Index podání barev Ra (Color Rendering index = CRI)

Barva jakéhokoliv předmětu a její vjem je ovlivněn mnoha faktory. Mezi tyto faktory patří například spektrální činitel odrazu pozorovaného předmětu, aktuální stav adaptace zraku, citlivost čípků k jednotlivým vlnovým délkám světla nebo světelný zdroj, kterým je pozorovaný předmět osvětlován. Vjem barvy charakterizuje z velké části i spektrální složení tohoto zdroje. Vliv světelného zdroje a jeho spektrálního složení popisuje všeobecný index podání barev R_a (také speciální index podání barev R_i jednotlivých srovnávacích vzorků, tedy i = 1, 2, …14), který porovnává spektrum zdroje osvětlujícího předmět se smluvním (referenčním) zdrojem [10]. Tento referenční zdroj má maximální a ideální hodnotu indexu R_a rovnu 100. Naopak v monochromatickém žlutém světle nízkotlakých sodíkových výbojek barvy už nelze rozlišit, tedy v takovém případě se R_a = 0. Pro teploty chromatičnosti do 5000K se používá jako referenční zdroj model žárovkového světla, který má přibližně stejné záření, jako záření dokonale černého tělesa neboli ideálního teplotního zářiče. Slunce a jeho vyzařování lze zjednodušeně považovat za dokonalé černé těleso [39]. Jeho povrchová teplota je přibližně 5700K a nejvíce vyzářené sluneční energie připadá na vlnovou délku 500 nm [39]. Lidské oko je přitom nejvíce citlivé na vlnovou délku 555nm dle křivky V(λ). Nelze tedy přehlédnout důkaz genetického přizpůsobení citlivosti lidského oka přímo na sluneční záření. Při teplotách barvy vyšších jak 5000K se však při výpočtu indexu R_a pracuje s denním spektrem světla, které je reprezentováno standartizovaným světlem CIE D. Metoda hodnocení všeobecného indexu podání barev R_a dle publikace Mezinárodní komise pro osvětlování CIE 13.3-1995 (CIE, 1995) je založena na číselném vyjádření rozdílu vjemu barvy vybraného souboru 8 barevných vzorků při postupném osvětlování hodnoceným a smluvním zdrojem. Barevných vzorků existuje celkem 14, viz obrázek 1.16. Při návrhu byl pro hodnocení kvality světla počítán index R_a běžným způsobem dle [14] s použitím osmi či čtrnácti barevných vzorků. Speciální index podání barev pro každý vzorek zvlášť:

 

Všeobecný index podání barev R_a se určí vztahem:

 

Uoi, Voi, Woi	jsou trichromatické složky popisující v soustavě UVW barevný vjem i-tého vzorku (i= 1,2,3,…8) při osvětlení srovnávacím (referenčním) zdrojem,
Uki, Vki, Wki	jsou trichromatické složky popisující v soustavě UVW barevný vjem i-tého vzorku při osvětlení zkoušeným (testovaným) zdrojem,
n	je počet použitých barevných vzorků.

Je důležité poznamenat, že nejvyšší hodnota indexu podání barev R_a =100 neznamená dokonalé světlo nebo ideální barevný vjem pro každou aplikaci, tato hodnota pouze vyjadřuje jak moc je hodnocené světlo podobné referenčnímu. Pokud pří konkrétní aplikaci referenční světlo nevytváří vhodný barevný vjem, nemusí znamenat hodnota R_a = 100 nejlepší výsledek. Například při hodnocení LED světelného zdroje o teplotě chromatičnosti 4800–4900K s cílem napodobit denní spektrum světla bude stále referenčním zdrojem Planckův zářič (žárovkové světlo, standartizované světlo CIE A). Metoda hodnocení vjemu barvy R_a tedy srovnává LED zdroj se žárovkovým světlem. Přičemž nejlepší výsledek (R_a = 100) nastane, když srovnávaný LED světelný zdroj bude shodný s teplotním zářičem. Cílem je ale dosáhnout denní spektrum světla, ne spektrum žárovkového světla. Při návrhu svítidla je důležité mít povědomí o tomto rozporu a být si vědom, že dosažení nejvyšší možné hodnoty podání indexu barev nemusí vždy zaručit správný výsledek [41,42]. Dalším nedostatkem této metody hodnocení barevného vjemu je použití pouze 8 zmíněných vzorků k hodnocení i přesto, že dnes je jich dostupné obrovské množství. Navíc jsou barvy těchto 8 vzorku pastelové, nesaturované, mají tedy vysoký podíl bílé složky a vůbec nezohledňují reflexní vlastnosti materiálu [33,41,43]. Zásadním omezením metody je také fakt, že lze srovnávat pouze zdroje se stejnou teplotou chromatičnosti, tedy hodnocený zdroj musí mít stejnou T_CH jako referenční [42,43]. V návaznosti na tyto nedostatky byla vydána mezinárodní norma CIE 224:2017 Colour Fidelity Index for accurate scientific use (Index barevné reprodukce/přesný barevný index pro vědecké použití), která řeší tyto nedostatky a poskytuje i několik dalších výhod. Obdobou je také dokument IES TM-30 [33] vydaný roku 2015 americkou IES (Illuminating Engineering Society) zabývající se totožným tématem.

CIE 2017: Colour Fidelity index R_f (CFI)

Colour Fidelity index R_f je přesný index barevné shodnosti hodnoceného zdroje s referenčním zdrojem určený k vědeckému použití převážně pro bílé zdroje světla. Index R_f v žádném případě nenahrazuje index podání barev R_a, ani pro účely specifikace produktu, ani pro hodnocení barevného vjemu. Jde v podstatě pouze o vylepšený index R_a. Je vhodné jej používat jako doplněk pro získání přesnějších a věrohodnějších výsledků o kvalitě barvy bílých světelných zdrojů. Schéma na obrázku 1.17 vyjadřuje metodu výpočtu indexů R_f a R_g. Samotný konečný výpočet se provádí dle následujících vzorců [33,42]:

Vážený faktor 6,73 v těchto rovnicích byl zvolen tak, aby průměrné hodnoty CFI běžně používaných světel byly podobné hodnotám R_a a dalo se pracovat s oběma těmito indexy zároveň. Výsledné hodnoty vzorců 1.27 a 1.28 nemohou nabývat záporných čísel. U indexu R_a při hodnotě ΔE_i > 22 mohl výsledek nabývat záporných hodnot [33,42].

 

Metoda používá pro srovnání nový referenční zdroj určený pro teploty chromatičnosti v rozmezí od 4000K do 5000K. Tento zdroj je lineární kombinací Planckového zářiče a normalizovaného denního světla dle vzorce 1.29 [33,42]. V praxi může být často vhodnější použít jako referenční srovnávací zdroj pro hodnoty těsně pod 5000K denní spektrum světla namísto Planckova zářiče, který je při výpočtu indexu podání barev R_a určen pro hodnoty pod 5000K. Nový referenční zdroj řeší tedy tuto omezující podmínku v podobě ostré hranice 5000K.

,kde:

Tch	je teplota chromatičnosti,
S′r, D(λ)	je spektrální složení normalizovaného světla zdroje D (denního světla),
S′r, P(λ)	je spektrální složení Planckova zářiče.

 

Barevný systém CIECAM02-UCS

Colour Fidelity Index R_f používá barevný systém CIECAM02-UCS, který byl vyvinut pro účely experimentů s barvami a jejich hodnocením. Základní souřadnice systému jsou J’(světelnost, může nabývat hodnot 0 až 100), a’(zeleno-červená osa), b’(žluto-modrá osa), viz obrázek 1.18. Systém umožňuje hodnotit barevné rozdíly svítidel s odlišnou teplotou chromatičnosti. Pracuje s hodnotami adaptačního jasu, jasu pozadí, pestrobarevností, saturací, odstínem barvy a dalšími vlastnostmi obecně charakterizujícími barvu. Hlavni oblast hodnocení barevného vjemu (stimulus) používá CIE standartního pozorovatele 2^∘. Pozadí využívá oblast CIE standartní uživatel 10^∘, kde je například možné zadat adaptační jas tohoto pozadí. Hodnocení vjemu barvy světla se potom provádí s ohledem na jasové podmínky v okolí pozorovatele [33,42,43].

Systém využívá k hodnocení 99 barevných vzorků, které byly vybírány z databáze obsahující více jak 100 000 měřených objektů. Barevné vzorky pochází z reálných a existujících předmětů a nesou informaci o odraznosti povrchu. Soubor zahrnuje předměty jak se zrcadlovým, tak i s difúzním odrazem. Zvýšení počtu vzorků a jejich kvality poskytuje dostatečně statisticky reprezentativní jednotku pro hodnocení kvality vjemu barvy. Vzorky jsou navíc rozděleny do 7 kategorií [42]:

• příroda,
• barva kůže,
• textilie,
• barvy a nátěry,
• plasty,
• vytištěný materiál,
• barevné systémy (Munsell, Natural Color System [NCS], German Institute for Standardization [DIN] a další).

CIECAM2-UCS obsahuje několik velice užitečných nástrojů. Jedním z nich je Colour Vector Graphics, nástroj pro hodnocení saturace barevného odstínu, vyobrazen na obrázku 1.19. Jeho úkolem je srovnat testované světlo s referenčním a podat informaci, které barvy hodnoceného světla jsou více a které méně saturované oproti referenčnímu světlu [33,42,43].

 

Barevný systém umožňuje hodnotit sytost barvy i pomocí nástroje zvaného Gamut index R_g. Jedná se o další ukazatel kvality světla hodnotící vzrůst nebo pokles saturace. Vztah mezi pohodlím uživatele a indexem R_g je poměrně komplexní a individuální v závislosti na aplikaci. Neexistuje všeobecně doporučovaná hodnota indexu R_g. Světelné zdroje s obecně vyšší saturací jsou popsány jako příjemnější pro většinu pozorovatelů, avšak příliš saturovaný zdroj může působit na člověka negativně dle [33]. Hodnota R_g rovna 100 podává informaci, že světelný zdroj může produkovat sytosti barev osvětlovaných předmětů s velmi podobnou saturací jako je dosaženo při denním světle při cca 5500K až 6500K (standartizované světlo D55, D65). Pro hodnocení LED světelných zdrojů je přijatelné rozmezí hodnoty R_g od 60 do 140 při podmínce R_f > 60, vyšší hodnoty indexu vyjadřují vyšší saturaci a naopak [43]. Obrázek 1.20 znázorňuje vztah mezi indexy R_f a R_g. Na obrázku lze vidět, že CFI může nabývat hodnoty 100 pouze za podmínky nevyskytující se desaturace, tj. Gamut index bude roven také 100. Změna saturace barvy, tj. odchýlení R_g od hodnoty 100 vede k poklesu R_f. Na obrázku jsou dále patrné dvě barevně vyznačené plochy (šedá a růžová), které vyjadřují maximálně nebo minimálně dosažitelnou hodnotu R_g pro daný fidelity index [33].

 

CFI je užitečný nástroj pro hodnocení kvality světla a vhodný doplňek k indexu podání barev R_a. V praxi se pro komerční aplikace a hodnocení produktů na trhu používá téměř vždy všeobecný index podání barev R_a hodnocený s osmi barevnými vzorky. Mnohdy se však může zdát nedostačující a pro přesnější informaci o kvalitě světla je vhodný výše zmíněný index R_f. Pokud však nejsou prostředky na normu CIE 224:2017 k hodnocení indexu R_f a použití systému CIECAM02-UCS, ani její obdobu IES TM-30, doporučuji použít bezplatný ColorCalculator 7.23 od firmy Osram Sylvania, který je volně dostupný na [45] v kombinaci s kalkulátorem [46]. Oba kalkulátory poskytují možnost výpočtu hodnot R_f a umožňují práci s některými nástroji tohoto barevného systému.

Brno 16.8.2021, zdroj