电视照明用LED光源显色性评价标准TLCI解析
时间：2020-04-27 05:25:10 来源：千叶帆 本文已影响人
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【摘 要】在使用显色指数CRI来评价电视用LED光源的色彩还原能力时，由于LED光源的光谱非连续性特点，这种评价 方法产生了一些问题；特别是对于采用彩色光源混成的白光照明环境，由于光谱与摄像机的感光芯片不匹配， 表现出色彩还原的偏差。欧洲的TLCI（电视光源一致性参数）标准是一项专门针对电视行业的显色性标准。 本文比对CRI， 对TLCI标准做简单解析。
【关键词】TLCI；CRI；LED；显色性评价标准；光谱；摄像机
文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2015.02.001
【Abstract】Because the LED spectrum has discontinuous feature， there are some problems when we use Color Rendering Index （CRI） to evaluate the color rendition capability of LED used in TV Lighting. Especially when the white lighting condition is mixed by color light source， the color rendering property is bad， because the spectrum mismatch the light sensitized chip. European TLCI criterion is a special color rendering evaluation criterion in the field of TV. The author briefly analyzed TLCI criterion， with the contrast of TLCI and CRI.
【Key Words】TLCI； CRI； LED； evaluation criterion for LED color rendering property； spectrum； TV camera
1 TLCI标准的产生
国际照明委员会（CIE）对显色性的定义是：与标准的参考光源相比较，一种光源对物体颜色外貌所产生的效果。许多年以来，人们一直用显色指数CRI（Color Rendering Index）作为评判光源对真实色彩还原的能力。CRI是针对人的眼睛来确定的，是一种光源与标准光源相比较之下，在颜色辨认方面的测量方式。它目前仍是一种得到普遍认可的度量光源显色能力的标准。在这个评价体系中，钨丝灯的CRI表现最好，几乎可达到100，其他光源由于光谱的不连续性，CRI都比钨丝灯的低。
近几年，在电影电视拍摄的照明环境中，LED光源的使用已经非常普遍。由于LED光源发光原理和光谱分布的特殊性，有时候，CRI指数很高的光源，在电影电视的拍摄环境下使用时，也会因光谱成分与摄像机的感光芯片彩色特性的不匹配，表现出输出画面颜色上的偏差。这些偏差虽然可通过后期调色的办法来加以适度校正，但通常耗费大量的时间和成本，结果往往也不尽如人意。
因此，这就需要一个新的度量标准，不仅能够正确反映人眼对光源光色的感知程度，还要能反映摄像机对光色的接收和色彩的还原程度。为此，前英国广播公司（BBC）工程师、光学专家罗伯特（Alan Roberts）先生与欧洲广播联盟（European Broadcasting Union，缩写为EBU）一起合作，于2011年11月提出了电视光源一致性参数（Television Lighting Consistency Index，缩写为TLCI），命名为TLCI-2012。它是通过光谱辐射测试仪对被测光源的光谱能量分布进行测试，然后用分析软件计算，得到TLCI的测试结果。
2 TLCI标准主要内容
TLCI-2012是欧洲广播联盟公布的向灯光生产企业和电影电视制作单位推荐的一项标准，还不是一项国际上通用的技术标准。此标准是在英国广播公司电视台的大力支持和积极推动下建立和完善的，目前已经成为最为业界接受和通用的一项标准。它是一项评估演播室灯光色彩表现质量的标准。
TLCI是用光谱辐射计对一个光源发出的光谱能量分布进行测量和计算的。它通过数据分析，用0至100的数值来表示光源在电视照明环境中色彩还原的表现程度。数值的意义与CRI基本一致，但是也有很大的不同。对于CRI来说，一个光源的显色指数大于等于85，就认为适合于电视拍摄；而TLCI-2012的数值是分得更加细致，详细见表1。
众所周知，CRI的测量值是由规定的14块颜色样品在被测光源下呈现的外貌与它们在标准的参考光源下呈现的外貌之间的差异来决定的。这些样品都选自孟塞尔颜色样品。如图1展示了14块标准CRI颜色样品，前8块通常用来测定一般显色指数Ra（通常人们提到的CRI值就是指一般显色指数），选取的TCS01～TCS08具有中等饱和度与大致相同的明度，并且颜色范围涵盖了整个可见光谱。最后6块是特殊颜色样品，TCS09～TCS14很少使用，它们中除了有模仿欧洲人肤色与树叶绿色外，还包括了饱和度更高的原色。
TLCI标准的测试与CRI有些类似，是由一张色彩对比图标显示比对结果确定的，如图2所示。TLCI的测试色块有24个，测试的结果基于每个标准对比色块在标准光源（标准光源是指色度和色温都落在普朗克曲线的光源）的照射下，由电视摄像机输出端画面得到的色彩表现。此色彩表现是指在一个标准的一级高清电视监视器上可以看到的色彩表现。
TLCI标准的测试结果图中会在每个测试色块的中心插入一个小色块。这个小色块就是被测试的光源在同样的测试环境下，在摄影机监视器上的色彩表现。在测试的时候，摄影机对每种颜色都分别做过颜色平衡，所以灰度级是准确的。图3和图4是对两个不同光源测试的结果图，明显看出第一个光源的TLCI测试结果要低于第二个光源。其中图3测试的是市场上随机抽测的一款白光LED聚光灯，图4测试的是一只阿莱（ARRI）L7-C聚光灯。
图5所示为一个包含TLCI完整数据的测试结果图表。除了色块图，测试结果中还包括色彩校正建议表和光谱能量分布图等内容。图顶端文字第一行描述的是被测光源的名称和它的相关色温值（CCT）。括号里的数值“-0.6”是指此光源色温值偏离标准色温曲线的偏差值，“+”表示偏向品红色方向一边，“-”表示偏向绿色方向一边。当偏差数值大于1的时候，实际测试意义就不大了。第二行的红色文字表示的是TLCI测试结果数值，此光源的测试结果值是90。
图5右侧的色彩校正建议表给出了图像后期色彩校正的方向和程度，对12个不同的颜色区域（sector），根据程度的不同标注了“+”和“-”，“+”表示增强，“-”表示向减弱，“+”“-”号的多少表示程度的强弱。每个颜色区域，标出了明度（lightness）、色度（chroma）和色调（hue，亦译为色相）三个参数的校正建议。例如：第一行“红（R）”和第二行“红/黄（R/Y）”三个参数都不需要校正。第三行“黄（Y）”亮度和色调不需要校正，色度需要少许的减弱。第六行“绿/青（G/C）”亮度不需校正，色度需要少许减弱，色调需要较大程度的增加。在图5中我们看到该测试光源的TLCI值为90，按照表1的要求已经达到播出标准，但测试结果是按照TLCI值达到100的要求，因此，仍给出了色彩校正建议。
TLCI完整数据的测试结果图表中右下角标注的是被测光源的可见光区域（波长380 nm～750 nm）光谱能量分布图。图中浅蓝色曲线为阳光的光谱曲线。
3 TLCI与CRI测试结果比较
通过上面的分析，不难看出，TLCI与CRI的测试的目的和方法是不太一样的，TLCI针对的是摄像机，而CRI针对的是人的眼睛。但它们都用数字0至100的数值来表示光源的色彩表现能力。两者之间的关系又是怎样的呢？下面，把光源的两个数值比较一下就更明确了。
图6所示的是被测试光源的TLCI和CRI测试结果关系图，每个黑点代表一个光源测试结果的坐标位置，横坐标对应数值为CRI值，纵坐标为TLCI值。
从中我们可以看出，两者并不一定呈线性关系。也就是说，CRI值高的光源，TLCI值不一定高。
图6中，粉红的柱状的右边表示的是CRI值高于80的光源，这些光源中，TLCI值有高有低。从使用体验来看，就是肉眼看上去显色性高的光，它在摄像机镜头中的显色性表现有好有坏。
笔者选取4个不同光源的测试结果点进行说明： A点表征的光源，其CRI值是92，但是TLCI值只有50，表示这个光源在肉眼看来，对色彩的还原度很好，但是在摄像机的输出端，对颜色的还原度较差，这是一个不适合演播使用的光源；B点的CRI和TLCI值都高于90，这是一个肉眼看来和摄影机输出都有很好色彩表现的光源，也适用于演播环境；C点的CRI值是70但TLCI值为90，说明它肉眼下看来色彩还原度一般，但是适合摄像机使用；D点表征的是一个CRI和TLCI都低于50的光源，它在肉眼观察下和摄像机输出端的色彩还原度都很差，是一个不适于摄像环境使用的光源。
究其原因，问题在于CRI的测试和计算是基于人眼对颜色的分辨能力，而TLCI的计算也参考了摄像机对颜色的分辨能力。两者对颜色的分辨原理相似，但有所差别。图7、图8所示分别是人眼对颜色的敏感度曲线和一般电视摄像机对颜色的敏感度曲线。两者敏感的波峰并不完全重合。
在这种情况下，在人眼中显示出的颜色可能与在摄像机输出端显示的颜色不一样。同样，在人眼中看起来一样的5 600 K色温的白光，在摄像机镜头中，对色彩的还原能力相差甚至很大。因为LED光源得到白光的方法不同，所得白光的光谱可能差别很大，图9所示是一个传统的RGB混合产生白光LED的光谱图。
这种RGB混合的白光光谱与图10所示的传统钨丝灯的白光光谱差别很大。前者是一个连续性很差的光谱。它的TLCI值只有20，CRI值是75，是不能满足摄像机要求的。但是，如果灯具生产企业通过一定的技术手段改变其光谱组成，提高TLCI值，也是能够达到摄像机要求的。
因此，为了得到更好的TLCI值，各LED灯具生产企业也在采用不同的办法，通过精心设计，期望得到光谱分布更好、更适合于演播室播出环境的LED灯具。
4 结束语
如何选择高质量的适合电影电视照明环境的LED灯具，需要实践去验证，也需要标准的规范。作为目前最为业界关注和接受的一项通用技术标准，TLCI-2012反映了电视摄像机对照明环境的要求，为生产和使用LED灯具奠定了科学基础，它的应用必将提高LED光源在影视照明中的应用水平。
参考文献：
[1] Alan Roberts， Practical Spectroradiometry- An introduction for users of the Television Lighting Consistency Index， http：//www.gtc.org.uk/media/fm/Zerb%20articles/TLCI_web.pdf[2] Florian Bloch， Lighing Product Introduction by ARRI product management，
ARRI 中国开放日技术交流活动文集， 2014.10.
作者简介：
刘思南，光电子与固体电子学硕士，现任阿诺莱德中国（ARRI China）灯光产品经理，曾任欧司朗中国特殊光源部技术支持专家，中芯国际逻辑技术研发部研发工程师。
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