Un indice di resa cromatica (CRI) è una misura quantitativa della capacità di una sorgente luminosa di rivelare fedelmente i colori di vari oggetti rispetto a una fonte di luce ideale o naturale. Le fonti di luce con un alto CRI sono desiderabili in applicazioni a colori critici come l’assistenza neonatale e il restauro artistico. È definito dalla Commissione internazionale per l’illuminazione (CIE) come segue:
Rendering del colore: effetto di un illuminante sull’aspetto cromatico degli oggetti mediante confronto conscio o subconscio con il loro aspetto cromatico sotto un illuminante di riferimento
La CRI di una sorgente luminosa non indica il colore apparente della sorgente luminosa; quell’informazione data dalla temperatura di colore correlata (CCT). Il CRI è determinato dallo spettro della sorgente luminosa. Le immagini a destra mostrano lo spettro continuo di una lampada ad incandescenza e lo spettro di linee discrete di una lampada fluorescente; la lampada precedente ha il CRI più alto.
Il valore spesso citato come “CRI” sui prodotti di illuminazione disponibili commercialmente è correttamente chiamato valore CIE Ra, “CRI” è un termine generale e CIE Ra è l’indice di resa cromatica standard internazionale.
Dal punto di vista numerico, il valore CIE Ra più alto possibile è 100 e verrà attribuito solo a una sorgente identica alla luce diurna standardizzata oa un corpo nero (le lampade a incandescenza sono effettivamente corpi neri), passando a valori negativi per alcune fonti di luce. L’illuminazione a sodio a bassa pressione ha un CRI negativo; le luci fluorescenti variano da circa 50 per i tipi di base, fino a circa 98 per il miglior tipo multi-fosforo. I LED tipici hanno circa 80+ CRI, mentre alcuni produttori affermano che i loro LED hanno raggiunto fino a 98 CRI.
La capacità di CIE Ra di predire l’aspetto del colore è stata criticata a favore di misure basate su modelli di aspetto del colore, come CIECAM02 e per i simulatori diurni, l’Indice di metamerismo CIE. Il CRI non è un buon indicatore per l’uso nella valutazione visiva, specialmente per le fonti al di sotto di 5000 Kelvin (K). È stata sviluppata una versione più recente di CRI, R96, ma non ha sostituito il più noto indice di resa cromatica Ra general.
Storia
I ricercatori usano la luce del giorno come punto di riferimento per confrontare la resa cromatica delle luci elettriche. Nel 1948, Bouma descrisse la luce del giorno come la fonte ideale di illuminazione per una buona resa cromatica perché “mostra (1) una grande varietà di colori, (2) rende facile distinguere le leggere sfumature di colore, e (3) il i colori degli oggetti intorno a noi ovviamente sembrano naturali. ”
Intorno alla metà del 20 ° secolo, gli scienziati del colore si interessarono a valutare la capacità delle luci artificiali di riprodurre accuratamente i colori. Ricercatori europei hanno tentato di descrivere gli illuminanti misurando la distribuzione della potenza spettrale (SPD) in bande spettrali “rappresentative”, mentre le loro controparti nordamericane hanno studiato l’effetto colorimetrico degli illuminanti sugli oggetti di riferimento.
Il CIE ha riunito un comitato per studiare la questione e ha accettato la proposta di utilizzare quest’ultimo approccio, che ha il pregio di non aver bisogno di spettrofotometria, con una serie di campioni Munsell. Otto campioni di tonalità variabile sarebbero alternativamente illuminati con due illuminanti e l’aspetto del colore comparato. Poiché al momento non esisteva alcun modello di aspetto del colore, è stato deciso di basare la valutazione sulle differenze di colore in uno spazio colore adatto, CIEUVW. Nel 1931, il CIE adottò il primo sistema formale di colorimetria, basato sulla natura tricromatica del sistema visivo umano. La CRI è basata su questo sistema di colorimetria.
Per affrontare il problema di dover confrontare le sorgenti luminose di diverse temperature di colore correlate (CCT), il CIE ha optato per l’utilizzo di un corpo nero di riferimento con la stessa temperatura di colore per lampade con CCT inferiore a 5000 K o una fase di standard CIE illuminante D (luce diurna) altrimenti. Questo ha presentato una gamma continua di temperature di colore tra cui scegliere un riferimento. Qualsiasi differenza cromatica tra la sorgente e gli illuminanti di riferimento doveva essere abbreviata con una trasformata cromatica di adattamento di tipo von Kries.
Principio
L’aspetto colorato di una superficie illuminata dipende dalle sue caratteristiche fisiche, da quelle della luce che lo illumina e dalla luce principale dal punto di vista dell’osservatore. Il lighting designer e il decoratore giocano con tutti questi effetti: la luce di una lampada a incandescenza è dorata alla luce del giorno che proviene da una finestra; su un palcoscenico, una superficie grigia si tinge di un proiettore a colori. È quindi difficile confrontare assolutamente due fonti di luce.
Per semplificare il problema, siamo d’accordo che le fonti sono le luci principali. Una superficie colorata da un pigmento può essere descritta dal suo spettro di assorbimento, che indica, per ogni lunghezza d’onda, la proporzione di luce che restituisce. Pertanto, una superficie che assorbe molto più blu e verde rispetto al rosso appare rossastra, rispetto a una superficie bianca, o grigio neutro, che riflette anche tutte le lunghezze d’onda. Questa sensazione rossastra persiste anche se la luce che la illumina è accentuata in blu e verde, purché la superficie rossastra occupi solo una piccola parte del campo visivo. Di conseguenza, il colore sembra legarsi agli oggetti, mentre la luce che arriva agli occhi è diversa.
La capacità di distinguere due colori dipende dalla quantità di luce che lo illumina nelle regioni dello spettro visibile che lo caratterizzano. Così, un azzurro pallido fatto con una miscela di blu oltremare e bianco appare grigio alla luce di una candela. La luce della candela contiene una quantità trascurabile di luce blu. Overseas restituisce solo blu. Si comporta come il nero alla luce della candela. Questo effetto è la principale differenza tra due sorgenti luminose. Più la temperatura del colore si avvicina a quella della luce del giorno, più possiamo distinguere le sfumature nel blu.
Il problema è complicato da fonti di luce basate sulla fluorescenza. Illuminando una superficie bianca, che riflette anche la luce di tutte le lunghezze d’onda visibili, bilanciano le aree blu, verde e rossa dello spettro, in modo che questa superficie appaia bianca rispetto a quella illuminata dal giorno. Ma il dettaglio del loro spettro è diverso, quindi due colori che sarebbero simili sotto la stessa luce ora appaiono diversi. Questo è ciò che gli specialisti chiamano un problema di metamerismo.
Confrontando le prestazioni di due luci per lavorare con i colori, quindi, è necessario confrontare il rendering di diverse superfici colorate. La scelta delle caratteristiche di absoption è decisiva. Poiché due diversi spettri possono produrre lo stesso colore, dobbiamo definire il loro spettro, non solo la loro colorimetria. Alcuni pigmenti conferiscono spettri con zone di assorbimento più marcate, ma più strette di altre che danno lo stesso colore. La scelta degli spettri dei campioni doveva essere oggetto di molti esperimenti, in modo che l’indice non contraddicesse troppo l’esperienza dell’utente.
La temperatura del colore è l’aspetto principale delle differenze tra gli illuminanti, l’indice è calcolato rispetto a una fonte ideale della stessa temperatura di colore.
Per ciascuna banda di frequenza, il coefficiente di emissione luminosa viene moltiplicato per il complemento a uno dei coefficienti di assorbimento dell’intervallo di colori e il risultato viene moltiplicato per il coefficiente della funzione colorimetrica. La colorimetria risultante è la somma di tutti i risultati ottenuti per ogni funzione colorimetrica. Questa operazione viene ripetuta con la luce di riferimento.
L’indice rappresenta la media aritmetica delle deviazioni di colore calcolate per ciascun campione tra il risultato con la luce da valutare e la luce di riferimento, corretta dalla trasformazione di von Kries, che rappresenta l’adattamento visivo cromatico alla differenza di colore. tra l’illuminante ideale e illuminarlo.
Misura dell’indice di resa cromatica
Entrambe le fonti sono utilizzate per illuminare diversi campioni standard. I colori percepiti con il riferimento e la fonte da testare (misurata secondo lo standard CIE 1931) vengono confrontati usando una formula convenzionale5 e mediati su tutti i campioni per ottenere il CRI della fonte da quantificare. Poiché vengono utilizzati spesso otto campioni, i produttori generalmente usano il prefisso “octo-” per le loro alte lampade IRC.
Poiché il sole e le lampade a incandescenza sono approssimativamente corpi neri, i loro CRI valgono 100.
L’indice di resa cromatica è stato creato per consentire un confronto tra gli apparecchi “approssimativamente bianchi”, cioè, al momento della sua definizione, i tubi fluorescenti, che si applica anche alla loro variante di fluocompatta. Fin dalla sua introduzione, i professionisti del colore hanno notato la sua insufficienza a qualificare l’illuminazione e casi di metamerismo che mostrano due superfici colorate identiche o diverse sotto illuminazione ma con la stessa temperatura di colore e indice di resa cromatica elevata. Lo sviluppo dell’illuminazione a LED ha portato il CIE a definire un indice di fedeltà del colore, che include uno spazio colore basato sulle differenze di colore in cui vengono meglio distribuiti 99 campioni di colore e i loro spettri di assorbimento invece di 15 generalmente ridotti a 8 per il CRI 1995. Tuttavia, la Commissione osserva che, ancor più precisamente, l’indice di fedeltà del colore non può ancora essere utilizzato come indice di qualità per l’illuminazione e che i gruppi di utenti possono giudicare apparecchi diversi i cui risultati sono identici per l’indice.
Una sorgente di riferimento, come la radiazione di un corpo nero, è definita come dotata di un CRI di 100. Questo è il motivo per cui le lampade ad incandescenza hanno quella classificazione, in quanto sono, in effetti, radiatori quasi di corpo nero. La migliore fedeltà possibile a un riferimento è specificata da un CRI di cento, mentre il più povero è specificato da un CRI inferiore allo zero. Un CRI elevato di per sé non implica una buona resa del colore, perché il riferimento stesso potrebbe avere un SPD sbilanciato se ha una temperatura di colore estrema.
Critica
Ohno (2006) e altri hanno criticato il CRI perché non sempre si correlano bene con la qualità soggettiva del rendering del colore nella pratica, in particolare per le sorgenti luminose con spettro di emissione appuntito come lampade fluorescenti o LED bianchi. Un altro problema è che il CRI è discontinuo a 5000 K, poiché la cromaticità del riferimento si sposta dal locus Planckian al luogo di luce del CIE. Davis & Ohno (2006) identificano diversi altri problemi, che affrontano nella loro scala di qualità del colore (CQS):
Lo spazio colore in cui viene calcolata la distanza di colore (CIEUVW) è obsoleto e non uniforme. Utilizzare invece CIELAB o CIELUV.
La trasformata di adattamento cromatica usata (trasformazione di Von Kries) è inadeguata. Utilizzare invece CMCCAT2000 o CIECAT02.
Calcolando la media aritmetica degli errori diminuisce il contributo di ogni singola grande deviazione. Due sorgenti luminose con CRI simile possono avere prestazioni significativamente diverse se si dispone di un CRI speciale particolarmente basso in una banda spettrale che è importante per l’applicazione. Utilizzare invece la deviazione quadrata media radice.
La metrica non è percettiva; tutti gli errori sono ugualmente ponderati, mentre gli umani preferiscono certi errori sugli altri. Un colore può essere più saturo o meno saturo senza un cambiamento nel valore numerico di ΔEi, mentre in generale un colore saturo viene percepito come più attraente.
La CRI non può essere calcolata per sorgenti luminose che non hanno un CCT (luce non bianca).
Otto campioni non sono sufficienti dato che i produttori possono ottimizzare gli spettri di emissione delle loro lampade per riprodurli fedelmente, ma altrimenti funzionare male. Usa più campioni (suggeriscono quindici per CQS).
I campioni non sono abbastanza saturi da porre difficoltà alla riproduzione.
La CRI misura semplicemente la fedeltà di qualsiasi illuminante a una fonte ideale con lo stesso CCT, ma la fonte ideale stessa potrebbe non rendere bene i colori se ha una temperatura di colore estrema, a causa della mancanza di energia a lunghezze d’onda corte o lunghe (es. potrebbe essere eccessivamente blu o rosso). Ponderare il risultato in base al rapporto dell’area del gambo del poligono formato dai quindici campioni in CIELAB per 6500 K nell’area del gamut per la fonte di test. 6500 K viene scelto come riferimento poiché ha una distribuzione di energia relativamente uniforme sullo spettro visibile e quindi un’area di gamut elevata. Questo normalizza il fattore di moltiplicazione.
Rea e Freyssinier hanno sviluppato un altro indice, il Gamut Area Index (GAI), nel tentativo di migliorare i difetti riscontrati nella CRI. Hanno dimostrato che la GAI è migliore della CRI nel predire la discriminazione cromatica su test Farnsworth-Munsell 100 Hue standardizzati e che la GAI è predittiva della saturazione del colore. I sostenitori dell’uso della GAI affermano che, se usato in congiunzione con la CRI, questo metodo di valutazione della resa cromatica è preferito dai soggetti di prova su fonti di luce che hanno valori elevati di una sola misura. I ricercatori raccomandano un limite inferiore e un limite superiore al GAI. L’utilizzo della tecnologia LED ha richiesto un nuovo modo per valutare la resa del colore a causa dello spettro unico di luce creato da queste tecnologie. Prove preliminari hanno dimostrato che la combinazione di GAI e CRI utilizzati insieme è un metodo preferito per valutare la resa cromatica.
Pousset, Obein & Razet (2010) hanno sviluppato un esperimento psicofisico per valutare la qualità della luce delle luci a LED. Si basa su campioni colorati usati nella “Scala della qualità del colore”. Sono state confrontate le previsioni del CQS e i risultati delle misurazioni visive.
CIE (2007) “esamina l’applicabilità dell’indice di resa cromatica CIE alle sorgenti luminose a LED bianche basate sui risultati di esperimenti visivi”. Presieduto da Davis, il CIE TC 1-69 (C) sta attualmente studiando “nuovi metodi per valutare le proprietà di resa del colore delle sorgenti a luce bianca utilizzate per l’illuminazione, incluse le sorgenti luminose allo stato solido, con l’obiettivo di raccomandare nuove procedure di valutazione. entro marzo 2010. ”
Per una rassegna completa degli indici di resa cromatica alternativi vedi Guo & Houser (2004).
Smet (2011) ha esaminato diverse metriche di qualità alternative e ha confrontato le loro prestazioni sulla base di dati visivi ottenuti in 9 esperimenti psicofisici. È stato rilevato che una media geometrica dell’indice GAI e CIE Ra correlava al meglio con la naturalezza (r = 0,85), mentre una metrica di qualità del colore basata su colori di memoria (MCRI) era correlata al meglio per la preferenza (r = 0,88). Le differenze nelle prestazioni di queste metriche con le altre metriche testate (CIE Ra; CRI-CAM02UCS; CQS; RCRI; GAI; geomean (GAI, CIE Ra); CSA; Judd Flattery; Thornton CPI; MCRI) sono risultate statisticamente significative con p <0,0001. Dangol et al (2013) hanno condotto esperimenti psicofisici e hanno concluso che i giudizi delle persone sulla naturalezza e sulla preferenza generale non potevano essere previsti con una singola misura, ma richiedevano l'uso congiunto di una misura basata sulla fedeltà (ad esempio, Qp) e una misura basata sulla gamut (ad esempio, Qg o GAI.). Hanno effettuato ulteriori esperimenti in uffici reali valutando vari spettri generati per combinazioni di metriche di resa dei colori esistenti e proposte (vedi Dangol et al., 2013, Islam et al., 2013, Baniya et al., 2013 per i dettagli). Incompatibilità dell'illuminazione a LED ad alta luminosità con pellicola e video Sono stati riscontrati problemi nel tentativo di utilizzare l'illuminazione a LED CRI altrimenti elevata su film e set video. Gli spettri di colore dei colori primari di illuminazione a LED non corrispondono alle passate di lunghezza d'onda del colore previste delle emulsioni di pellicola e dei sensori digitali. Di conseguenza, la resa del colore può essere completamente imprevedibile nelle stampe ottiche, i trasferimenti su supporti digitali da film (DI) e le registrazioni di videocamere. Questo fenomeno rispetto al film è stato documentato in una serie di test di illuminazione a LED prodotta dallo staff scientifico dell'Academy of Motion Picture Arts and Sciences. A tal fine, sono state sviluppate diverse altre metriche come il TLCI (Television Lighting Consistency Index) per sostituire l'osservatore umano con un osservatore fotografico. Simile alla CRI, la metrica misura la qualità di una sorgente luminosa come apparirebbe sulla fotocamera su una scala da 0 a 100. Alcuni produttori affermano che i loro prodotti hanno valori TLCI fino a 99.