Ein Farbwiedergabeindex (CRI) ist ein quantitatives Maß für die Fähigkeit einer Lichtquelle, die Farben verschiedener Objekte getreulich im Vergleich zu einer idealen oder natürlichen Lichtquelle zu zeigen. Lichtquellen mit einem hohen CRI sind in farbkritischen Anwendungen wie der Neonatologie und der Kunstsanierung wünschenswert. Es wird von der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE) wie folgt definiert:

Farbwiedergabe: Effekt eines Leuchtmittels auf das Farbsehen von Objekten durch bewussten oder unterbewussten Vergleich mit ihrer Farbdarstellung unter einem Referenzlicht

Der CRI einer Lichtquelle zeigt nicht die scheinbare Farbe der Lichtquelle an; Diese Information wird durch die korrelierte Farbtemperatur (CCT) gegeben. Der CRI wird durch das Spektrum der Lichtquelle bestimmt. Die Bilder rechts zeigen das kontinuierliche Spektrum einer Glühlampe und das diskrete Linienspektrum einer Leuchtstofflampe; die frühere Lampe hat den höheren CRI.

Der Wert, der oft als „CRI“ auf kommerziell erhältlichen Beleuchtungsprodukten angegeben wird, wird richtigerweise der CIE Ra-Wert genannt, wobei „CRI“ ein allgemeiner Ausdruck ist und CIE Ra der internationale Standard-Farbwiedergabeindex ist.

Numerisch ist der höchstmögliche CIE Ra-Wert 100 und würde nur einer Quelle, die mit standardisiertem Tageslicht identisch ist, oder einem schwarzen Körper (Glühlampen sind effektiv schwarze Körper) gegeben werden, die für einige Lichtquellen auf negative Werte fallen. Niederdruck-Natrium-Beleuchtung hat negative CRI; fluoreszierende Lichter reichen von etwa 50 für die Grundtypen bis zu etwa 98 für den besten Multi-Phosphor-Typ. Typische LEDs haben über 80 CRI, während einige Hersteller behaupten, dass ihre LEDs bis zu 98 CRI erreicht haben.

Die Fähigkeit von CIE Ra, das Auftreten von Farben vorherzusagen, wurde zugunsten von Maßnahmen kritisiert, die auf Modellen zur Farbdarstellung wie CIECAM02 und für Tageslicht-Simulatoren, dem CIE Metamerism Index, basieren. CRI ist kein guter Indikator für die visuelle Beurteilung, insbesondere für Quellen unter 5000 Kelvin (K). Eine neuere Version des CRI, R96, wurde entwickelt, hat jedoch den bekannteren allgemeinen Farbwiedergabeindex Ra nicht ersetzt.

Geschichte
Forscher nutzen Tageslicht als Maßstab, um die Farbwiedergabe von elektrischen Lichtern zu vergleichen. Im Jahr 1948 beschrieb Bouma das Tageslicht als ideale Lichtquelle für eine gute Farbwiedergabe, weil „es (Tageslicht) (1) eine große Vielfalt an Farben zeigt, (2) die Unterscheidung leichter Farbtöne leicht macht und (3) die die Farben der Objekte um uns herum sehen natürlich natürlich aus. “

Um die Mitte des 20. Jahrhunderts bemühten sich Farbwissenschaftler, die Fähigkeit künstlicher Lichter zur genauen Farbwiedergabe zu beurteilen. Europäische Forscher versuchten, Leuchtkörper durch Messung der spektralen Leistungsverteilung (SPD) in „repräsentativen“ Spektralbereichen zu beschreiben, während ihre nordamerikanischen Kollegen den kolorimetrischen Effekt der Leuchtstoffe auf Referenzobjekte untersuchten.

Die CIE versammelte ein Komitee, um die Angelegenheit zu untersuchen, und akzeptierte den Vorschlag, den letzteren Ansatz, der den Vorteil hat, keine Spektrophotometrie zu benötigen, mit einer Reihe von Munsell-Proben zu verwenden. Acht Proben mit variierendem Farbton würden abwechselnd mit zwei Leuchtmitteln beleuchtet und die Farbdarstellung verglichen. Da zu dieser Zeit noch kein Farbdarstellungsmodell existierte, wurde entschieden, die Bewertung auf Farbunterschiede in einem geeigneten Farbraum, CIEUVW, zu stützen. 1931 nahm die CIE das erste formale System der Farbmetrik an, das auf der trichromatischen Natur des menschlichen Sehsystems basiert. CRI basiert auf diesem System der Kolorimetrie.

Um das Problem zu lösen, Lichtquellen verschiedener korrelierter Farbtemperaturen (CCT) vergleichen zu müssen, entschied sich die CIE für die Verwendung eines Referenzschwarzkörpers mit der gleichen Farbtemperatur für Lampen mit einer CCT unter 5000 K oder einer Phase des CIE-Standards ansonsten D (Tageslicht). Dies stellte eine kontinuierliche Palette von Farbtemperaturen dar, um eine Referenz aus zu wählen. Jegliche Farbartdifferenz zwischen den Quellen- und Bezugsleuchtmitteln sollte mit einer chromatischen Adaptationstransformation von von Kries reduziert werden.

Prinzip
Das bunte Erscheinungsbild einer beleuchteten Fläche hängt von ihren physikalischen Eigenschaften, dem Licht, das sie beleuchtet, und dem Hauptlicht aus der Sicht des Betrachters ab. Der Lichtdesigner und der Dekorateur spielen mit all diesen Effekten: Das Licht einer Glühlampe wird im Licht des Tages vergoldet, der von einem Fenster kommt; Auf einer Bühne färbt eine graue Fläche mit einem Farbprojektor. Es ist daher schwierig, absolut zwei Lichtquellen zu vergleichen.

Um das Problem zu vereinfachen, stimmen wir zu, dass die Quellen die Hauptlichter sind. Eine durch ein Pigment gefärbte Oberfläche kann durch ihr Absorptionsspektrum beschrieben werden, das für jede Wellenlänge den Anteil an Licht angibt, den sie zurückgibt. So erscheint eine Oberfläche, die viel mehr blau und grün als rot absorbiert, rötlich, verglichen mit einer weißen Oberfläche oder neutralem Grau, das ebenfalls alle Wellenlängen reflektiert. Dieses rötliche Gefühl bleibt bestehen, obwohl das Licht, das es beleuchtet, in Blau und Grün verstärkt ist, solange die rötliche Oberfläche nur einen kleinen Teil des Gesichtsfeldes einnimmt. Infolgedessen scheint Farbe an Objekten zu haften, während das Licht, das zum Auge kommt, anders ist.

Die Fähigkeit, zwei Farben zu unterscheiden, hängt von der Menge an Licht ab, die sie in den Bereichen des sichtbaren Spektrums beleuchtet, die sie charakterisieren. So erscheint ein blasses Blau mit einer Mischung aus Ultramarin und Weiß im Licht einer Kerze grau. Das Licht der Kerze enthält eine vernachlässigbare Menge an blauem Licht. Übersee kommt nur blau zurück. Es verhält sich im Licht der Kerze wie schwarz. Dieser Effekt ist der Hauptunterschied zwischen zwei Lichtquellen. Je mehr sich die Farbtemperatur der des Tageslichts annähert, desto mehr können wir Schattierungen im Blau unterscheiden.

Das Problem wird durch fluoreszenzbasierte Lichtquellen kompliziert. Sie beleuchten eine weiße Fläche, die auch Licht aller sichtbaren Wellenlängen reflektiert, und gleichen die blauen, grünen und roten Bereiche des Spektrums aus, so dass diese Fläche im Vergleich zu der des Tages hell erscheint. Aber das Detail ihres Spektrums ist anders, so dass zwei Farben, die unter dem gleichen Licht ähnlich sind, jetzt anders aussehen. Das nennen Spezialisten ein Metamerieproblem.

Ein Vergleich der Leistung zweier Lichter mit der Arbeit mit Farben beinhaltet daher den Vergleich mehrerer farbiger Oberflächen. Die Wahl der Absorptionseigenschaften ist entscheidend. Da zwei verschiedene Spektren die gleiche Farbe erzeugen können, müssen wir ihr Spektrum definieren, nicht nur ihre Farbmetrik. Einige Pigmente ergeben Spektren mit stärker ausgeprägten, aber schmaleren Zonen, die die gleiche Farbe ergeben. Die Auswahl der Probenspektren musste Gegenstand vieler Experimente sein, so dass der Index der Benutzererfahrung nicht zu sehr widerspricht.

Die Farbtemperatur ist der Hauptaspekt der Unterschiede zwischen den Leuchtmitteln, der Index wird in Bezug auf eine ideale Quelle der gleichen Farbtemperatur berechnet.

Für jedes Frequenzband wird der Lichtemissionskoeffizient mit dem Komplement zu einem der Absorptionskoeffizienten des Farbbereichs multipliziert, und das Ergebnis wird mit dem Koeffizienten der kolorimetrischen Funktion multipliziert. Die resultierende Kolorimetrie ist die Summe aller Ergebnisse, die für jede colorimetrische Funktion erhalten wurden. Dieser Vorgang wird mit dem Referenzlicht wiederholt.

Der Index stellt das arithmetische Mittel der Farbabweichungen dar, die für jede Probe zwischen dem Ergebnis mit dem zu beurteilenden Licht und mit dem Referenzlicht berechnet wurden, korrigiert durch die von-Kries-Transformation, die die chromatische visuelle Anpassung an die Farbdifferenz darstellt. zwischen dem idealen Leuchtmittel und der Beleuchtung.

Messung des Farbwiedergabeindexes

Beide Quellen werden verwendet, um mehrere Standardproben zu beleuchten. Die Farben, die mit der Referenz und der zu testenden Quelle (gemessen nach dem CIE 1931-Standard) wahrgenommen werden, werden unter Verwendung einer herkömmlichen Formel 5 verglichen und über alle Proben gemittelt, um den CRI der zu quantifizierenden Quelle zu erhalten. Da häufig acht Muster verwendet werden, verwenden Hersteller für ihre hohen IRC-Lampen im Allgemeinen das Präfix „octo“.

Da die Sonne und die Glühlampen ungefähr schwarze Körper sind, sind ihre CRIs 100 wert.

Der Farbwiedergabeindex wurde erstellt, um einen Vergleich der „annähernd weißen“ Leuchten, dh zum Zeitpunkt der Definition der Leuchtstoffröhren, zu ermöglichen, was auch für ihre Fluokompaktvariante gilt. Seit seiner Einführung haben Farbprofis seine Unzulänglichkeit zur Qualifizierung von Beleuchtung und Fälle von Metamerie festgestellt, die zwei farbige Oberflächen als identisch oder unterschiedlich unter Beleuchtung zeigen, jedoch von gleicher Farbtemperatur und hohem Farbwiedergabeindex. Die Entwicklung der LED-Beleuchtung hat die CIE dazu veranlasst, einen Farbtreue-Index zu definieren, der einen Farbraum enthält, der auf Farbunterschieden basiert, wobei die besten 99 Farbproben und ihre Absorptionsspektren anstelle von 15 allgemein auf 8 für 1995 CRI reduziert sind. Die Kommission stellt jedoch fest, dass der Farbtreue-Index noch genauer nicht als Qualitätsindex für Beleuchtung verwendet werden kann und dass Benutzergruppen unterschiedliche Leuchten beurteilen können, deren Ergebnisse für den Index identisch sind.

Eine Referenzquelle, wie etwa Schwarzkörperstrahlung, wird definiert als eine CRI von 100 aufweisend. Aus diesem Grund haben Glühlampen diese Bewertung, da sie tatsächlich fast schwarze Körperradiatoren sind. Die bestmögliche Treue zu einer Referenz wird durch einen CRI von 100 angegeben, während die allerärmste durch einen CRI unter Null angegeben wird. Ein hoher CRI-Wert allein bedeutet keine gute Farbwiedergabe, da der Referenzwert selbst einen unausgeglichenen SPD aufweisen kann, wenn er eine extreme Farbtemperatur aufweist.

Kritik
Ohno (2006) und andere kritisieren, dass CRI in der Praxis nicht immer gut mit der subjektiven Farbwiedergabequalität korreliert, insbesondere für Lichtquellen mit spikartigen Emissionsspektren wie Leuchtstofflampen oder weiße LEDs. Ein anderes Problem ist, dass der CRI bei 5000 K diskontinuierlich ist, weil sich die Farbart der Referenz vom Planckschen Ort zum CIE-Tageslicht-Ort bewegt. Davis & Ohno (2006) identifizieren mehrere andere Probleme, die sie in ihrer Farbqualitätsskala (CQS) ansprechen:

Der Farbraum, in dem der Farbabstand berechnet wird (CIEUVW), ist veraltet und nicht einheitlich. Verwenden Sie stattdessen CIELAB oder CIELUV.

Die verwendete chromatische Adaptions-Transformation (von Kries-Transformation) ist unzureichend. Verwenden Sie stattdessen CMCCAT2000 oder CIECAT02.

Die Berechnung des arithmetischen Mittels der Fehler verringert den Beitrag jeder einzelnen großen Abweichung. Zwei Lichtquellen mit ähnlichem CRI können sich signifikant unterschiedlich verhalten, wenn man einen besonders niedrigen speziellen CRI in einem spektralen Band hat, das für die Anwendung wichtig ist. Verwenden Sie stattdessen die mittlere quadratische Abweichung.

Die Metrik ist nicht wahrnehmbar; Alle Fehler sind gleich gewichtet, während Menschen bestimmte Fehler gegenüber anderen bevorzugen. Eine Farbe kann gesättigter oder weniger gesättigt sein, ohne dass sich der numerische Wert von ΔEi ändert, während im Allgemeinen eine gesättigte Farbe als attraktiver empfunden wird.
Der CRI kann nicht für Lichtquellen ohne CCT (nicht weißes Licht) berechnet werden.
Acht Proben sind nicht genug, da Hersteller die Emissionsspektren ihrer Lampen optimieren können, um sie getreu zu reproduzieren, aber ansonsten schlecht arbeiten. Verwenden Sie mehr Proben (sie schlagen fünfzehn für CQS vor).

Die Proben sind nicht gesättigt genug, um die Reproduktion zu erschweren.

CRI misst lediglich die Treue eines beliebigen Leuchtmittels zu einer idealen Quelle mit der gleichen CCT, aber die ideale Quelle selbst kann Farben nicht gut wiedergeben, wenn sie eine extreme Farbtemperatur aufgrund eines Mangels an Energie bei kurzen oder langen Wellenlängen aufweist (dh es kann übermäßig blau oder rot sein). Gewichten Sie das Ergebnis mit dem Verhältnis der Tonumfangsfläche des Polygons, das durch die fünfzehn Abtastwerte in CIELAB für 6500 K gebildet wird, zum Tonumfangsbereich für die Testquelle. 6500 K wird als Referenz gewählt, da es eine relativ gleichmäßige Verteilung der Energie über das sichtbare Spektrum und somit eine hohe Gamut-Fläche aufweist. Dies normalisiert den Multiplikationsfaktor.

Rea und Freyssinier haben einen anderen Index, den Gamut Area Index (GAI), entwickelt, um die Mängel des CRI zu verbessern. Sie haben gezeigt, dass der GAI bei der Vorhersage der Farbdiskriminierung bei standardisierten Farnsworth-Munsell 100 Farbtontests besser ist als der CRI und dass GAI die Farbsättigung voraussagt. Befürworter der Verwendung von GAI behaupten, dass diese Methode zur Bewertung der Farbwiedergabe in Verbindung mit CRI von Testpersonen gegenüber Lichtquellen mit hohen Werten von nur einer Messung bevorzugt wird. Forscher empfehlen eine untere und eine obere Grenze für GAI. Die Verwendung der LED-Technologie hat aufgrund des einzigartigen Lichtspektrums, das durch diese Technologien erzeugt wird, eine neue Möglichkeit zur Bewertung der Farbwiedergabe gefordert. Vorläufige Tests haben gezeigt, dass die Kombination von GAI und CRI, die zusammen verwendet werden, eine bevorzugte Methode zur Bewertung der Farbwiedergabe ist.

Pousset, Obein & Razet (2010) entwickelten ein psychophysisches Experiment, um die Lichtqualität von LED-Beleuchtungen zu bewerten. Es basiert auf farbigen Mustern, die in der „Color Quality Scale“ verwendet werden. Vorhersagen der CQS und Ergebnisse von visuellen Messungen wurden verglichen.

CIE (2007) „überprüft die Anwendbarkeit des CIE-Farbwiedergabeindex auf weiße LED-Lichtquellen basierend auf den Ergebnissen visueller Experimente.“ Vorsitz von Davis CIE TC 1-69 (C) untersucht derzeit „neue Methoden zur Bewertung der Farbwiedergabeeigenschaften von Weißlichtquellen, die für die Beleuchtung verwendet werden, einschließlich Festkörperlichtquellen, mit dem Ziel, bis März neue Bewertungsverfahren zu empfehlen , 2010. “

Für eine umfassende Übersicht über alternative Farbwiedergabe-Indizes siehe Guo & Houser (2004).

Smet (2011) überprüfte mehrere alternative Qualitätsmetriken und verglich ihre Leistung auf der Grundlage visueller Daten, die in 9 psychophysischen Experimenten erhalten wurden. Es wurde festgestellt, dass ein geometrisches Mittel des GAI-Index und des CIE Ra am besten mit Natürlichkeit korrelierte (r = 0,85), während eine Farbqualitätsmetrik basierend auf Gedächtnisfarben (MCRI) am besten für Präferenz korrelierte (r = 0,88). Die Unterschiede in der Leistung dieser Metriken mit den anderen getesteten Metriken (CIE Ra; CRI-CAMO2UCS; CQS; RCRI; GAI; geometrisch (GAI, CIE Ra); CSA; Judd Flattery; Thornton CPI; MCRI) wurden als statistisch signifikant festgestellt mit p <0,0001. Dangol et al (2013) führten psychophysikalische Experimente durch und kamen zu dem Schluss, dass die Beurteilung der Natürlichkeit und der allgemeinen Präferenz nicht mit einer einzigen Messung vorhergesagt werden konnte, sondern die gemeinsame Verwendung eines getreuen Messwerts (z. B. Qp) und eines gamutbasierten Messwerts erforderte (zB Qg oder GAI). Sie führten weitere Experimente in realen Büros durch, bei denen verschiedene Spektren ausgewertet wurden, die für die Kombination existierender und vorgeschlagener Farbwiedergabemetriken erzeugt wurden (siehe Dangol et al. 2013, Islam et al. 2013, Baniya et al. 2013 für Details). Film und Video High-CRI LED-Beleuchtung Inkompatibilität Bei Versuchen, eine ansonsten hohe CRI-LED-Beleuchtung an Film- und Video-Sets zu verwenden, sind Probleme aufgetreten. Die Farbspektren der Primärfarben der LED-Beleuchtung stimmen nicht mit den erwarteten Farbwellenlängen-Bandpässen von Filmemulsionen und digitalen Sensoren überein. Infolgedessen kann die Farbwiedergabe in optischen Abzügen, Übertragungen von Filmen (DI's) auf digitale Medien und Videokameraaufzeichnungen völlig unvorhersehbar sein. Dieses Phänomen in Bezug auf Kinofilme wurde in einer Reihe von Tests der LED - Beleuchtung dokumentiert, die von der Akademie von Filmkunst und wissenschaftliches Personal. Zu diesem Zweck wurden verschiedene andere Metriken wie der TLCI (Television Lighting Consistency Index) entwickelt, um den menschlichen Beobachter durch einen Kamerabeobachter zu ersetzen. Ähnlich wie der CRI misst die Metrik die Qualität einer Lichtquelle, wie sie auf einer Skala von 0 bis 100 auf der Kamera erscheinen würde. Einige Hersteller geben an, dass ihre Produkte TLCI-Werte von bis zu 99 haben.