全色域指数 GAI 的计算与测量参考标准探讨

笔者曾在照明微课堂发表文章《商业照明2.0： LED商业照明光源应该怎样？》讨论白光 LED 光色品质评价标准需要在衡量物体颜色还原性的显色指数（CRI）基础上，加上衡量物体颜色饱和度的全色域指数（GAI），才能准确、人性地描述光源的质量，在自然度、保真度、饱和度和明亮度等方面来评价光源品质，得到一个让人感觉“舒适”的光。

为什么测出来传统白炽灯的GAI只有50多？今天我们来探讨一下 GAI 的计算方法和测量参考标准。

什么是全色域指数（GAI）？

全色域指数Gamut Area Index（GAI），是2008 年由RPI的Rea M. S. 和J.P. Fressinier在分析评估物体显色特性时需要双指标的研究发表中提出来的。双指标中其中一个是沿用50年，被普遍接受的显色指数CRI，另一个就是 GAI。

在颜色评估的双指标中，CRI 可衡量物体的天然色、自然色、保真色或本色。GAI 可衡量物体的鲜艳、生动、明亮、耀眼或栩栩如生的颜色。

他们同时定义了一个名为“Class A”的光色：CRI≥80 和 80≤GAI≤100。

提出 GAI 概念时用的标准参考光是等能量谱 Equal Energy Spectrum（EES），它的 CRI 是95，色温 CCT 是 5455K。

图：等能量谱 EES 的光谱

GAI 的计算步骤：

1、计算 8个标准色样品被标准参考光、等能量谱(EES) 照射后反射光的三刺激值（tristimulus）XYZ；

2、由三刺激值 XYZ 计算各标准色样对 EES 的反射谱1976 CIE u’ v’色空间(u’, v’)坐标。得到8个坐标点，组成8边形面积作为 EES 参考光照射下的色域空间面积；

3、用待测试光的光谱，重复前面两步可得到测试光照射下的色域空间面积；

4、将测试光照射下与标准 EES 参考光照射下的色域空间面积之比，归一化到100，就得到全色域指数 GAI。

图：CIE 1976 u’, v’色域空间下的8个标准色样品被 EES 和测试光照射的色域空间

思考的问题：

原始计算 GAI 时用等能量谱(EES)为标准参考谱有缺陷哦！因为：

色域空间的大小在不同色温下有明显的差别，色温越低，色域面积则会越小。

如下图所示，白炽灯(incandescent) 和高压钠灯(HPS)的色域空间就比日光(Daylight)的色域空间小很多，面积不到50％。

图：不同色温的光，色域空间相差很大

而等能量谱（EES）色温是5455K，偏冷色温，所以色温越低的光就会得到越低的 GAI 值，尽管其颜色显色特性和目测的感觉都很好。

这样，以等能量谱(EES)参考光计算的 GAI 值就与色温有很大的关系，其绝对数值在评估颜色的饱和性、鲜艳性等方面就没有多大意义了。

从各种光谱的组成对比，也可以直观看出：以 EES 为基准时，白炽灯的 GAI 偏低。

图：EES、白炽灯、太阳光的光谱

用EES作为参考光算法下的 GAI，色温越低，GAI 越差，用它来评估室内照明的光色品质，看来确实是没有多大意义。一个显色很差的冷光源 GAI 比一个理想舒适的暖色温 GAI 还高，这明显不合理。

探讨1：能否以黑体辐射光谱做参考光？

如果能以黑体辐射光谱做参考光，则在不同色温下就都有较准确的色域空间作为标准了。如下图，用不同色温下的黑体辐射光谱的色域空间为基准来计算 GAI，这样就与色温无关了。

图：不同色温下的标准黑体辐射光谱的色域空间

下面几个图表述了三种色温的测试光在用 EES 参考光和用黑体辐射光谱为参考光时的色域空间关系对比和计算得到 GAI 值。我们分别用 GAI_EES 和 GAI_BB 来表述。

图：D65光，CRI=100, R9=98, GAI_EES=97, GAI_BB=100

图：白炽灯，CRI=100, R9=99, GAI_EES=52, GAI_BB=100

图：冷白光5000K，CRI=71, R9=-33, GAI_EES=76, GAI_BB=83

白炽灯光 CRI 显色指数是100, 但 GAI_EES 却只有52。GAI_BB=100，这个能较准确反映这个标准色。而冷白光，其 CRI 不高，只有71，R9 更低，只有-33，但 GAI_EES 却有76，比白炽灯还高！

所以，我认为 GAI_EES 无法准确反映暖色光的显色饱和度，而 GAI_BB 却能准确反映颜色的特性。

探讨2：计算 GAI 应该用8个标准色样品还是用15个标准色样品?

TCS 的8个标准色样品是计算显色指数 CRI 沿用50年的色样品，都是非饱和色，在衡量LED等饱和色光源的显色特性时，评价的准确性会有一定的误差。所以 LED 照明行业倾向用 TCS 的全部15个标准色样，其中 R9，R10，R11 和 R12 是标准的饱和红色、黄色、绿色和蓝色的样板。

图：TCS 8个、15个标准色样的反射谱对比

下面是基于这 TCS 8个标准色样以及15个色样，以黑体辐射光谱为参考得到的两个3000K COB 光源的色域空间和 GAI_BB 的值，我们分别用 GAI_BB_8 和 GAI_BB_15 来表述。

图左：3000K Accuwhite COB，CCT=2998K，CRI=98，R9=94，GAI_BB_8=105

图右：3000K SensusTM COB，CCT=3100K，CRI=93，R9=71，GAI_BB_15=118

最后，列举一些典型光源的颜色参数，包括 CRI，R9， CQS，GAI_EES, GAI_BB_8 和 GAI_BB_15。

从表中可以看出，主观视觉评估很好的几个光源，在原有的参考光谱（EES）之下，GAI_EES 值并不高。而 GAI_BB_15 可以较好地反映主观评估结果。

结论：

从上面分析的结果可以看出，基于 TCS 15 个标准色样，以黑体辐射光谱为参考光得到的 GAI_BB_15 值与传统的显色指数 CRI 一起更能反映高饱和度的 LED 光色的显色特性。

笔者正在与 GAI 创始人商议，争取将此结论形成正式文件，得出一个更加合适的人性化指标。

翟金会

华中科技大学光电子学博士

朗明纳斯LED应用开发与系统支持总监

曾任 清华大学博士后

美国卡内基·梅隆大学研究员

sorra首席光学工程师

LEDnovation首席光学工程师

—— 翟博士说要攒回国的机票钱，这事儿我看有点儿悬 ——