Il colore della luce - Terza Parte

di Michele Viola

Nelle scorse uscite abbiamo introdotto il concetto di temperatura di colore, che indica in un certo modo il ‘colore’ della luce emessa da una sorgente idealmente bianca confrontandone il colore con quello di un oggetto incandescente. Abbiamo descritto inoltre l’indice di resa cromatica CRI (Color Rendering Index), proposto da CIE – Commission Internationale de l’Éclairage – che indica la capacità di una sorgente luminosa (artificiale e nominalmente bianca) di rivelare fedelmente all’occhio umano il colore degli oggetti illuminati rispetto ad un’illuminazione naturale, o comunque ad una sorgente luminosa di riferimento. CRI, nella sua versione originale, si basa sulla valutazione della differenza percepita illuminando otto tinte fondamentali. In seguito sono state aggiunte altre tinte, ed è stato codificato un parametro chiamato CRI esteso che si basa su 14 tinte standard, più una quindicesima (‘asian skin’) che resta disponibile per valutazioni mirate sul singolo colore.

CRI non è purtroppo un indicatore perfetto in tutti i casi, nel senso che non è detto che una sorgente con un CRI più elevato sia migliore in ogni circostanza. Potrebbe anche capitare che una sorgente venga attentamente ingegnerizzata per un’ottima resa sulle otto tinte fondamentali del metodo CIE CRI Ra, esibendo così un indice di resa cromatica particolarmente elevato, senza però corrispondere ad una pari fedeltà nella resa visuale complessiva. In ogni caso, dati gli innumerevoli fattori di influenza e i numerosissimi campi di applicazione, è probabile che l’indicatore perfetto semplicemente non esista. La ricerca è ovviamente in evoluzione per codificare metodi più significativi, eventualmente con vari livelli di complessità.

Un vantaggio dell’indice CRI come proposto in origine da CIE era proprio quello di utilizzare poche tinte fondamentali, scelte all’interno di un riferimento standard che era, nell’epoca precedente alla pervasività del PC e dei metodi computazionali completamente informatizzati, l’Atlante dei Colori di Munsell, un testo di riferimento molto diffuso e praticamente disponibile in ogni laboratorio e ufficio di progettazione sul colore. Attualmente è raro che il risultato di un’analisi spettrale non venga riportato su un foglio di calcolo, prima che stampato su carta (se mai lo sarà, stampato su carta), mentre i metodi di valutazione si sviluppano in pratica completamente all’interno dell’elaboratore elettronico, fino all’impaginazione finale del manuale o del datasheet.

Posto che, al momento, l’indice riportato nelle specifiche delle sorgenti luminose artificiali è nella stragrande maggioranza dei casi proprio CRI Ra, cioè quello basato sul test su otto tinte, un’evoluzione che ha mostrato un certo riscontro è quella proposta inizialmente nel 2015 dalla statunitense Illuminating Engineering Society (IES) con il suo Technical Memorandum 30 (TM-30), in cui ha mostrato un metodo per la valutazione della resa di colore di una sorgente luminosa artificiale maggiormente articolato (è composto da una serie di parametri, non solo da un numero), basato su 99 tinte standard attentamente selezionate (chiamate CES, acronimo per Color Evaluation Samples). Le tinte CES sono rappresentate da uno ‘spettro di riflettanza’ ovvero da un numero compreso tra 0 e 1 per ciascuna lunghezza d’onda nello spettro della luce visibile, numero che rappresenta la frazione di luce riflessa rispetto a quella incidente, in termini di flusso luminoso complessivo.

Sulla base del colore percepito per ciascuna delle 99 tinte CES illuminate dalla sorgente in esame, IES propone una quantità di valutazioni oggettive tra cui le principali sono: 

• un indice di fedeltà cromatica Rf, concettualmente simile all’indice CRI Ra ma basato appunto su 99 colori rispetto ai 9 dell’indice CIE;

• un indice di gamma cromatica Rg che indica la variazione media dei colori percepiti, in termini di variazione di colore e saturazione, rispetto all’illuminazione con una sorgente di riferimento;

• un grafico circolare che descrive in maniera visuale le variazioni delle singole tinte.

Le coordinate nello spazio colore sono calcolate per ciascun CES rispetto alla sorgente di test e alla sorgente di riferimento. L’indice di fedeltà cromatica Rf è basato sulla differenza media di colore nelle due condizioni.

Per ciascuno dei 16 settori, vengono calcolate le coordinate medie dei CES rispetto alla sorgente di test e alla sorgente di riferimento. Rg si basa sul rapporto tra le aree dei due poligoni, mentre gli indici ‘locali’ si basano sulla variazione di coordinate medie in ciascun settore.

Anche l’organismo europeo CIE ha preso atto del fatto che, soprattutto con le recenti sorgenti basate su tecnologia LED, i valori dell’indice CRI Ra non sono sempre ben correlati con la valutazione visiva. Nel 2017, nell’ambito della ricerca di un indice di fedeltà cromatica più accurato, CIE ha emesso un report tecnico (CIE 224:2017) in cui descrive un indice di fedeltà cromatica Rf basato anch’esso su 99 tinte di riferimento, facendo esplicito riferimento al lavoro di IES. Da notare che CIE, a differenza di IES, non ha definito altri parametri, metodi o descrittori, ma solamente l’indice Rf, che si potrebbe considerare un’evoluzione dell’indice di resa cromatica CRI.

In seguito, nel 2018, IES ha modificato leggermente la definizione del metodo descritto nel documento TM-30 con l’esplicito intento di migliorare ulteriormente la corrispondenza con l’indice Rf come definito da CIE 224:2017. Il documento TM 30-18 descrive quindi un metodo, del tutto analogo al metodo descritto in TM 30-15, a parte alcune modifiche minori, in cui però i valori dell’indice di fedeltà cromatica coincidono con quelli calcolati utilizzando il metodo proposto da CIE.

La libreria online di IES rende tra l’altro disponibile un foglio di calcolo dedicato a chi vuole applicare il metodo descritto in TM-30-18: è sufficiente copiare e incollare i dati spettrali della sorgente in esame dall’output dell’analizzatore nell’apposito spazio del foglio di calcolo, e il software rende disponibili direttamente valori numerici e report in vari formati.

Il metodo descritto in TM-30, come già accennato in precedenza, è concettualemte analogo al metodo utilizzato per calcolare l’indice CRI, ovvero confronta i colori osservati quando illuminati dalla sorgente in esame rispetto agli stessi colori illuminati da una sorgente di riferimento alla stessa temperatura di colore (CCT). La sorgente di riferimento è una sorgente ad incandescenza (idealmente un corpo nero incandescente) fino a 4000 K, un illuminatore CIE D standard da 5000 K in su (D sta per daylight, una sorta di luce del giorno standardizzata per varie temperature di colore), o una combinazione lineare di sorgente ad incandescenza e luce del giorno standard a temperature comprese tra 4001 K e 4999 K. L’approccio basato sull’equivalenza della temperatura di colore tra sorgente in esame e riferimento è coerente con il tipico processo di caratterizzazione delle sorgenti luminose già in fase di progettazione, dato che spesso la temperatura di colore viene stabilita a priori, ancora prima di considerare la resa cromatica. 

I 99 colori di riferimento (CES, color evaluation samples) proposti da IES sono stati estratti statisticamente da una collezione iniziale di oltre 100.000 colori, a loro volta campionati da misure su oggetti e materiali reali di origine varia – tessuti, materiali plastici, incarnati di diversi toni e colori, oggetti della natura, fiori, vernici e pastelli – in modo da disporre di un insieme più possibile rappresentativo dei colori della realtà fisica.

Infine è accuratamente definito lo spazio colore, che è stato scelto in modo da assicurare la massima uniformità delle tinte di riferimento CES insieme ad un ampio range di temperature di colore.

Il metodo propone quindi il calcolo di 50 parametri numerici e un grafico. I 50 valori numerici comprendono, oltre alla valutazione di fedeltà cromatica (l’indice di fedeltà cromatica Rf) e alla valutazione della gamma cromatica (l’indice di gamma Rg) già nominate sopra, 16 valutazioni di fedeltà cromatica su colori specifici (fedeltà cromatica locale: Rf,hj)¹, 16 valutazioni di variazione cromatica (local chroma shift, variazione cromatica locale: Rcs,hj) e 16 valutazioni specifiche di variazione di colore (local hue shift, variazione di colore locale: Rhs,hj). Rf e Rg sono valori medi globali, mentre gli indici di variazione locale sono legati alla deformazione dell’area di gamma.

Rf può assumere valori da 0 a 100, dove 100 rappresenta la fedeltà cromatica perfetta rispetto alla sorgente di riferimento. È forse importante ribadire che Rf definito in TM-30-18 è identico a Rf definito da CIE 224:2017, ma non è direttamente ed immediatamente paragonabile a CIE CRI Ra.

Il Color Vector Graphic (CVG) mostra la versione normalizzata della variazione delle coordinate medie in ciascun settore. Il foglio di calcolo proposto da IES fornisce automaticamente alcune versioni alternative dello stesso grafico.

Ciascuna delle 99 coppie di coordinate può essere resa sul grafico come vettore. Da notare che, essendo lo spazio colore tridimensionale, le frecce hanno anche un’estensione perpendicolare al foglio che qui non è visibile (ma che viene considerata nel calcolo dell’indice Rf)

Per la valutazione dei restanti 49 parametri, i 99 CES sono divisi in 16 gruppi, individuati dividendo il piano a’-b’ dello spazio colore in 16 sezioni ampie ciascuna 22,5°. Il numero di tinte CES in ciascun settore dipende dalla temperatura di colore della sorgente. All’interno di ciascun settore si calcola la media delle coordinate di ciascun CES, sia con la sorgente in esame sia con la sorgente di riferimento. I parametri di interesse vengono poi calcolati sulla base di queste 16 coppie di coordinate. Rg, ad esempio, è calcolato come rapporto delle aree dei poligoni aventi i vertici nei punti individuati dalle 16 coordinate rispetto alla sorgente di test e dalle 16 coordinate rispetto alla sorgente di riferimento.

Anche il grafico CVG (color vector graphic), una rappresentazione visuale delle variazioni di colore e di croma nello spazio colore, si basa sulle stesse 16 coppie di coordinate: le coordinate dei 16 punti riferiti alla sorgente di riferimento sono normalizzate rispetto ad una circonferenza di raggio unitario nello spazio colore, e la differenza delle coordinate medie tra riferimento e test all’interno di ciascun angolo è trasferita nella corrispondente posizione sulla circonferenza di riferimento, formando così un poligono che rappresenta in qualche modo la sorgente di test. Il risultato è un grafico piuttosto intuitivo, per il quale il documento TM-30 specifica, oltre che ovviamente tutti i calcoli nel dettaglio, anche le principali impostazioni grafiche (colori, scale, dimensioni minime, rapporti di forma, …).

Gli indici e i grafici descritti in IES TM-30 sono pensati per essere utilizzati in varie combinazioni, o anche singolarmente, secondo le specifiche applicazioni. Il documento non stabilisce né suggerisce soglie di performance, raccomandando piuttosto la sperimentazione sulle corrispondenze dei valori dei parametri rispetto alle valutazioni soggettive. 

1. Per variazione cromatica si intende qui propriamente la variazione di croma del colore, dove croma è la pienezza relativa al livello generale di illuminazione (quindi la croma di un colore è indipendente dal livello di illuminazione). Quando, ad esempio, un oggetto colorato è in ombra, diminuisce ovviamente la pienezza del colore e contemporaneamente diminuisce anche la brillanza del bianco, cosicché la croma resta costante. Nel solido di Munsell la croma è la distanza dall’asse dei grigi. In italiano viene spesso utilizzato il termine saturazione per indicare la croma, anche se, a rigore, la saturazione rappresenta un attributo diverso (che indica sempre una pienezza relativa, ma valutata in maniera differente).