Wissenschaft
Licht 6 | 2019

Über Farbwiedergabeindizes – Wesen und semantische Bedeutung

Lesezeit: ca. 16 Minuten

1 Einführung

Die heutige Beleuchtungstechnik und Lichtmesstechnik basieren auf photometrischen Kenngrößen wie Lichtstrom, Leuchtdichte, Lichtstärke und Beleuchtungsstärke, die auf der im Jahr 1924 definierten V(λ)-Funktion für ein Gesichtsfeld von 2° aufgebauen. Diese photometrischen Kenngrößen bilden das Gerüst der aktuellen internationalen Normung für die Beleuchtungstechnik mit Grundmerkmalen wie Blendung, Homogenität, Kontrast, Leuchtdichteverteilung und Schattigkeit.

Nahezu parallel zur Entwicklung der photometrischen Kenngrößen erfolgte in der farbmetrischen Wissenschaft die Festlegung wichtiger Größen, wie beispielsweise 1931 die Definition der Normspektralwertfunktionen x(λ), y(λ) und z(λ) – ebenfalls für ein Gesichtsfeld von 2°. Aus ihr wurden dann die ähnlichste Farbtemperatur Tcp (oder CCT), die Farborte und die Farbdifferenz Δuv‘ sowie die Farbwiedergabeindizes [1, 2] für die heutigen Normen der Beleuchtungstechnik [3] hergeleitet.

Während die Grundprinzipien der Photometrie (Lichtmessgeräte, Interpretation der photometrischen Messwerte) in den letzten Jahrzehnten nahezu unverändert blieben, kam es in der Farbforschung in den letzten 30 Jahren durch die dynamische Entwicklung der LED-Technologie zu wichtigen Weiterentwicklungen, die Tabelle 1 veranschaulicht.

Jahr

Inhalte

1931

Definition der 2°-Normfarbwertfunktionen

1960

Festlegung des UCS-Diagramms (Uniform Colour Scale)

1964

Definition des CIE 1964 (U*V*W*)-Farbraumes

1964

Definition der Normfarbwertfunktionen für ein 10°-Gesichtsfeld

1976

Definition der beiden Farbräume CIE L*a*b* (oder CIELAB) und CIE L*u*v* (oder CIELUV)

1995

Definition der Farbwiedergabe: Method of Measuring and Specifying Colour Rendering Properties of Light Sources, Publ. CIE 13.3-1995, 1995.

2004

CIE-Publikation: A Colour Appearance Model for Colour Management Systems: CIECAM02, Publication No. 159 (Vienna: Central Bureau of the CIE, 2004) [4]

2006

Definition des Farbraumes CIECAM02-UCS auf der Basis des Farbwahrnehmungsmodells CIECAM02 [19]

2017

CIE 2017 Colour Fidelity Index for accurate scientific use [5]

Aus den Angaben in Tabelle 1 ist ersichtlich, dass sich die CIE-Farbforschung auf die neue Definition der Farbräume und demzufolge auf die Farbdifferenzen und die Farbwiedergabe konzentriert hat. Hier wurden also eher Größen herangezogen, die auf den Grundlagen der Farbphysiologie basieren (Farbunterscheidbarkeit der Objekte, Farbvolumen der darstellbaren Farbobjekte, Farbunterschiede während der Farbwahrnehmung von Objekten unter der Beleuchtung von einer Referenz- und einer Testlichtquelle der gleichen ähnlichsten Farbtemperatur). In der Farbpsychologie, die sich einer höheren Ebene der kognitiven Signalverarbeitung im Zusammenhang mit realen Objekten, z.B. in einem möblierten Raum bei einem bestimmten Kontext (Modeschau, Automesse, Kunstunterricht, Wohnraum), widmet, gibt es seit 15 Jahren intensive Forschungsaktivitäten. Auf ausgewählte Experimente und Untersuchungen werden die Autoren in diesem Artikel eingehen.

In der heutigen Normung für Lichttechnik und -planung, in der Kommunikation zwischen Lichtanwendern und Herstellern von Lichtprodukten sowie auf Veranstaltungen der Branche (Vorlesungen, Konferenzen) benutzt man (trotz der jüngsten Ergebnisse der Farbpsychologie) die herkömmlichen Begriffe und Wertangaben wie Farbwiedergabe und ähnlichste Farbtemperatur als Kenngrößen der Farbqualität und zur Evaluierung und Beurteilung einer geplanten oder installierten Beleuchtungsanlage. Dieses Vorgehen führt häufig zu einer Abweichung von gesetzten Erwartungen. Die Autoren dieser Publikation sind der Meinung, dass die CIE auf lange Sicht keine weiteren Farbqualitätsmerkmale außer der Farbwiedergabe festlegen wird. Sie plädieren deshalb dafür, das Wesen und die Limitation der Farbwiedergabe durch Experimente und Analyse zu beschreiben. In diesem spezifischen Kontext gibt es vier Fragestellungen, die im folgenden Artikel teilweise oder ganz beantwortet werden sollen:

  • Wie kann man den Themenkreis Farbwiedergabe farbwahrnehmungstechnisch einordnen?
  • Für welche Attribute der Farbpsychologie und der Farbkommunikation (z.B. »Präferenz«, »Natürlichkeit«, »Attraktivität« oder »Lebhaftigkeit«) kann man den Begriff Farbwiedergabe verwenden?
  • Gibt es Unterschiede in der Anwendung der aktuellen Farbwiedergabedefinition für industrielle Anwendungen (Ra nach CIE 1995 [2]) im Vergleich zur neuen Farbwiedergabedefinition für wissenschaftliche Zwecke (Rf nach CIE 2017 [5])? Und was bedeutet das für die Lichtanwender?
  • Wie kann man den Ra-Werten oder den Rf-Werten (von 0 bis 100) eine semantische Bedeutung wie »sehr gut«, »gut«, »befriedigend« oder »schlecht« bei der Beurteilung der Ähnlichkeit der Erscheinung der gleichen Farbobjekte unter dem Licht der Referenz- und der Testlichtquelle der gleichen ähnlichsten Farbtemperatur zuordnen?

Damit diese in der Farbforschung nicht sehr oft gestellten aber in der lichttechnischen Praxis relevanten Fragestellungen beantwortet werden können, wird die vorliegende Publikation zunächst die Definitionen der beiden Farbwiedergabeindizes darstellen, die Unterschiede zwischen ihnen analytisch herausarbeiten und danach Experimente zur Einordnung der Farbwiedergabe in die farbpsychologische Kategorisierung und semantische Deutung beschreiben.

2 Das Wesen der Farbwiedergabeindizes

Dieser Abschnitt beschreibt zunächst die Definition und das Berechnungsschema der heute aktuellen Farbwiedergabedefinition für industrielle Anwendungen (Ra nach CIE 1995 [2]). Da die neue Farbwiedergabedefinition für wissenschaftliche Zwecke (Rf nach CIE 2017 [5]) teilweise die gleiche Berechnungsweise wie Ra hat, werden die Unterschiede der beiden Definitionen für eine bessere Veranschaulichung tabellarisch dargestellt.

2.1 Der CIE-Farbwiedergabeindex 1995[2, 6]

Die Farbwiedergabeeigenschaft einer Lichtquelle (engl.: colour fidelity of a light source) wird im Internationalen Wörterbuch der Lichttechnik [7] wie folgt definiert: »Die Auswirkung einer Lichtart auf den Farbeindruck von Objekten, die mit ihr beleuchtet werden, im bewussten oder unbewussten Vergleich zum Farbeindruck der gleichen Objekte unter einer Bezugslichtart«. Somit bedeutet die Farbwiedergabeeigenschaft einer bestimmten Lichtquelle (sog. Testlichtquelle) die Auswirkung der Strahlung der Testlichtquelle auf die Farberscheinung von reflektierenden Objekten im Vergleich zu deren Farberscheinung unter einer sog. Referenzlichtquelle (Bezugslichtart), die die gleiche ähnlichste Farbtemperatur hat (siehe Abb. 1).

Abb. 1: Veranschaulichung der Farbwiedergabeeigenschaft von Lichtquellen. Die gleichen Testobjekte unter der Referenzlichtquelle (links: hohe Farbwiedergabe) und der Testlichtquelle (rechts: niedrige Farbwiedergabe) Khanh Bodrogi

Die ausführliche Beschreibung sowie die numerischen Werte der aktuellen CIE-Methode zur Berechnung des Farbwiedergabeindex können der entsprechenden CIE-Publikation [2] entnommen werden. Hier werden – zur Erläuterung der Methode – lediglich die wichtigsten Schritte (a–g) zusammengefasst [6] (siehe Abb. 2).

  1. Es wird eine Referenzlichtquelle gewählt, die die gleiche korrelierte Farbtemperatur (CCT, Tc) wie die Testlichtquelle hat. Beträgt die CCT der Testlichtquelle weniger als 5.000K, dann wird die Schwarzkörperstrahlung der gleichen Farbtemperatur als Referenzlichtart verwendet. Beträgt die CCT der Testlichtquelle mehr als (oder gleich) 5.000K, dann wird eine Tageslichtphase der gleichen CCT als Referenzlichtart verwendet. Dabei muss der Farbunterschied ΔC im u,v-Farbdiagramm einen Wert von ΔC<5,4·10-3 ergeben.
  2. Vierzehn Farbmuster des Munsell-Farbatlas wurden als Testfarben (test colour samples, TCS) gewählt (Abb. 3). Die ersten acht TCS dienen zur Berechnung des allgemeinen Farbwiedergabeindex (Ra). Für die letzten 6 TCS werden nur sog. spezielle Farbwiedergabeindizes berechnet.
  3. Die CIE 1931 Normfarbwerte X, Y, Z werden für die 14 TCS unter der Testlichtquelle und der Referenzlichtquelle berechnet und in CIE 1960 UCS-Koordinaten (u, v) sowie in den CIE 1964 U*, V*, W*-Farbraum transformiert.
  4. Die Farbart der Testlichtquelle wird mit einer von Kries-Transformation in die Farbart der Referenzlichtquelle transformiert [2].
  5. Die 14 CIE 1964 Farbabstände werden für die 14 TCS (ΔEi, i=1–14) zwischen den U*, V*, W*-Werten unter der Testlichtquelle und der Referenzlichtquelle berechnet.
  6. Für jedes TCS wird mit der Gleichung Ri=(100–4,6 ΔEi) ein spezieller Farbwiedergabeindex berechnet (i=1–14).
  7. Der allgemeine Farbwiedergabeindex (Ra) wird als arithmetischer Mittelwert der ersten acht speziellen Farbwiedergabeindizes definiert.
Abb. 2: Schema zur Berechnung des CIE-Farbwiedergabeindex für Lichtquellen Khnah Bodrogi
Abb. 3: Die 14 CIE-Testfarben. Zur Berechnung des aktuellen allgemeinen CIE-Farbwiedergabeindexes werden nur die ersten 8 entsättigt Farben verwendet Khanh Bodrogi

2.2 Der CIE-Farbwiedergabeindex 2017 [5, 6]

  • Im Kontext der Farbwiedergabedefinition gibt es in der CIE-Definition von Ra (1995) die folgenden Defizite:
  • Der CIE 1964 U*, V*, W*-Farbraum ist nicht gleichabständig.
  • Die von-Kries-Transformation für die chromatische Adaptation ist nicht vollständig.
  • Die acht CIE-Testfarben sind entsättigte Farben und repräsentieren nicht die komplette Palette aller in Natur und Technik vorkommenden Objektfarben bezüglich der psychometrischen Helligkeit, des Bunttonkreises und der Sättigung.

Die Farbwiedergabe-Definition von CIE 2017 hat diese Defizite überwunden. Tabelle 2 veranschaulicht die Unterschiede der beiden Definitionen.

Merkmal

CIE-Definition 1995 [2]

CIE-Definition 2017 [5]

Farbraum

CIE 1964 U*, V*, W*-Farbraum

CIECAM02-UCS [4, 8]

Chromatische Adaptation

von-Kries-Transformation

CIECAT02 [4, 8]

Anzahl der Testfarben

acht entsättigte Testfarben

99 allumfassende Testfarben [9]

Referenzlichtquelle

CCT<5000 K: ein SchwarzkörperstrahlerCCT≥5000 K: eine Tageslichtphase

CCT<4000 K: ein SchwarzkörperstrahlerCCT>5000 K: eine Tageslichtphase4000 K≤CCT≦5000 K: lineare Kombination zwischen Schwarzkörperstrahler und Tageslichtphase

2.3 Analyse der Unterschiede zwischen den beiden CIE-Farbwiedergabeindizes

Die beiden Definitionen von 1995 und 2017 unterscheiden sich in der mathematischen Behandlung der Farbräume, der chromatischen Adaptation, der Nutzung der Referenzlichtquellen und der Testfarbenpalette voneinander erheblich (s. Tabelle 2). In der lichttechnischen Praxis ist es für die Lichtanwender und die Lichtquellenhersteller dennoch von großem Interesse, die folgenden Fragen zu beantworten:

  • Wie stehen die Ra-Werte zu den Rf-Werten für eine große Anzahl an konventionellen und Halbleiter-Lichtquellen?
  • Wo sind die großen Unterschiede zwischen den beiden Kenngrößen Ra und Rf?

Die CIE berichtete in der Publikation [5], dass der Mittelwert aller Ra-Werte und Rf-Werte für die gleichen 187 ausgesuchten Lichtquellen mit Ra≥ 60 gleich 80,8 ist. Unter diesen 187 Lichtquellen sind 36 Leuchtstofflampen, 14 Hochdruckentladungslampen, 129 phosphorkonvertierte (weiße) LED-Lichtquellen und acht Hybrid-LED-Lichtquellen. Damit ist klar, dass die absolute Mehrheit der durch die CIE betrachteten Lichtquellen ein breitbandiges Spektrum haben. Nur die Spektren der acht Hybrid-LED-Lichtquellen sind nicht genauer spezifiziert. Diese Gleichsetzung der Mittelwerte von Ra und Rf für diese 187 Lichtquellen bildete die Grundlage für die endgültige Definition von Rf.

Die Autoren dieses Artikels haben den Zusammenhang zwischen den Ra und Rf-Werten von 294 marktüblichen Lichtquellen (siehe Tabelle 3), zusätzlich aber auch von 36 speziellen LED-Lichtquellen mit RGB-Warmweiß-Lichtmischung (s. Abb. 4) untersucht. Die Ergebnisse für die insgesamt 330 Lichtquellen zeigt Abb. 5. Daraus ist Folgendes ersichtlich:

Die 294 Lichtquellen in der Tabelle 3 mit breitbandigem Lichtspektrum haben nahezu gleiche Ergebnisse wie nach der CIE-Publikation zur Rf-Definition [5]. Zwischen den Ra- und den Rf-Werten ergab sich ein linearer Zusammenhang (schwarze Linie in Abb. 5) mit einer Streubreite der einzelnen Daten mit ΔR= Rf-Ra bis 5-7 Einheiten. Diese Streubreite ist am größten um den Bereich Ra=80–85.

Werden aber die Spektren der 36 RGB-Warmweiß-LED-Lichtquellen (Abb. 4) verwendet, die in der Zukunft für eine variable Farbtemperatur zwischen 3.000 K und 6.500 K sorgen, liegt ein anderer linearer Zusammenhang vor (rote Linie in Abb. 5). Für Farbwiedergabe Ra<80 sind die Rf-Werte höher als die Ra-Werte und ab Ra>90 ist diese Tendenz umgekehrt. Der Unterschied zwischen Ra und Rf ist häufig höher als 5 Einheiten.

Lichtquellentyp

Anzahl

Glühlampen und alogenglühlampen

11

Kompaktleuchtstofflampen, mit eingebauten Vorschaltgeräten

4

Kompaktleuchtstofflampen mit separaten Vorschaltgeräten

6

Langfeld-Leuchtstofflampen

25

LED-Lichtquellen (phosphor-konvertiert)

165

LED-Leuchten (phosphor-konvertiert)

83

Insgesamt

294

Abb. 4: Spektren der 36 RGB-Warmweiß-LED-Lichtquellen Khanh Bodrogi
Abb. 5: Zusammenhang zwischen den Ra- und den Rf-Werten für die 294 Lichtquellen der Tabelle 3 und für die zusätzlichen 36 Spektren von RGB-WW-Lichtquellen (s. Abb. 4) Khanh Bodrogi

Damit entsteht eine für die Praxis relevante und schwierige Frage: Welche Definition der Farbwiedergabeindizes (1995 oder 2017) soll ein Lichtplaner oder ein Leuchtenentwickler verwenden? Entweder entscheidet sich die gesamte internationale Lichtvereinigung für eine Definition, was auf absehbare Sicht wohl unwahrscheinlich ist, da es trotz der intensiven Farbforschung in den letzten 20 Jahren bisher nicht möglich war, oder es wird für jede Definition der Farbwiedergabeindizes eine semantische Basis gesucht, die eine Bewertung wie »sehr gut«, »gut« … »schlecht« im Sinne von »Color Fidelity« ermöglicht. Das heißt mit anderen Worten, dass die Zahlenwerte (wie 60, 80 oder 95) nicht mehr allein die Grundlage für die Bewertung der Farbwiedergabe sein sollen, sondern vielmehr in Kombination mit der o.g. semantischen Skalierung verwendet werden sollen. Diese Semantik bildet den Inhalt eines späteren Kapitels der vorliegenden Publikation.

3 Über die Anwendbarkeit der derzeitigen Farbwiedergabeindizes

Trotz der Unterschiede der beiden oben beschriebenen Farbwiedergabeindizes von 1995 und 2017 haben diese viele Gemeinsamkeiten. Die Definition des Begriffes »Farbwiedergabe« im Internationalen Wörterbuch der Lichttechnik [7] lautet ja: »Die Auswirkung einer Lichtart auf den Farbeindruck von Objekten, die mit ihr beleuchtet werden im bewussten oder unbewussten Vergleich zum Farbeindruck der gleichen Objekte unter einer Bezugslichtart«.

Das bedeutet, dass die Begründer der Farbwiedergabedefinition neben dem bewussten Vergleich (also mit einer kognitiven Verarbeitung der Wahrnehmungsergebnisse im Gehirn) auch auf einen auf der physiologischen Ebene stattfindenden, nicht im kognitiven Sinne ausgeprägten Vergleich der Auswirkung von Test- und Bezugslichtart abzielten. Die Farbwiedergabe ist somit das Ergebnis einer Farbwahrnehmung entweder außerhalb der Verarbeitungsebene der Farbpsychologie oder innerhalb der Farbpsychologie auf dem unteren Niveau der Kognition.

Bei der Abnahme einer Beleuchtungsanlage in einem Gebäude (z.B. ein neues Hotel oder ein neues Büro) ist die Qualität der Beleuchtung oft gezielt gefragt und setzt eine bewusste Kognition (eine Absicht, eine Lichtplanung, ein Lichtdesign) der Akteure voraus. Allerdings ist in den meisten Räumen keine Bezugslichtart (ein Schwarzkörperstrahler oder eine Tageslichtart mit definierter Farbwiedergabe) vorhanden. In einem fensterlosen Raum (z.B. in einem Museum oder in einer Garderobe in einem Kaufhaus) ist nicht einmal das Tageslicht für einen Vergleich mit der aktuellen Lichtquelle verfügbar. In einem mit Fenster versehenen Raum (z.B. ein Klassenraum, ein Verkaufsraum) ist das Licht im Raum eine Mischung aus einer Tageslichtkomponente und einer Kunstlichtkomponente, so dass hier weder ein bewusster noch ein unbewusster Vergleich der Farberscheinung der Objekte im Raum mit einer bestimmten Bezugslichtart möglich ist.

Wenn die Durchsetzung der Definition der Farbwiedergabeindizes in der Praxis so nicht oder sehr selten durchführbar ist, stellt sich die Frage, ob diese Definition wenigstens im mathematischen oder theoretischen Sinn nützlich ist. Was bedeutet die Aussage, dass eine Lichtquelle eine hohe Farbwiedergabe (z.B. Ra >90) hat? Eine hohe Farbwiedergabe einer Lichtquelle bedeutet per Definition, dass das Spektrum der Testlichtquelle dem der Bezugslichtart ähnlich ist. Während ab 4.500 K oder 5.000 K die Bezugslichtart die Tageslichtphase (siehe Abb. 6 für D50 oder D65) mit einem von 380 nm bis 780 nm vollen Spektrum ist, das die menschliche Evolution seit Generationen geprägt hat, fehlen den Bezugslichtarten im Farbtemperaturbereich von 2.000 K bis 3.200 K, d.h. den Schwarzkörperstrahlern (oder praktisch den Glühlampen), wichtige Strahlungsanteile im kurzwelligen Bereich zwischen 380 nm und 500 nm. Die Ähnlichkeit der Spektren der Testlichtquellen bei Bezugslichtarten bis 3.200 K bedeutet also nicht, dass die Beleuchtung der Farbobjekte optimal ist. Somit ist die Definition der Farbwiedergabeindizes für Lichtquellen bis Tcp= 3.200 K fragwürdig und nicht immer relevant, sowohl im praktischen als auch im mathematischen Sinne.
« context=«content«]

In der modernen Lichtplanung wie auch in der objektorientierten Farbpsychologie bedeutet eine optimale Beleuchtung ein auf die Möblierung im Raum, auf die Kontexte und die aktuelle Nutzungsart (z.B. Teambesprechung, Unterricht, Feier) abgestimmtes Licht mit passender Farbtemperatur. Für bestimmte Kontexte ist ein auf ein bestimmtes Tageslicht spektral sehr gut angepasstes Lichtquellenspektrum (d.h. mit sehr guter Farbwiedergabe) dennoch nicht sinnvoll. Das war selbst den Gründern des Farbwiedergabeindex in den 1960er und 1970er Jahren bewusst. Sie kannten allerdings in der damaligen Zeit die alternativen Begriffe aus der heutigen Farbwahrnehmungspsychologie wie »Präferenz«, »Natürlichkeit« und »Lebhaftigkeit« anstelle der Farbwiedergabe nicht und konnten solche Experimente nicht durchführen.

In der CIE Publikation CIE 224 von 2017[5] konnten die Autoren des vorliegenden Beitrages in Kapitel 2.1 »The purpose of a colour fidelity index« nur die folgende Formulierung über die Nutzbarkeit der Farbwiedergabe finden: »In contrast to the difficulty in defining such perception effects beyond colour fidelity, the concept of colour fidelity is simple, clear and objective: experiments have established that people with normal colour vision report their perception of the size of colour differences of various object colours in similar ways (Fairchild 2005), and therefore it is meaningful to develop quantitative summaries of perceived colour shifts of objects as a means for assessing colour fidelity. These measures are objective in the sense that they are not dependent on the opinions and tastes of certain observers and groups. For this reason, the CIE considers the assessment of colour fidelity to be amenable to international standardization, and this Technical Report is a first step in that direction«.

Dieses Zitat bedeutet im übertragenen Sinn, dass eine Beleuchtung mit sehr guter Farbwiedergabe die Unterscheidbarkeit der Farbobjekte, die detaillierte Erkennung von Farbschattierungen und feinen Farbdetails (siehe Abb. 7) in vielen Farbtonbereichen ermöglicht. Einerseits ist es vorteilhaft, diese Bedeutung der Farbwiedergabe im augenphysiologischen Sinne hervorzuheben. Anderseits untermauert die CIE-Farbforschung damit, dass die Farbwiedergabe mit der Farbpsychologie relativ wenig zu tun hat. Die Farbpsychologie und die Ziele der Lichtplanung mit den Spektren der Lichtquellen experimentell zusammenzubringen, ist die Aufgabe einer der nächsten Publikationen der Autoren.

Abb. 7: Feine Farbdetails (Farbschattierungen) auf den Oberflächen der farbigen Objekte Khanh Bodorogi

Es bleibt noch die letzte Forschungsfrage: »Wie kann den verschiedenen Werten des Farbwiedergabeindex (z.B. 60, 80 oder 90) eine bestimmte semantische Bedeutung wie »sehr gut«, »befriedigend« oder »schlecht« zugeordnet werden? (siehe dazu Kapitel 4)

4 Experimente für die Ermittlung der semantischen Bedeutung des Farbwiedergabeindex

4.1 Methodik der Experimente

Die Planung des Experiments begann zum Ende 2017 mit der Aufstellung einer semantischen Skalierung, die auf einer separaten psychophysischen Untersuchung der Autoren im Jahr 2014 [10] basiert. Diese Skala (siehe Abb. 8) hat einen Wertebereich von 0 bis 100. Bestimmte Werte entsprechen einer bestimmten semantischen Bedeutung: »ausgezeichnet« = 97,9; »sehr gut« =91,6; »gut« =79,6; »mäßig« = 52,9; »gering« = 41,2; »schlecht« = 26,5; »sehr schlecht« = 12,8.
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Die Experimente fanden in einem fensterlosen Raum mit ausreichender Zufuhr frischer Luft statt. Die Innenwände und die Decke waren weiß und diffus gestrichen. In der Mitte des Raumes befand sich ein Tisch mit einer weißen Tischdecke und vier weißen Stühlen für eine Gruppe von vier Testpersonen. Eine große LED-Leuchte mit eingebauten RGB-WW-LED-Anordnungen und einer Plexiglasstreuscheibe war an der Decke montiert und sorgte für eine helle und diffuse Beleuchtung der Objekte auf dem Tisch sowie der Gesichter der Testpersonen, ohne die Personen zu blenden. Bei allen Lichteinstellungen betrug die Leuchtdichte der weißen Tischdecke 242 cd/m2. Dieser Wert entspricht ungefähr der Leuchtdichte der modernen LCD-Monitore im Weißpunkt sowie der optimalen Leuchtdichte der Wände [11]. Mit diesem Wert der Leuchtdichte war das photopische Sehen garantiert. (Abb. 9).

Abb. 9: Anordnung des Versuchs zur Skalierung der Farbwiedergabe Khanh Bodorogi

Die Lichtquelle enthielt vier LED-Kanäle mit roten, grünen, blauen und warmweißen LED-Lichtquellen und wurde auf vier verschiedene ähnlichste Farbtemperaturen eingestellt (3.100 K, 4.100 K, 5.000 K, 5.600 K). Pro Farbtemperatur wurden neun verschiedene Farbmischungen für unterschiedliche Farbwiedergabeindizes von 29,2 bis 96,4 einprogrammiert. Tabelle 4 zeigt die farbmetrischen Eigenschaften dieser 36 Spektren.

No.

Tcp (K)

u‘v‘

CIE Ra

CIE Rf

No.

Tcp (K)

u‘v‘

CIE Ra

CIE Rf

1

3100

-0,002

80,6

88,1

19

5000

-0,001

66,5

77,0

2

3100

0,001

96,4

93,1

20

5000

-0,001

86,3

87,2

3

3100

-0,002

64,5

79,0

21

5000

-0,002

78,7

83,7

4

3100

-0,001

89,3

92,1

22

5000

-0,001

60,8

73,8

5

3100

0,000

82,6

83,9

23

5000

-0,002

93,9

89,2

6

3100

-0,002

56,6

74,4

24

5000

-0,003

90,1

88,6

7

3100

-0,002

29,2

58,6

25

5000

0,000

41,5

62,9

8

3100

0,000

90,8

89,3

26

5000

0,000

73,2

80,6

9

3100

-0,002

73,2

84,0

27

5000

0,001

92,9

88,0

10

4100

0,000

73,1

81,3

28

5600

0,001

59,0

71,2

11

4100

0,000

95,4

89,6

29

5600

0,002

65,2

74,7

12

4100

0,000

94,8

90,4

30

5600

0,002

93,0

87,0

13

4100

-0,002

91,2

87,2

31

5600

0,001

94,1

87,7

14

4100

0,000

87,0

88,0

32

5600

0,003

85,1

84,8

15

4100

0,000

80,1

84,9

33

5600

0,000

47,8

64,8

16

4100

0,000

58,6

73,2

34

5600

0,002

90,7

86,9

17

4100

-0,002

39,8

62,9

35

5600

0,002

79,1

81,9

18

4100

-0,001

66,1

77,5

36

5600

0,000

72,7

78,5

Für jede Farbtemperatur gibt es eine Einstellung mit dem maximal möglichen Farbwiedergabeindex, die bei jeder Farbtemperatur als Referenzspektrum verwendet wurde (siehe Tabelle 4). Im Gegensatz zu der Definition der Farbwiedergabe durch die CIE mit 14 Farben (Abb. 3) bzw. 99 Farben, ist es im Farblabor der TU Darmstadt zur Tradition geworden, dreidimensionale reale Farbobjekte zu verwenden, die entlang dem Bunttonkreis angeordnet wurden (Abb. 9). Damit wird die Effizienz der kognitiven Verarbeitung der Testpersonen bei der Farbwahrnehmung erhöht und eine bessere Annäherung an die Realität gewährleistet. Der Satz der Farbobjekte schließt eine rote Rose, eine Orange, eine gelbe Zitrone, eine Banane, grünen Salat, eine blaue Rose, eine lila Zwiebel sowie die eigene Hand (Hautton) der jeweiligen Testperson ein.

Insgesamt wurden 34 junge Testpersonen mit gutem Farbensehen getestet. Die 36 Spektren wurden bei jeder Farbtemperatur randomisiert dargeboten und die Reihenfolge der vier Farbtemperaturen wurde ebenfalls randomisiert. Bei jedem Spektrum wurde 15 s lang das zu testende Spektrum eingeschaltet, bevor das Referenzspektrum ebenfalls für 15 s aktiviert wurde. Dieser Vorgang wurde pro Spektrum zweimal wiederholt. Anschließend wurde die Testperson gebeten, anhand der Skala in der Abb. 8, also mit einem Wert zwischen 0 und 100, die Ähnlichkeit der Farberscheinung der Objekte unter dem Referenz- und dem Testspektrum zu bewerten. Bei jeder Änderung der Farbtemperatur wurde eine Adaptationszeit von 2 Minuten eingeräumt. Die vier Referenzspektren wurden immer auch mit sich selbst verglichen. Letztere Vergleiche erreichten im Mittel »ausgezeichnete« Ähnlichkeit (»excellent«) auf der Skala in Abb. 8.

4.2 Ergebnisse der Bewertung

Da die beiden Farbwiedergabeindizes Ra (CIE 1995) und Rf (CIE 2017), wie oben dargestellt, zahlenmäßig unterschiedlich sind, werden deren Zusammenhänge zu der subjektiv ermittelten semantischen Bedeutung separat analysiert. In der Abb. 10 ist dieser Zusammenhang für den Farbwiedergabeindex Ra veranschaulicht.

Abb. 10: Zusammenhang des Farbwiedergabeindex Ra mit der subjektiv ermittelten semantischen Bedeutung (Tendenzen der Mittelwerte für alle Versuchspersonen) Khanh Bodrogi

Aus Abb. 10 geht hervor, dass der Farbwiedergabewert Ra=80, wie er in der DIN EN 12464 als Mindestwert für die meisten Anwendungen in der Innenraumbeleuchtung empfohlen ist, einer semantischen Bedeutung von 60…70 entspricht. Das liegt gemäß Abb. 8 zwischen »mäßig« und »gut«. Eine semantische Bedeutung von »gerade gut« erfordert einen allgemeinen Farbwiedergabeindex von mindestens 86,2 bei CCT =3.100 K (siehe Tabelle 5). Die empirische Seherfahrung von einigen sehr guten Museumslichtplanern, dass mindestens ein allgemeiner Farbwiedergabeindex von Ra= 95 notwendig ist, hat sich gemäß der Tabelle 5 bewahrheitet.

Tcp (K)

»ausgezeichnet«(97,9)

»sehr gut« (91,6)

‘gut‘ (79,6)Rf,crit

3100

95,4

92,3

86,2

4100

97,3

94,6

89,3

5000

96,1

93,7

88,8

5600

98,5

95,8

90,4

In gleicher Weise zeigt Abb. 11 den Zusammenhang mit den subjektiv ermittelten semantischen Deutungen für den Farbwiedergabeindex Rf. Die CIE Rf-Werte bei den spezifischen Werten der subjektiv ermittelten semantischen Bedeutungsskala (ähnlich wie in der Tabelle 5) sind Tabelle 6 zu entnehmen.

Abb. 11: Zusammenhang des Farbwiedergabeindex Rf mit der subjektiv ermittelten semantischen Bedeutung (Tendenzen der Mittelwerte für alle Versuchspersonen) Khanh Bodrogi

Tcp (K)

»ausgezeichnet«(97,9)

»sehr gut« (91,6)

‘gut‘ (79,6)Rf,crit

3100

92,7

91,4

88,8

4100

90,7

89,8

87,8

5000

89,8

89,1

87,4

5600

89,7

88,7

86,5

5 Zusammenfassung

In dem vorliegenden Artikel wurden die Definitionen der beiden Farbwiedergabeindizes nach CIE 1995 (Ra) und CIE 2017 (Rf) beschrieben. Die Nachteile und ein möglicher Nutzen der Farbwiedergabe wurden dargelegt. Es wurden die Unterschiede zwischen dem Ra-Index für professionelle Anwendungen und dem Rf-Index für wissenschaftliche Zwecke herausgearbeitet und jeweils ihre semantische Bedeutung experimentell ermittelt. Der nächste Schritt der Farbforschung, nach jahrzehntelanger Farbwiedergabeanalyse, sollte darin bestehen, andere Farbqualitätskenngrößen für die höhere kognitive Verarbeitungsebene im Interesse der Praxis der Licht- und Gebäudearchitektur und im Kontext der Philosophie »gutes Licht« zu definieren und zu validieren.

6 Literaturverzeichnis

[1] Commission Internationale de l‘Éclairage (CIE), Colorimetry, Publication No. 15 (Vienna: Central Bureau of the CIE, 2004).

[2] Commission Internationale de l‘Éclairage (CIE), Method of Measuring and Specifying Colour Rendering Properties of Light Sources, Publ. CIE 13.3-1995, 1995.

[3] DIN EN 12464, Licht und Beleuchtung, Teil 1: Beleuchtung von Arbeitsstätten in Innenräumen, 2011.

[4] Commission Internationale de l‘Éclairage (CIE), A Colour Appearance Model for Colour Management Systems: CIECAM02, Pub. CIE 159:2004, 2004.

[5] Commission Internationale de l‘Éclairage (CIE), Colour Fidelity Index for accurate scientific use, CIE Publ. 224, 2017.

[6] T. Q. Khanh, P. Bodrogi, Q. T. Vinh, S. Brückner, Farbwiedergabe von konventionellen und Halbleiter-Lichtquellen. Theorie-Bewertung-Praxis, Pflaum-Verlag, München, 2013.

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[11] X. Guo, P. Bodrogi, T. Q. Khanh, Nutzerpräferenz am Bildschirmarbeitsplatz – neue Experimente, Licht 7-8, 2018.

Danksagung

Die Autoren danken Frau X. Guo (bis 2018 wissenschaftliche Mitarbeiterin an der TU Darmstadt, derzeit bei TÜV Süd) für die Durchführung der visuellen Experimente.

Autoren: Prof. Dr.-Ing. habil. Tran Quoc Khanh, PD Dr.-Ing. habil. Peter Bodrogi, Technische Universität Darmstadt, Fachgebiet Lichttechnik

Dieser Artikel ist erschienen in

Licht 6 | 2019

Erschienen am 26. August 2019