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(lái)，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(kāi)始小范圍應(yīng)用實(shí)踐。超高清具有高分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍、寬色域等特點(diǎn)，這些技術(shù)性發(fā)展對(duì)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(cè)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(huì)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(lái)很灰、不透，說(shuō)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(shuō)明鎢絲燈看起來(lái)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(huì)相應(yīng)加入缺少色彩的熒光粉來(lái)改善，但有些還是會(huì)彌補(bǔ)不到位。如何測(cè)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(píng)價(jià)，但這種測(cè)試方法評(píng)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(cè)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

CRI標(biāo)準(zhǔn)是（CIE，International Commission on Illumination，國(guó)際照明委員會(huì)）于1948年制定的顯色指數(shù)的測(cè)量方法。CRI是針對(duì)人眼確定的，它的測(cè)量值是由規(guī)定的14個(gè)顏色樣品（中國(guó)又加入一種亞洲婦女膚色）在標(biāo)準(zhǔn)光源和待測(cè)光源照射時(shí)產(chǎn)生的色差，計(jì)算出每個(gè)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(gè)CRI顏色樣品。

圖9 15個(gè)CRI顏色樣品（根據(jù)測(cè)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(gè)特殊顯色指數(shù)的平均值，這8個(gè)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(gè)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(duì)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有著很長(zhǎng)的歷史，用它來(lái)評(píng)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(guò)低等問(wèn)題。NIST（National Institute of Standards and Technology，美國(guó)國(guó)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(cè)驗(yàn)色法。CRI選色樣品相對(duì)都是非飽和色，這樣測(cè)驗(yàn)可能會(huì)掩蓋光源對(duì)飽和度更高顏色的顯色性問(wèn)題。CQS選取15個(gè)飽和色，都選自孟塞爾顏色體系，圖10所示為15個(gè)CQS顏色樣品。

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

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

Qi是被測(cè)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(lái)，即使在色樣間存在一些色差，也不會(huì)對(duì)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(gè)CQS值不盡相同。圖11是用光譜輻射計(jì)測(cè)試評(píng)估數(shù)據(jù)分析的軟件界面。

圖11 光譜輻射計(jì)測(cè)試評(píng)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(cè)試

前英國(guó)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(guò)光譜輻射測(cè)試儀對(duì)被測(cè)光源的光譜能量分布進(jìn)行測(cè)試，然后用分析軟件計(jì)算，得到TLCI的測(cè)試結(jié)果。

TLCI評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是由一張色彩對(duì)比圖標(biāo)顯示比對(duì)結(jié)果確定的，測(cè)試卡有24色，測(cè)試的結(jié)果基于每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(gè)色彩表現(xiàn)是指在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的一級(jí)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(cè)試光源的分析軟件界面。

圖12 光譜輻射計(jì)測(cè)試評(píng)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(gè)維度測(cè)試

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

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

圖13 99個(gè)色品的選取（來(lái)源于2015年DOE+IES研討會(huì)）

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

此技術(shù)規(guī)范通過(guò)客觀統(tǒng)計(jì)的方法，通過(guò)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(cè)量。通過(guò)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(gè)色品的光譜反射率計(jì)算函數(shù)，通過(guò)一個(gè)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(cè)試的界面。

圖14 分光輻射照度計(jì)測(cè)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(yǔ)

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(wèn)題，如何客觀量化、評(píng)價(jià)，采用哪種測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)來(lái)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(lái)源于王亞明2018年5月的講座《HDR制作、轉(zhuǎn)換與播出》。