Wskaźnik oddawania barw źródeł światła

Wraz z rozpoczęciem projektowania i produkcji lamp elektrycznych kluczową kwestią, z punktu widzenia techniki i nauki, okazała się ocena jakości oddawania barw. Uważa się, że oddawanie kolorów oświetlanych obiektów i ich otoczenia będzie „naturalne”, porównywalne z ich kolorami, gdy oświetlone są światłem przyjętym za odniesieniowe. Zapewnienie dobrego oddawania barw związane jest tak z wydolnością wzrokową jak i z wygodą widzenia. Może być związane także z bezpieczeństwem. Właściwości oddawania barw przez źródła światła charakteryzowane są wartością ogólnego wskaźnika oddawania barw. Wymagania oświetleniowe dotyczące wskaźnika oddawania barw różnicuje się w zależności od rodzaju pomieszczenia lub charakteru wykonywanych czynności.

Przez wiele lat oddawanie barw źródeł światła określane było za pomocą wskaźnika CRI. Jednak parametry służące do oceny jakości barwnej podlegają ciągłemu rozwojowi i ulepszaniu. Konieczne było dostarczenie informacji uzupełniających określających zdolność oddawania barw dowolnego źródła światła oraz ulepszenie miary wskaźnika wierności koloru.

W najnowszym dokumencie opublikowanym w kwietniu 2017 r. przez Międzynarodową Komisję Oświetleniową CIE jako Raport Techniczny 224: 2017 zatytułowany „Colour Fidelity Index for accurate scientific use”, po uzyskaniu akceptacji międzynarodowej, opisany został wskaźnik wierności barwy R_f. Nowy wskaźnik wierności barwy CIE R_f nie zastępuje wskaźnika CIE R_a, a jest dodatkowym parametrem w specyfikacjach źródeł światła. Opisany wskaźnik, w przeciwieństwie do używanego od lat CRI, uwzględnia specyfikę półprzewodnikowych źródeł światła jako źródeł światła białego [1, 2, 4].

Wskaźnik wierności barwy Rf

Raport Techniczny CIE 224: 2017 jest raportem badawczym, opisującym ogólny wskaźnik wierności barwy R_f jako naukowo dokładną miarę wierności oddawania barwy adekwatną do źródła światła odniesienia. Opisany wskaźnik został oparty na wskaźniku opisanym przez Illuminating Engineering Society of North America, zdefiniowanym w TM-30-15.

Wskaźnik wierności barwy R_f rozwiązuje ograniczenia wskaźnika oddawania barw CRI zdefiniowanego w CIE 13.3-1995. Dotyczy się to w szczególności półprzewodnikowych źródeł światła, dla których używanie wskaźnika CRI dostarcza niedokładne wyniki w zakresie wierności oddawania barw oraz w przypadku barw powiązanych wykraczających poza miarę wierności [1, 3, 5, 6].

 Opis algorytmu

Ogólny przebieg obliczeń wskaźnika CIE R_f podobny jest do metody obliczania wskaźnika CRI. Omawiany wskaźnik wierności barwy obliczany jest jako przeskalowana miara średniej różnicy w wyglądzie barwy 99 próbek barwnych IES (TCS) oświetlonych przez źródło światła odniesienia oraz przez określone oświetlenie referencyjne. Różnice w wyglądzie kolorów określa się w znacznie bardziej jednorodnej, w porównaniu do użytej w metodzie CRI, przestrzeni barw CAM02-UCS. Referencyjnym źródłem światła, stosowanym w metodzie CIE R_f, w zależności od temperatury barwowej przyjmuje się: promiennik Plancka (dla temperatur poniżej 4500 K), iluminat D55 (dla temperatur powyżej 5000K) lub rozkład widmowy źródła światła, będący liniową kombinacją rozkładu widmowego promiennika Plancka i światła dziennego (dla temperatur w zakresie od 4500 K do 5000 K). Następnie ponowne skalowanie odbywa się za pomocą funkcji logarytmicznej, która zapewnia, że wszystkie wartości mieszczą się w zakresie od 0 do 100, i że średnia wartość wskaźnika wierności barwy R_f wybranego zestawu widm źródła światła jest taka sama jak ich średnia wartość na podstawie wskaźnika oddawania barw CIE R_a. Jednak nie oznacza to, że wszystkie wartości wskaźnika CIE R_f mają być równe wartościom wskaźnika CIE R_a. Współczynnik ten wyznaczono na podstawie zbioru 187 wybranych, komercyjnie dostępnych źródeł światła przedstawionych w dokumencie TM-30-15. Współczynnik wskaźnika wierności barwy obliczany jest z następującej zależności

Wskaźnik CIE R_f nie jest w stanie zastąpić wskaźnika oddawania barw CIE R_a z uwagi na to, że nie jest w nim brana pod uwagę ocena użytkowników, na którą wpływają czynniki wykraczające poza miarę wierności oddawania barw. W związku z tym powołując się jedynie na wyniki otrzymane dla wskaźnika CIE R_f nie jesteśmy w stanie określić spełnienia przez źródło wszystkich wymagań [1, 3, 5, 6].

 Schematyczny opis algorytmu

Zmiany wprowadzone w ocenie jakości oddawania barw wskaźników CIE

Oceny jakości koloru dokonuje się stosując do tego odpowiednie miary (wskaźniki). Większość z nich opiera swoje kryterium oceny na określeniu różnic występujących w wyglądzie testowych próbek barwnych oświetlonych przez źródło odniesienia i lampę, którą następnie poddajemy ocenie. Na przestrzeni wielu lat miarą, na podstawie której określano jakość barwną światła, był wskaźnik CIE R_a. Wyznaczono dla niego zarówno zakresy oceniające jakość oddawania barw, jak i zalecenia co do miejsca zastosowania. Wprowadzono jednak wskaźnik CIE R_f dostarczający jeszcze dokładniejsze informacje, pozwalające bardziej szczegółowo określić jakość barwną źródła.

W metodzie CIE R_a obliczenia wykonywane były na podstawie 8 próbek barwnych. Natomiast dla wskaźnika CIE R_f liczbę tą zmieniono na 99 próbek barwnych, które zostały równomiernie rozłożone – zarówno pod względem nasycenia, jak i jasności – w przestrzeni barw.

Równie znaczącą zmianą jest także wprowadzenie nowego referencyjnego źródła światła. Wskaźnik CIE R_a, dla temperatur mniejszych niż 5000K, za źródło wzorcowe przyjmuje promiennik Plancka, natomiast dla pozostałych temperatur matematyczny model rozkładu widmowego światła dziennego. Lepiej skorelowaną temperaturę barwową wykazuje natomiast druga metoda, która dla barw poniżej 4500K przyjmuje promiennik Plancka, powyżej 5000K – iluminat D55, a w przedziale 4500-5000K jest kombinacją liniową uśrednionego wyniku z rozkładów widmowych promiennika Plancka i światła dziennego. Zmiana tych zakresów okazała się znacząca, ponieważ eliminuje niedoskonałości wprowadzane przez metodę CIE R_a oraz umożliwia miarodajną ocenę źródeł światła dla pełnego zakresu temperatur barwowych [1, 3, 7].

Podsumowanie

Stosowanie wskaźnika CIE R_f nie jest jeszcze powszechnie wymagane i nadal prowadzone są badania skuteczności tej metody pod kątem różnych źródeł światła. Nie zaprezentowano jeszcze także nowych zakresów ani zaleceń, do których projektanci oświetlenia mogliby się odnosić. Przedmiotem prowadzonych w przyszłości badań ma być możliwość zastąpienia wskaźnika CRI przez wskaźnik wierności barwy CIE R_f. Planowane jest opracowanie nowych miar oceny jakości oddawania barw oraz określenie praktycznych aspektów dla producentów oraz użytkowników końcowych [1, 5].

Liczne badania oraz obserwacje dowiodły jednak, że ocena barwy jedynie przy pomocy wskaźnika oddawania barw, jest niejednoznaczna oraz niewystarczająca dla użytkowników końcowych. Pojawienie się na rynku nowych źródeł światła (np. półprzewodnikowych) uwydatniło  ograniczenia zastosowania wskaźnika R_a, ze względu na jego niewłaściwe wykorzystanie przez producentów oświetlenia. Wskaźnik oparty tylko i wyłącznie na porównaniu podobieństwa w oddawaniu barw w stosunku do wzorca przekazuje zbyt mało informacji, aby był wystarczającą miarą oceny jakości oświetlenia [1,3,7].

Bibliografia

-I. Fryc, J. Kowalska; Jakość oddawania barw współczesnych lamp fluorescencyjnych określona zdefiniowanym przez CIE wskaźnikiem wierności barwy oraz wskaźnikiem oddawania barw. XXVIII Krajowa Konferencja Oświetleniowa TECHNIKA ŚWIETLNA 2019. Warszawa, 6-7 czerwca 2019, 127-134
– P. Pracki; Projektowanie oświetlenia wnętrz. Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2011
-I. Fryc, J. Kowalska; Wskaźnik oddawania barw R_a a wskaźnik wierności barwy R_f – analiza jakości światła iluminatów CIE F ocenianych według metody IES TM-30-15 oraz CIE 13.3 i CIE 224. Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej, ISSN 2353-1290, Nr 59/2018
– http://cie.co.at/publications/cie-2017-colour-fidelity-index-accurate-scientific-use
-https://www.nsvv.nl/publicaties/cie-2242017/