — CMCCAT2000 [7].
  • Частные индексы CRI уменьшаются при любом сдвиге цветовых координат; в то же время методика CQS при оценке цветового сдвига по каждому из тестовых образцов не учитывает изменение насыщенности оттенка. Это дает дополнительное заслуженное преимущество хорошо сбалансированным системам, которые содержат в своем составе монохромные ИС (например, светодиоды) и при сохранении цветовых координат на кривой температур АЧТ могут более ярко передавать насыщенные цвета объектов, например цвета овощей и фруктов в супермаркетах и т. д.
  • В системе CQS используется масштабирование, исключающее возможное возникновение отрицательных частных индексов, которые могут ввести конечных потребителей в заблуждение.
  • Система CQS снижает общую оценку для ИС с цветовой температурой ниже 3500 К. Эта корректировка исключает несоответствие между возможным высоким CRI для таких тепловых ИС (пламя свечи, керосиновая лампа и т. п.) и реальным снижением цветоразличения человеческого зрения при подобных низких цветовых температурах.
  • Помимо общего индекса, представляющего стандартную оценку CQS для тестируемого ИС (обозначается как Qa), предусмотрены метрики Color Fidelity Sacale (Qf или Fa) и Color Preference Scale (Qp). Эти индексы рассчитываются аналогично общей методике CQS, однако Qp является более строгим, поскольку, в отличие от Qa, штрафует любой сдвиг цветовых координат, включая насыщенность. Qp, напротив, увеличивает свое значение при увеличении насыщенности частных индексов Qi.

Чтобы провести предварительную оценку конкретного светильника по методике CQS, достаточно иметь данные о распределении спектральной плотности мощности излучения, которые могут быть получены после фотометрических измерений конкретного светильника или моделирования. Расчет CQS поддерживается в последних моделях профессиональных измерительных фотометрических комплексов, также можно использовать общедоступный инструмент, выполненный в виде таблицы Excel, от создателей стандарта, доступный на сайте NIST [8].

Рис. 6. Примеры расчета индексов CRI и CQS для источников света различных типов

Рис. 6. Примеры расчета индексов CRI и CQS для источников света различных типов

На рис. 6 показаны примеры расчета индексов CRI и CQS для ИС различных типов: компактной ЛЛ (образец, обозначенный номером 1), неодимовой ЛН (2) и двух типов СД-светильников, использующих трехканальную систему синтеза белого света (RGB). При этом образец номер 3 использует красные светодиоды с насыщенным оттенком (доминантная длина волны 620 нм), а образец номер 4 — обычные красные светодиоды с длиной волны порядка 605 нм.

Данный отчет содержит в себе информацию о спектре ИС в виде графика, а также диаграмму CIElAB, на которой расположены цветовые координаты точек, соответствуюших цветам, отраженным от образцов эталонной палитры при освещении эталонным (соединены в фигуру синей линией) и тестовым ИС (точки соединены красной линией). Таким образом, искажения передачи каждого эталонного цвета хорошо видны по смещению точек и отклонению формы фигуры. Важно отметить, что для CQS наиболее критичными искажениями являются смещения точки относительно эталонной в центр системы координат по хорде (уменьшение насыщенности), а также смещение точки по окружности с центром в начале системы координат (искажение оттенка). Визуальное совпадение фигур или линейное увеличение фигуры, соответствующей тестируемому ИС, c сохранением формы говорит о высоком качестве цветопередачи без искажений оттенков цветов. Меньший по площади локус тестируемого ИС по сравнению с эталонным говорит о худшей цветопередаче. Подобная интерпретация может быть понятна конечным потребителям, поэтому визуальное представление фигур результатов оценки CQS можно вносить в виде компактных графиков в документацию на осветительные приборы.

 

Стандарт IES ТМ-30

Методика CQS впервые была опубликована в 2010 г. и с тех пор непрерывно совершенствовалась. Несколько лет назад комитетом IES (International Engineering Soiety) была сформирована рабочая группа для работы над новым стандартом оценки качества искусственных ИС с рабочим названием ТМ-30. Фактически, в состав группы вошли разработчики стандарта CQS. Новый стандарт использует основные принципы и опыт внедрения CQS.

Основные направления и результаты исследований, которые легли в основу TM-30:

  • использование расширенной таблицы эталонных цветов, содержащей 99 (!) оттенков (рис. 7);
  • сложный алгоритм оценки искажений цветов с учетом последних исследований в области восприятия и адаптации человеческого зрения;
  • продвинутая система описания характера цветовых искажений.
Расширенная таблица эталонных цветов

Рис. 7. Расширенная таблица эталонных цветов

Система TM-30, как и существующие стандарты, использует две модели тепловых ИС в качестве эталонных, но с небольшими корректировками. Так, в качестве граничной цветовой температуры выбрано значение 5000 К. Для тестирования ИС с цветовой температурой ниже этого значения используется традиционная модель планковского излучателя. Для более высоких значений используется модель естественного света типа D в соответствии с существующими рекомендациями CIE. На рис. 8 показаны примеры реализации спектров эталонных ИС, рассчитанных в соответствии с методикой TM-30.

Рис. 8. Примеры реализации спектров эталонных источников, рассчитанных в соответствии с методикой TM-30

Одним из принципиальных отличий методики TM-30 для конечных потребителей является использование комплиментарной пары индексов при определении качества цветопередачи — Rf (Fildelity) и Rg (Gamut).

Индекс Rf вычисляется по алгоритму, близкому к расчету Ra в методике CRI, и показывает разницу в восприятии каждого оттенка тестируемой палитры при освещении эталонным и тестируемым ИС. Индекс Rg оценивается как среднеквадратичное отклонение насыщенности оттенка отраженного света тестируемого ИС от эталонного для всех элементов палитры. На рис. 9 изображены изолинии с векторами, соответствующими направлению увеличения значений частных индексов Rg на диаграмме CIELAB.

Изолинии с векторами, соответствующими направлению увеличения значений частных индексов Rg на диаграмме CIELAB

Рис. 9. Изолинии с векторами, соответствующими направлению увеличения значений частных индексов Rg на диаграмме CIELAB

Индекс Rf может принимать значения в традиционном диапазоне 0–100, меньшее значение говорит о том, насколько плохо тестируемый ИС передает 99 тестовых оттенков по сравнению с тестовым ИС. С учетом широкой палитры индекс Rf, близкий к 100, позволяет сделать вывод о тождественности тестируемого и эталонного источников.

Индекс Rg показывает, насколько увеличивается насыщенность каждого из оттенков эталонной палитры при освещении тестируемым ИС по сравнению с эталонным. Теоретически, шкала Rg не имеет ограничений, в качестве порогового уровня выбрано значение 100, при этом:

  • если Rg >100, то тестируемый ИС перенасыщает цвета по сравнению с эталонным;
  • если Rg<100, цвета тестовой палитры будут выглядеть менее насыщенно при освещении тестируемым ИС.
Векторы основных типов искажений цвета, определяемых стандартом TM-30

Рис. 10. Векторы основных типов искажений цвета, определяемых стандартом TM-30

На рис. 10 показаны векторы основных типов искажений цвета, определяемых стандартом TM-30. Так, смещение координат тестируемого ИС относительно эталонного в направлении вектора 1 говорит об ухудшении насыщенности цвета этого оттенка, а для вектора 3 насыщенность увеличивается. Вектор 2 показывает изменение координат цвета при искажении оттенка.

Таким образом, методика TM-30 описывает качество цветопередачи интегральными коэффициентами по двум измерениям, привычным для конечных потребителей: искажение оттенка (Rf) и насыщенность цвета (Rg).

Полный алгоритм расчетов, используемых в TM-30, приведен на рис. 11.

Полный алгоритм расчетов, используемых в TM-30

Рис. 11. Полный алгоритм расчетов, используемых в TM-30

Уникальность предложенной методики заключается именно в появлении отдельного индекса, оценивающего насыщенность передаваемых цветов как компонент общей оценки качества освещения.

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.

На рис. 12 приведен график значений индексов Rg и Rf, полученных в результате измерения реальных светильников (синие точки) и математического моделирования зеленые и красные точки).

График значений индексов Rg и Rf, полученных в результате измерения реальных светильников (синие точки) и математического моделирования (зеленые и красные точки)

Рис. 12. График значений индексов Rg и Rf, полученных в результате измерения реальных светильников (синие точки) и математического моделирования (зеленые и красные точки)

Можно отметить несколько принципиальных зависимостей между индексами Rg и Rf. Так, например, для заданного значения Rf можно определить максимальное и минимальное значения Rg, т. е. 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 областью с белым фоном с диагоналями, сходящимися в точке максимального значения Rf.

На рис. 13 показаны протоколы ТМ-30 для люминесцентной лампы с высоким индексом CRI Ra (85) и светодиодной матрицей CXB1830 (CRI 80).

Рис. 13. Протоколы ТМ-30 для люминесцентной лампы с высоким индексом CRI
и светодиодной матрицы CXB1830

Можно отметить, что ЛЛ, при достаточно высоком значении CRI, вносит заметные искажения оттенка и насыщенности в области зеленых и желтых цветов. Также можно отметить увеличение насыщенности в этой области. Данное наблюдение подтверждается невысоким значением Rf = 78. Светодиодная матрица CXB в данном случае имеет меньший индекс CRI, но при этом более равномерный спектр и незначительные искажения цветов с точки зрения TM30. В обоих случаях наблюдается визуальное совпадение форм фигур, соответствующих эталонным и измеренным цветовым координатам, что говорит об отсутствии значительных искажений насыщенности и подтверждается значениями Rg, близкими к 100.

Рассмотрим пример сравнения металло-галогенной лампы (МГЛ) с цветовой температурой 4000 К и светильником на белых светодиодах. Оценка параметров таких источников показана на рис. 14.

Оценка параметров МГЛ и светильника на белых светодиодах

Рис. 14. Оценка параметров МГЛ и светильника на белых светодиодах

Видно, что оба ИС имеют невысокое значение CRI = 70, при этом спектр и искажения цветов существенно различаются. Тональные искажения цветовых координат у МГЛ в данном случае сопоставимы с результатом для лампы СД (индекс Rf имеет значения 75 и 71). При этом видимое уменьшение площади фигуры цветовых координат для МГЛ, по сравнению с эталоном, говорит о значительном уменьшении насыщенности передаваемых цветов. Об этом также свидетельствует сниженное значение Rg. В случае со светодиодным светильником на втором графике цветовых координат форма фигур, соответствующих тестируемому и эталонному ИС, почти совпадает. Отсутствие искажений насыщенности цветов также подтверждается высоким значением индекса Rg 95.

 

Методика TLCI

Рассмотренные выше методики CRI, CQS и TM-30 основаны на оценке качества восприятия цвета человеческим глазом. В то же время существует ряд применений, когда стоит задача обеспечить высокую цветопередачу при трансляции изображения освещаемого объекта через искусственные сенсоры кино- и видеокамер, которые вносят дополнительные искажения при восприятии цветов человеком. Например, такая проблема остро стоит в профессиональном освещении телевизионных и киностудий, а также спортивных арен, где предусматривается телетрансляция.

Распространенное заблуждение при проектировании решений для освещения в таких применениях — то, что высокие показатели CRI и CQS гарантируют высокую цветопередачу в случае использования камер для трансляции изображения. Однако даже самое передовое видеооборудование и человеческий глаз имеют основательные различия в механизмах восприятия цвета. В первую очередь, спектральная чувствительность искусственных видеосенсоров существенно отличается от формы кривых спектральной чувствительности сенсоров человеческого глаза. На рис. 15 показаны кривые спектральной чувствительности рецепторов человеческого глаза и сенсоров матрицы CCD-камеры. Еще один важный аспект — человеческий глаз постоянно адаптируется к условиям освещения, и это влияет в том числе и на восприятие цвета.

Когда мы пытаемася использовать существующие в индустрии освещения метрики качества цвета для систем профессионального видеоосвещения, некоторые из тестовых цветов эталонной палитры могут оказаться за границами цветового охвата сенсоров используемой камеры. Например, насыщенный красный цвет, используемый для оценки частного CRI = R9, лежит за пределами цветового охвата стандартной телевизионной камеры. Именно поэтому высокий CRI осветительного оборудования плохо описывает реальное качество цветопередачи, когда мы смотрим на транслируемое изображение освещаемого объекта.

Специально для решения задачи корректной оценки цветопередачи, обеспечиваемой осветительным оборудованием, используемым при трансляции и видеосъемке, был разработан стандарт TLCI (Television Lighting Consistency Index) [9].

Рис. 15. Кривые спектральной чувствительности: а) рецепторов человеческого глаза; б) сенсоров матрицы CCD-камеры

Рис. 15. Кривые спектральной чувствительности:
а) рецепторов человеческого глаза;
б) сенсоров матрицы CCD-камеры

Первые исследования этой проблемы начались еще в 1970-х годах сотрудниками компании BBC (Великобритания). Однако большинство ИС, используемых в этот период, имели достаточно широкий и непрерывный спектр (за исключением редко используемых люминесцентных ламп), поэтому проблема исследования качества цветопередачи в таких применениях не стояла остро.

Появление светодиодов в ИС для освещения кино- и телестудий, а также другой профессиональной техники вернуло методике TLCI актуальность. За последние годы светодиоды стремительно вошли фактически во все сферы применения искусственного освещения. При этом, как было ранее показано в некоторых примерах, качество цвето­передачи и спектр СД-светильника может быть различным, в зависимости от конструкции самих светодиодов и светильника в целом.

Одним из основоположников системы TLCI является Алан Робертс (Alan Roberts) — бывший инженер компании ВВС, который провел большое количество исследований и выпустил первые публикации с рекомендациями по измерению качества цветопередачи в телевизионных применениях. Рассмотрим подробнее особенности методики TLCI.

Как и в случае с индексами CRI и CQS, для расчетов TLCI используется стандартный набор образцов цветов: знакомая индустрии освещения шкала Macbeth Color checker (рис. 16). Для вычисления индекса сравнивается визуальное восприятие каждого из цветов стандартным наблюдателем. В качестве эталонного ИС используется модель АЧТ или дневной свет (в зависимости от цветовой температуры тестируемого ИС).

Шкала Macbeth Color checker

Рис. 16. Шкала Macbeth Color checker

Можно отметить, что в примере на рис. 16 тестовые цвета показаны таким образом, как они выглядят при освещении натуральным дневным светом (верхняя часть каждого квадрата) и при освещении светодиодной матрицей CXA с высоким индексом CRI = 92 (нижняя часть квадрата).

Видно, что тестируемый ИС не вносит искажение в диапазон серых оттенков внизу таблицы, при этом на некоторых цветных образцах обнаруживаются существенные различия. Так же, как и в случае с рассмотренными ранее методиками, оценка TLC рассчитывается с применением математического моделирования, в качестве входных данных используется массив значений спектра тестируемого ИС. Такое программное обеспечение содержит в себе модель кривой спектральной чувствительности сенсора камеры, усредненной по данным от производителей из большого парка коммерчески доступных моделей камер.

Остановимся подробнее на алгоритме расчета при измерении TLCI. Упрощенная схема процесса показана на рис. 17.

Упрощенная схема процесса измерения и расчета по методике TLCI

Рис. 17. Упрощенная схема процесса измерения и расчета по методике TLCI

На первом этапе процесса происходит вычисление коррелированной цветовой температуры тестируемого ИС, это значение используется для генерации эталонного ИС. В том случае, если цветовая температура меньше 3400 К, используется модель АЧТ. Для температуры тестируемого ИС более 5000 К используется модель естественного дневного света. В промежуточном диапазоне цветовых температур используется смешанная модель, представляющая собой комбинацию спектров АЧТ с температурой 3400 К и дневного света с цветовой температурой 5000 К, с весовыми коэффициентами, обратно пропорциональными расстоянию между значением цветовой температуры тестируемого ИС до граничных значений 3400 и 5000 К соответственно. Использование такого комбинированного ИС в качестве эталонного хорошо моделирует реальные условия съемки под открытым небом, когда объекты освещаются светильниками с ЛН и естественным светом.

Первичный результат обработки возвращает нам значение в диапазоне 0–100, который является собственного базовым TLCI. Так же, как и в случае с ранее рассмотренными метриками, более высокое значение индекса соответствует высокому качеству цветопередачи. Идеальный источник будут иметь максимальное значение индекса TLCI = 100.

На практике большинство ИС, имеющих индекс TLCI в диапазоне от 85 и выше, могут быть использованы в приложениях видеосъемки без дополнительных настроек самой камеры.

Анализ опыта применения ИС, для которых TLCI находится в диапазоне 50–85, показывает, что путем цветовой коррекции видеотракта можно получить приемлемые результаты цветопередачи.

Источники света, для которых значение TLCI лежит ниже 50, принято считать неприемлемыми для использования при профессиональной теле- и видео­съемке.

Как было отмечено выше, основным недостатком метрики CRI является то, что при оценке качества возвращается только одно числовое значение, при этом два ИС, спектр которых может иметь совершенно разную форму, могут иметь одинаковый CRI.

Стандарт TLCI предусматривает протокол, в котором расчитывается большое количество показателей, характеризующих спектр тестируемого источника.

В качестве примера рассмотрим полный отчет TLCI для светодиодного светильника с белым цветом излучения (3200 К), полученным за счет смешения групп красных, зеленых и синих светодиодов (RGB). Для такой комбинации CRI будет иметь достаточно высокое значение (более 90).

Видно, что, помимо расчета собственно TLCI и точного значения цветовой температуры, методика показывает нормированное отклонение цветовых координат рассматриваемого ИС от кривой Планка. Общее значение индекса TLCI в данном случае составляет 48, что говорит о существенных искажениях цветопередачи при использовании ИС с применением такой технологии для освещения объектов цветной видеосъемки.

Сам отчет, приведенный на рис. 18, также содержит таблицу эталонных цветов, центральная область каждого из которых принята за эталон, а окантовка окрашена в цвет, который получается при освещении эталона тестируемым ИС. В данном примере можно отметить существенные искажения для отдельных цветов.

Полный отчет TLCI для СД-светильника с белым цветом излучения

Рис. 18. Полный отчет TLCI для СД-светильника с белым цветом излучения

Важно отметить, что отчет TLCI также содержит таблицу с примерными настройками коррекции для каждого цветового канала тракта передачи изображения, для компенсации искажений, возникающих при применении тестируемого ИС. На данном примере видно, что, в соответствии с методикой TLCI, для данного ИС необходимо внести существенные изменения в настройки оттенка и уровня в цветовых каналах в области сиреневого цвета.

Также, для наглядности, в отчете TLCI приводятся спектры тестируемого и эталонного ИС в виде графиков.

Отчет TLCI для интегрированной матрицы компании Cree Xlamp CXA3590

Рис. 19. Отчет TLCI для интегрированной матрицы компании Cree Xlamp CXA3590

На рис. 19 показан аналогичный отчет TLCI для интегрированной матрицы компании Cree Xlamp CXA3590 с цветовой температурой 5700 К и значением CRI = 80. В этом случае белый свет формируется люминофором, возбуждаемым квазимонохромным излучением синих кристаллов. Эти составляющие видны на графике распределения спектральной плотности мощности ИС, приведенном в составе стандартного отчета TLCI. Согласно таблице отчета, для корректировки цветопередачи рекомендуется внести предыскажения только в канале голубого цвета. В целом, общее значение индекса TLCI для данного ИС является достаточно высоким (91) и позволяет отнести его к классу рекомендуемых для применения в теле- и киноосвещении.

На рис. 20 показан отчет TLCI для специализированной модификации матрицы CXA3590 Studio, спектр которой оптимизирован для высокой цветопередачи при теле- и видеосъемке.

Отчет TLCI для специализированной модификации матрицы CXA3590 Studio

Рис. 20. Отчет TLCI для специализированной модификации матрицы CXA3590 Studio

Видно, что с применением специализированной серии CXA3590 Studio можно достичь достаточно высокого значения TLCI, приемлемого для большинства применений.

В том случае если стоит задача разработки светильника с идеальным (с точки зрения методики TLCI) спектром, то решение на базе матрицы CXA3590 High-CRI или CXA3590 Studio можно дополнить монохромными ИС (красные и зеленые светодиоды), формируя суммарный спектр, форма которого будет максимально приближена к эталонному спектру естественного света (рис. 21).

Пример спектра комбинированного решения светильника

Рис. 21. Пример спектра комбинированного решения светильника

Для рассмотренного выше примера TLCI имеет очень высокое значение (99), и применение такого ИС фактически не требует дополнительных корректировок изображения для качественной цветопередачи.

 

Заключение

Технический прогресс последних десятилетий демонстрирует стремительное развитие светодиодных технологий, которые находят применение в различных сферах — от уличного освещения до освещения телевизионных студий. Одним из преимуществ СД-систем является гибкость в формировании различных форм спектра излучения путем аддитивного смешения различных цветов, что можно использовать для улучшения качества цветопередачи в зависимости от условий конкретного применения. Разнообразие применений и типов источников света, доступных на рынке в настоящее время, требует более совершенных методик оценки качества цветопередачи. На примере различных исполнений светодиодной матрицы Cree Xlamp CXA3590 (или аналога следующего поколения CXB3590 [10]) видно, что современная технология EasyWhite позволяет, используя один продукт, решить задачу оптимизации спектра светильника для достижения высокого качества цветопередачи в различных применениях. По запросу к представителям компании Cree или официальным дистрибьюторам можно получить более подробную консультацию или протоколы отчета для каждой из рассмотренных метрик для светодиодов Xlamp.

Литература
  1. Никифоров С. Реальный цвет и виртуальный его индекс цветопередачи // Полупроводниковая светотехника. 2010. № 2.
  2. Cree.com/cxa3590 /ссылка утеряна/
  3. Шаракшанэ А. Шкалы оценки качества спектрального состава света — CRI и CQS. Цвет, который не освещен, не существует // Полупроводниковая светотехника. 2011. № 11.
  4. ttps://tech.ebu.ch/tlci-2012- ссылка утеряна
  5. https://en.wikipedia.org/wiki/Стандартные источники света /ссылка утеряна/
  6. CIE International Commission on Illumination, Recommendations on Uniform Color Spaces, Color-Difference Equations, Psychometric Color Terms, Supplement No. 2 to CIE Publication No. 15, Colorimetry, 1971 and 1978.
  7. https://en.wikipedia.org/wiki/CIECAM02
  8. cie2.nist.gov/TC1-69/NIST%20CQS%20simulation%207.4.xls /ссылка утеряна/
  9. https://tech.ebu.ch/tlci-2012
  10. www.cree.com/LED-Components-and-Modules/Products/XLamp/Arrays-NonDirectional/XLamp-CXB3590 /ссылка утеряна/

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *