淺談超高清演播室LED光源顯色性測試方法

馬文龍，張海東，史 蕾

（深圳廣播電影電視集團(tuán)，廣東 深圳 518055）

近年來，超高清電視制作快速發(fā)展，4K在各大電視媒體得到普及，8K也開始小范圍應(yīng)用實(shí)踐。超高清具有高分辨率、高動態(tài)范圍、寬色域等特點(diǎn)，這些技術(shù)性發(fā)展對演播室燈具的選擇、布光、調(diào)光提出新的要求。本文主要從超高清的寬色域、超高清演播室LED光源顯色性測試方法等方面進(jìn)行探討。

1 超高清圖像寬色域

色域（Color Gamut）是指某種設(shè)備所能表達(dá)的顏色數(shù)量所構(gòu)成的范圍區(qū)域。超高清的色域從BT.709（高清色域范圍標(biāo)準(zhǔn)）到BT.2020（4K色域范圍標(biāo)準(zhǔn)）（圖1①），Rec.2020覆蓋了75.8%的CIE 1931色彩空間，Rec.709色域所占面積僅僅覆蓋了35.9%（圖2）。因此，超高清圖像色彩層次更豐富，色彩飽和度更好。這些色域的變化相應(yīng)要求電視光源色彩還原自然、逼真、純正。

圖2 UHD TV VS HD TV色域

2 色彩還原與光譜

圖像畫面色彩還原的好壞，由演播室光源的光譜決定。光源光譜分為連續(xù)性光譜（或叫全光譜）和非連續(xù)性光譜。連續(xù)性光譜可以提供較佳的顯色品質(zhì)，色彩還原較好；非連續(xù)性光譜，光譜中某種色譜很少或缺失，顯色性較差，色彩還原會偏色或失色。例如，晚上街道照明的LED燈，光很亮也很白，但人臉看起來很灰、不透，說明它的顯色性差，一定是非連續(xù)性光譜。再比如，演播室的鎢絲燈照射下，光看上去偏紅偏黃，經(jīng)攝像機(jī)校正白平衡后，被攝景物的顏色卻還原比較真實(shí)、自然，這說明鎢絲燈看起來發(fā)黃，但顯色性很好，它的光譜就是連續(xù)性光譜。圖3～圖8是不同光源的光譜。

圖3 日光光譜

圖8 R+G+B LED光譜

圖4 鎢絲燈光譜

圖5 三基色燈光譜

圖6 鏑燈光譜

圖7 藍(lán)色LED+熒光粉光譜

3 如何選擇高顯色性的LED白光燈

白光LED作為新型光源，因其發(fā)光效率高、耗能低、發(fā)熱低等原因，目前普遍應(yīng)用在電視演播室。但白光LED是非連續(xù)性光譜，為了使光譜平坦，燈光廠家會相應(yīng)加入缺少色彩的熒光粉來改善，但有些還是會彌補(bǔ)不到位。如何測量白光LED顯色性的高低？目前基本采用CRI（Color Rendering Index）標(biāo)準(zhǔn)的Ra+R9和光譜評價(jià)，但這種測試方法評價(jià)演播室LED光源的顯色性是否適當(dāng)，是否適用于白光LED光源？以下介紹幾種測試方法，探討哪種方法準(zhǔn)確度更高。

3.1 CRI標(biāo)準(zhǔn)（Ra、R9）——常規(guī)測試標(biāo)準(zhǔn)

CRI標(biāo)準(zhǔn)是（CIE，International Commission on Illumination，國際照明委員會）于1948年制定的顯色指數(shù)的測量方法。CRI是針對人眼確定的，它的測量值是由規(guī)定的14個顏色樣品（中國又加入一種亞洲婦女膚色）在標(biāo)準(zhǔn)光源和待測光源照射時(shí)產(chǎn)生的色差，計(jì)算出每個樣品的顯色指數(shù)。顏色樣品都選自孟塞爾顏色體系，圖9所示為15個CRI顏色樣品。

圖9 15個CRI顏色樣品（根據(jù)測試設(shè)備色標(biāo)自己繪制）

綜合顯色指數(shù)Ra（R1～R8）是前8個特殊顯色指數(shù)的平均值，這8個顏色都是三原色的混合色，具有中等飽和度及大致相同的明度。Ra值越大，顯色性越好，最高數(shù)值為100。

白光LED出現(xiàn)后，R9（飽和紅色）成為衡量白光LED顯色性的一個重要指標(biāo)。超高清圖像需要真實(shí)再現(xiàn)皮膚顏色以及對蔬菜、花卉的紅色的還原，R9色品質(zhì)量具有不可取代的作用。

3.2 CQS（Qa）修正CRI

CRI測試標(biāo)準(zhǔn)有著很長的歷史，用它來評價(jià)新型光源LED白光燈時(shí)，存在色空間不均勻、采樣色品少、飽和度過低等問題。NIST（National Institute of Standards and Technology，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所）給出一種新的方法——色質(zhì)指數(shù)（CQS，Color Quality Scale）。

與CRI類似，CQS也采用測驗(yàn)色法。CRI選色樣品相對都是非飽和色，這樣測驗(yàn)可能會掩蓋光源對飽和度更高顏色的顯色性問題。CQS選取15個飽和色，都選自孟塞爾顏色體系，圖10所示為15個CQS顏色樣品。

圖10 15個CQS顏色樣品（根據(jù)測試設(shè)備色標(biāo)自己繪制）

Qa是15個顏色樣品數(shù)據(jù)的均方根值，即將n個值的平方和除以n后再開方的結(jié)果，取算術(shù)平均值之前，先對每個數(shù)據(jù)進(jìn)行開方。公式如下：

Qi是被測光源與參考光源照射同一套標(biāo)準(zhǔn)色樣的色差，i取1～15。

這樣一來，即使在色樣間存在一些色差，也不會對最終結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。Qf（fidelity）完全依照顯色性的顏色還原性這一定義，未剔除此類色差，Qp（preference）則從偏好度角度考慮。因此，三個CQS值不盡相同。圖11是用光譜輻射計(jì)測試評估數(shù)據(jù)分析的軟件界面。

圖11 光譜輻射計(jì)測試評估數(shù)據(jù)分析

3.3 TLCI標(biāo)準(zhǔn)——數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍攝、標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)視器測試

前英國廣播公司BBC的工程師、光學(xué)專家羅伯特（AlanRoberts）先生與歐洲廣播聯(lián)盟（EBU，European Broadcasting Union）合作，于2011年提出電視光源一致性參數(shù)（TLCI，Television Lighting Consistency Index）,命名為TLCI-2012。它是通過光譜輻射測試儀對被測光源的光譜能量分布進(jìn)行測試，然后用分析軟件計(jì)算，得到TLCI的測試結(jié)果。

TLCI評測標(biāo)準(zhǔn)是由一張色彩對比圖標(biāo)顯示比對結(jié)果確定的，測試卡有24色，測試的結(jié)果基于每個標(biāo)準(zhǔn)對比色塊在標(biāo)準(zhǔn)光源（標(biāo)準(zhǔn)光源是指色度和色溫都落在普朗克曲線的光源）的照射下，由電視攝像機(jī)輸出端畫面得到的色彩表現(xiàn)。這個色彩表現(xiàn)是指在一個標(biāo)準(zhǔn)的一級高清電視監(jiān)視器上可以看到的色彩表現(xiàn)。圖12是光譜輻射計(jì)測試光源的分析軟件界面。

圖12 光譜輻射計(jì)測試評估數(shù)據(jù)分析

3.4 TM-30-15標(biāo)準(zhǔn)——保真度指數(shù)（Rf）和色域指數(shù)（Rg）兩個維度測試

北美照明工程學(xué)會（IES，Illumination Engineering Society）下屬的顏色委員會，在2015年提出新的光源顯色評價(jià)方法——TM-30-15。

TM-30-15采用99個標(biāo)準(zhǔn)色測試，這99色不是選自孟塞爾顏色體系，而是從自然界105 000個物體的顏色中仔細(xì)選取，代表生活中常見的各種顏色（從飽和到不飽和、從亮到暗），圖13還原99個色品的選取。

圖13 99個色品的選取（來源于2015年DOE+IES研討會）

TM-30-15提供兩個測量結(jié)果。第一個度量指數(shù)是保真度指數(shù)（Fidelity Index）Rf，Rf與CRI所測的Ra相似，但不等同。Rf是一個表明保真度0～100的數(shù)值，反映被測光源比較參照標(biāo)準(zhǔn)光源對人眼所呈現(xiàn)的顯色效果。第二個度量指數(shù)是色域指數(shù)Rg，它提供一種被測試光源相對于參照光源所做的色域測量值，用于評價(jià)被不正確呈現(xiàn)的顏色是過飽和還是欠飽和。Rg為100表示顯示正確，大于100表示過飽和，低于100則表示欠飽和。

此技術(shù)規(guī)范通過客觀統(tǒng)計(jì)的方法，通過量化色度（接近參照點(diǎn)）和色飽和度（濃度的遞增或減少），描述光源顯色性的測量。通過產(chǎn)生的顏色坐標(biāo)圖，顯示色彩和濃度變化的平均值。

標(biāo)準(zhǔn)提供了Rf和Rg的計(jì)算公式，包括99個色品的光譜反射率計(jì)算函數(shù)，通過一個軟件工具輔助計(jì)算和顯示結(jié)果。圖14為分光輻射照度計(jì)測試的界面。

圖14 分光輻射照度計(jì)測試數(shù)據(jù)分析表

Rf計(jì)算公式如下：

Rg計(jì)算公式如下：

4 結(jié)語

超高清電視制作圖像要求色彩還原自然，人物膚色正常、舒服，色彩飽和度好。目前大量選用的白光LED燈具還存在一些光“質(zhì)”問題，如何客觀量化、評價(jià)，采用哪種測量標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)來驗(yàn)證和考量，還需要業(yè)內(nèi)人士進(jìn)一步探討、思考和研究。

注釋：

①圖1及圖2來源于王亞明2018年5月的講座《HDR制作、轉(zhuǎn)換與播出》。