TM 30-15

Introduction

Pourquoi un nouvel indice ?

Depuis l'arrivée de la LED, les limitations de l'IRC ont été de plus en plus évidentes, comme par exemple l'indice moyen Ra - valeur caractéristique repère - qui prend la moyenne des 8 premiers échantillons de couleurs sans prendre en compte le rouge intense R9 régulièrement mal rendu par les LED. Cela introduit de plus en plus une différence entre le ressenti des observateurs et cette valeur calculée prise comme référence.

De manière plus générale, la non continuité des sources des références (passage abrupt à 5000°K de la lumière naturelle au corps noir) et le panel peu qualitatif d'échantillons de couleurs de l'IRC sont régulièrement décriés, ce qui a conduit depuis quelques années la communauté de l'éclairage à réfléchir à la mise en place d'une nouvelle méthode pour pallier les inconvénients de l'IRC : la IES TM 30-15 qui a été développée par l'Illuminating Engineering Society (IES) of North America en 2015 semble être prête à relever le défi.

Introduction de la CIE 224:2017
"L’indice de rendu des couleurs de la CIE (IRC), défini dans la publication CIE 13.3-1995, et en particulier l’indice général de rendu des couleurs (Ra), est largement adopté et utilisé par l’industrie de l’éclairage, dans les réglementations et dans les normes nationales et internationales. Cependant, certaines limites de l’IRC ont été récemment soulignées. En particulier, les valeurs de Ra ne correspondent pas toujours à l’évaluation visuelle des observateurs pour les sources à base de semi-conducteurs. Ce décalage provient, premièrement des imperfections de l’IRC dans son rôle attendu d’indice de fidélité des couleurs et deuxièmement, d’effets liés à la perception de la qualité des couleurs qui ne sont pas pris en compte et qui sont plus vastes que la seule notion de fidélité des couleurs.
Sur ces deux aspects, la CIE a suggéré de développer, de meilleures méthodes de caractérisation de la qualité des couleurs pour mesurer et spécifier les sources de lumière blanche. Pour ce faire, le travail a été divisé en deux tâches : (1) développer un indice de fidélité des couleurs scientifiquement précis (attribué au comité technique TC 1-90), et (2) développer une ou plusieurs mesures de la perception de la qualité des couleurs au-delà de la fidélité (attribué au comité technique TC 1-91).
Ce Rapport Technique, développé par le comité technique TC 1-90, est un rapport de recherche décrivant un indice général de fidélité des couleurs (Rf) par rapport à un illuminant de référence. Bien que certains problèmes techniques requièrent encore de plus amples recherches, cette mesure de la fidélité des couleurs est scientifiquement précise. Cet indice, basé sur l’indice de fidélité TM-30-15 développé par Illuminating Engineering Society of North America, répond à la première partie des limites de l’IRC (il ne couvre pas le besoin de mesure de la qualité des couleurs autre que la fidélité) et corrige plusieurs imprécisions de l’IRC (Ra) en tant que mesure de la fidélité des couleurs. Les améliorations les plus importantes par rapport à l'IRC sont la mise à jour de la méthode de calcul des différences de couleur, en utilisant en particulier un espace de couleur uniforme, et l’introduction de 99 échantillons colorés ayant une répartition plus uniforme des pentes et des courbures en fonction de la longueur d'onde et étant plus largement et uniformément répartis dans les trois dimensions de cet espace de couleur uniforme.
L’indice général (Rf) représente à quel point les apparences des couleurs de l'ensemble de la collection sont en moyenne reproduites (rendues) sous une source test par rapport à leurs apparences sous un illuminant de référence. Ainsi Rf, comme Ra, combine les différences de couleurs calculées pour chaque échantillon de couleur en une valeur moyenne unique. Il traite seulement d’un aspect de la qualité des couleurs et ne prend pas en compte les effets liés à la perception/préférence. Par conséquent, des utilisations fortuites de l’IRC comme une mesure globale de la qualité des couleurs ne seront pas mieux remplies par l'indice de fidélité des couleurs scientifiquement précis, Rf. En effet, l'évaluation des utilisateurs est influencée par des facteurs plus vaste que la fidélité des couleurs tels que les effets de saturation des couleurs ou l’influence de la nature des tâches à effectuer. L'indice général de fidélité des couleurs Rf ne se substitue pas à l’IRC pour classer ou spécifier les produits ni pour répondre aux exigences minimales de performances réglementaires. Le remplacement de l’IRC sera matière à des études et des discussions futures qui devront évaluer Rf ainsi que l’ensemble de nouvelles mesures de la qualité des couleurs et proposer des recommandations pratiques pour les produits manufacturés et les utilisateurs finaux."

Comparaison entre IRC et TM 30-15

Les principales différences et améliorations de la TM 30-15 par rapport à l'IRC sont :
- Choix méticuleux de 99 échantillons de couleurs - choisis dans une base plus de 105 000 références - au lieu des 8 (plus 7 additionnelles) de l'IRC en utilisant le modèle le plus récent d'apparence des couleurs (passage du CIE 1964 U*V*W* au CIECAM02-UCS datant de 2002). Ces échantillons sont plus uniformément répartis et sont plus représentatifs
- Suppression des valeurs négatives des Ri de l'IRC qui perturbent les moyennes dans les cas de valeurs extrêmement basses
- Continuité des sources de références, avec un changement introduit entre 4500°K et 5500°K en mixant le référent lumière du jour et le référent corps noir pour éviter la rupture à 5000°K
Du coup, l'indice de référence Rf, calculé selon la même méthode que l'indice Ra avec sources de références et échantillons de couleurs, est donc plus précis et pertinent que l'indice Ra.

Enfin, pour compléter cet indice unique qui ne permet pas de rentrer dans les détails, la TM 30-15 propose :
- L'indice de saturation Rg (Gamut index)
- Une représentation graphique vectorielle de distorsion teinte/saturation
- Quatre valeurs détaillées (Rf,skin : fidélité de la peau, Rf# : fidélité par teinte, Rc# : variation chromatique par teinte et Rf,CES# : fidélité par échantillon)

La méthode d'évaluation de rendu des couleurs TM 30-15 se veut donc à la fois plus précise et plus complète que l'IRC.

Tableau récapitulatif IRC versus TM 30-15

CIE 13.3-1995 (IRC) IES TM 30-15
Année 1965, 1974 (révision), 1995 2015
Espace de couleur CIE 1964 U*V*W CAM02-UCS (CIECAM02)
Nombre d'échantillons de couleur 8 généraux (pour Ra) plus 7 spécifiques 99
Couverture de l'espace des couleurs Limitée Pleine et équitable
Échantillons saturés Non Oui
Types d'échantillons Échantillons de Munsell Divers objets réels (naturels et artificiels)
Uniformité spectral des échantillons Non Oui
Sources de références Lumière naturelle et corps noir Lumière naturelle et corps noir
Transition des sources de référence Abrupte à 5000°K Atténuée entre 4500°K et 5500°K
Mesures Indice général moyen : Ra (8 premières valeurs)
7 indices spécifiques (fidélité) : Ri
Indice de fidélité : Rf
Indice de saturation : Rg
Représentation graphique vectorielle de saturation
Indices de fidélité de 16 teintes : Rf#
Indices de variation chromatique pour les 16 teintes : Rc#
Indice de fidélité de la peau (échantillons 15 et 18) : Rf,skin
99 indices de fidélité individuels : Rf,CES#
Échelle Maximum 100 sans limite basse, échelle variable De 0 à 100, échelle cohérente
Lien entre Ra et RfL'indice de référence Rf de la TM 30-15 est compris entre 0 et 100 (comme l'indice Ra de l'IRC) mais sa valeur est bien évidemment différente de celle du Ra car si la méthode de calcul est similaire, les sources de références (éventuellement), les échantillons de couleurs et la formule de calcul sont différents.
Un coefficient a d'ailleurs été inséré dans les formules de Rf pour que la valeur de Rf corresponde en moyenne à celle de Ra (pour ne pas perturber les habitudes du marché).
Il n'y a évidemment pas de relation évidente entre les deux (il est nécessaire d'effectuer les deux calculs séparément) et les différences dépendent du spectre des sources étudiées. Toutefois, dans les valeurs hautes (Ra>85 environ) et notamment pour les sources fluorescentes à spectres étroits (qui ont des pics importants dans leurs spectres qui peuvent correspondre aux besoins de l'IRC), Rf est généralement inférieur à Ra.

TM 30-15

Détails de la méthode de calcul

La TM 30-15 propose 99 échantillons de couleurs répartis de manière homogène en teinte et saturation. Ils ont été choisis méticuleusement pour que les indices en ressortant soient les plus pertinents possible pour les différentes applications de la vie courante : d'une première base de plus de 105 000 couleurs, plus de 60 000 couleurs ont été sélectionnées dans un premier temps pour en retenir ensuite environ 5 000 et aboutir finalement aux 99 échantillons ci-dessous (ce qui permet d'avoir un panel relativement petit mais très efficace). Les critères de sélection ont été les suivants :
- Une même distribution dans l'espace CAM02-UCS de 2002 (qui permet de prendre en compte la perception des couleurs parmi une grande variété de conditions d'observation)
- Une excellente uniformité spectrale (voir dessin ci-dessous)
- Des échantillons choisis parmi une variété d'objets artificiels et naturels (divisés en 7 types : nature, peau, textile, peinture, plastique, imprimé et système de couleurs).

Détails des 99 échantillons de couleurs
Les échantillons sont répartis par type :
- Type A : nature
- Type B : peau
- Type C : textile
- Type D : peinture
- Type E : plastique
- Type F : matière imprimée
- Type E : système de couleurs

TM 30 15 99 échantillons par classe

Spectres de réflectance des 99 échantillons de la TM 30-15
Voici tous les spectres de réflectances des 99 échantillons, ce qui donne une moyenne très homogène illustrée dans le dessin suivant.

TM 30 15 spectre réflectance 99 échantillons

Comparaison de l'uniformité spectrale des 99 échantillons de la TM 30-15 avec les 8 de l'IRC
La précision du choix des 99 échantillons de la TM 30-15 se voit notamment dans la très bonne uniformité des spectres ci-dessous.

TM 30-15 Var_Sensi_Spectrales

Le principe de la méthode de calcul est similaire à celui de l'IRC (comparaison de rendus entre une source référente et la source étudiée sur des échantillons de couleurs) mais avec des fonctions additionnelles :

TM 30 15 flux de fonctionnementL'indice de fidélité de chaque échantillon Rf,i est calculé ainsi que la moyenne Rf des 99 échantillons.

TM 30 15 Rf par 99 échantillons

Puis, un indice Rf,skin a été créé en ne prenant en compte que les échantillons numéro 15 et 18 pour les situations où le rendu de la couleur de la peau est important (cinéma, télévision, mode, studio photo...).

Teintes, Saturation et représentation vectorielle

Ensuite,16 secteurs angulaires réguliers sont dessinés dans l'espace colorimétrique CAM02-UCS pour déterminer 16 teintes représentatives.

Détermination des 16 teintes angulaires
Les 16 teintes sont définies par 16 secteurs angulaires dans l'espace CAM02-UCS suivant le découpage ci-dessous :
TM 30 15 définition des 16 teintes angulaires

Ensuite, des moyennes sont calculées dans chaque secteur pour avoir les valeurs par teinte, ce qui donne - une fois les points reliés entre eux -, les polygones bruts ci-dessous :

TM 30 15 graphique brut pour 16 teintes

Une fois ces 16 teintes définies, il est possible d'établir :
- l'indice de fidélité Rf# par teinte
- l'indice de variation chromatique Rc# par teinte
- une représentation graphique vectorielle de distorsion teinte/saturation puis le calcul de l'indice de saturation Rg

Indice de fidélité Rf# pour les 16 teintes
Rf# est calculé de la même manière que les indices de fidélité des échantillons de couleurs mais le graphique ci-dessous permet d'être plus synthétique dans les conséquences des rendus.

TM 30 15 Rf par teinte

Variation chromatique Rc# pour les 16 teintes
La variation chromatique correspond en bonne approximation à la variation de saturation pour les 16 teintes (d'ailleurs cet indice est quelquefois noté Rg# comme l'indice de saturation Rg, voir ci-dessous).

TM 30 15 Rg par teinte

La saturation est un élément du rendu colorimétrique important comme le montre l'importance de l'utilisation de l'espace TSL, notamment pour le grand public dans les logiciels courants.

Exemples de couleurs plus ou moins saturées sur ordinateur
Vert saturé :

TSL saturé 230

Vert peu saturé :

TSL saturé 100

Définition de l’indice de saturation Rg
L'indice de saturation est défini par rapport au schéma ci-dessous : en effet, tel qu'est conçu l'espace CAM02-UCS, plus les points sont au centre, moins les couleurs sont saturées. Pour avoir une évaluation moyenne de la saturation sur toutes ces teintes, l'idée est donc de regarder si globalement l'ensemble des points avec la source test sont "plus au centre" que l'ensemble des points avec la source de référence. Pour cela, il a été décidé de mesurer les deux surfaces, sachant que plus une surface sera grande, plus en moyenne les couleurs formant cette surface seront saturées.

En l’occurrence et afin de comparer la source test à la source de référence, Rg = 100 x (Aire testée / Aire de référence), ce qui signifie que si l'aire comprise à l'intérieur du polygone blanc (hachuré au centre) est supérieure à l'aire de référence comprise à l'intérieur du polygone noir (non hachuré), l'indice de saturation Rg sera supérieur à 100.

TM 30 15 Graphique vectoriel pour comparaison aires et calcul Rg

Globalement, Rg est compris entre environ 60 et 140 pour un Rf>50, voir schéma ci-dessous où le cône d'ailleurs montre bien la cohérence des indices Rf et Rg (c'est à dire que plus Rf est grand, plus Rg est proche de 100) :
TM 30 15 cone Rg fonction Rf

Exemples de représentations graphiques

Les représentations graphiques couramment utilisées dans la TM 30-15 reprennent les schémas ci-dessus (utilisés pour calculer Rg par exemple) mais la représentation de la source de référence est transformée en cercle pour une meilleure lecture. Cela permet de voir plus précisément comment varient les rendus de couleurs suivant les teintes angulaires :
- si le point de la source test est à l'intérieur du cercle correspondant à la source de référence, il y a diminution de la saturation
- si le point de la source test est à l'extérieur du cercle correspondant à la source de référence, il y a augmentation de la saturation
- si le point de la source test est sur le cercle mais en "décalé", il y a changement de teinte.

TM 30 15 Graphique vectoriel avec commentaires

Lampe LED
Exemple d'une lampe LED : noter que pour la source étudiée, Rf est inférieur à Ra. Les couleurs sont saturées dans les bleus et les jaunes/verts et par contre pas assez saturées dans les rouges et les bleus/verts, ce qui conduit quand même à un Rg moyen excellent.

TM 30 15 led

Tube fluorescent
Exemple de tube fluorescent : noter que pour la source étudiée et comme pour la lampe LED ci-dessous, Rf est bien inférieur à Ra (à cause des différents pics du spectre positionnés pour correspondre aux 8 échantillons de couleurs de Ra). A l'instar de la source LED ci-dessus, les couleurs sont saturées dans les bleus/rouges et les jaunes/verts et par contre pas assez saturées dans les rouges et les bleus/verts, ce qui conduit également en moyenne à un Rg moyen excellent. Cette courbe est une bonne illustration des défauts du Ra ainsi que des travers de la moyenne Rg.

TM 30 15 fluo 830

Lampe halogène
Exemple de lampe halogène : noter que le spectre de la source halogène (qui reprend le principe de fonctionnement du corps noir où le spectre est généré par la chaleur) est identique au modèle de référence, ce qui conduit à avoir les indices Ra, Rf, Rg et la représentation vectorielle quasiment parfaits.

TM 30 15 halogène

Conclusion

La TM 30-15 est donc très complète et a beaucoup d'atouts pour prendre la place de l'IRC mais comme le précise la CIE 224 en conclusion (voir ci-dessous), il est encore nécessaire d'avoir des retours d'expérience pour imposer cette méthode.

L'inertie globale du marché peut être également un frein même si certains organismes officiels conseillent maintenant d'indiquer, à côté de l'indice Ra de l'IRC, des valeurs de la TM 30-15 comme l'indice Rf voire l'indice Rg.

La TM 30-15 : au-delà de la mesure, un outil La TM 30-15 permet de mesurer en toute objectivité le rendu des couleurs sous un éclairage donné mais les effets recherchés ou les préférences des utilisateurs dans bien des cas ne correspondent pas à Rf=100 et Rg=100, c'est à dire à un rendu des couleurs identique à celui de la lumière référente.
En effet, suivant les situations, il peut être intéressant de saturer telle ou telle couleur (pour des besoins esthétiques ou marketing par exemple) et de nombreuses études montrent que, de manière générale, les utilisateurs ont tendance à préférer un Rf au plus près de 100 mais des couleurs plutôt saturées, donc un Rg supérieur à 100 (les sources de lumière ayant un Rg inférieur à 80 voire 90 sont d'ailleurs rapidement mises de côté lors de tests).
Cette possibilité de plus ou moins saturer les couleurs correspond d'ailleurs à l'une des valeurs ajoutées que peut apporter la lumière artificielle (ce qui même aller jusqu'à proscrire l'apport de lumière naturelle pour mieux maîtriser les couleurs, comme cela peut être le cas dans l'aménagement de magasins).
Conclusion de la CIE 224:2017 (en anglais)
"This Technical Report describes a scientifically accurate measure of colour fidelity with respect to a reference illuminant, addressing several inaccuracies of the CRI as a colour fidelity index. The general colour fidelity index, Rf, uses, among several improvements, an updated object colour space and 99 test-colour samples, which covers a large range of the three-dimensional colour space populated uniformly and includes a wide range of objects existing in the real world. This allows scientifically fair evaluation of all light spectra for all 99 object colours in terms of colour fidelity, avoiding anomalies for specific shapes of spectral distributions or specific colour objects.
The general colour fidelity index value, Rf, however, does not address the need for perception-related colour quality measure(s) beyond fidelity, which is addressed in TC 1-91 and future work. Although the CIE general colour rendering index, Ra, was not intended for such use by the CIE, it has been expected, by many users, to provide overall colour quality information for lamp selection. Clearly, the general colour fidelity index, Rf, described in this report is not designed for such a purpose and is not recommended to replace, for the purpose of rating and specification of products in general lighting nor for regulatory or other minimum performance requirements, the CIE general colour rendering index, Ra (CIE 1995). Colour fidelity is only one of the important aspects of colour quality for the evaluation and specification of white-light sources, and the method described in this Technical Report is provided for consideration in the development of a future harmonized set of colour quality characterization methods that together can be used for users’ lamp selection and rating of lighting products.
The CRI was designed as a colour fidelity measure but contained unintentional inaccuracies in its formulae and used a limited number of test-colour samples. As a result, the CIE general colour rendering index, Ra, deviated from a scientifically accurate colour fidelity measure. However, for many years lighting manufacturers have been using the CRI as a measure for designing and developing light sources, to help achieve the critical balance between colour quality and energy efficiency for different applications.
Thus the general colour fidelity index, Rf, and the general colour rendering index, Ra, have different characteristics. Similar to the general colour rendering index, Ra, the general colour fidelity index, Rf, combines the computed colour differences for all test-colour samples in one single average index value, and is only one aspect of colour quality not considering perception/preference effects. Therefore, it is considered that such unintended uses of CRI as an overall colour quality measure for end users may not be better fulfilled by a more accurate general colour fidelity index, Rf. This is because the users’ evaluation is influenced by factors beyond colour fidelity such as chroma effects, and the detailed nature of specific illumination tasks. Thus a possible extension or replacement of the CRI will be a matter of future study and discussion that will include the evaluation of Rf along with development of a harmonized set of new colour quality measures for assessing perception-related effects beyond colour fidelity and practical aspects for manufactures and end-users. This Technical Report with the description of the general colour fidelity index, Rf, is one contribution toward that greater effort.
It should also be understood that the scientifically accurate colour fidelity index proposed in this report is being presented for assessment by the worldwide lighting community, which may lead to further improvements. For example, it will be important to check whether the sensitivity of CAM02-UCS in the blue region appropriately assesses the impact of shifts of peak wavelength in white phosphor LEDs. Users may also evaluate the accuracy benefits of using 99 test-colour samples against the practical advantages of using a smaller number."

mise à jour : 14 septembre 2017