TM-30: complesso non vuol dire difficile

Oggi Nicola Bortolaso inizia a smontare il castello del CRI, costruito cinquant’anni fa quando ancora non esisteva la tecnologia LED. E ci racconta le potenzialità di questo metodo scientifico sviluppato dalla IES, per migliorare la qualità dei prodotti di illuminazione e dei progetti di lighting design.

Ripartiamo da dove ci siamo fermati nello scorso articolo, ossia alla necessità di avere un linguaggio comune per ricercare, analizzare e comunicare le caratteristiche delle sorgenti luminose rispetto alla loro capacità di rendere più o meno fedelmente i colori degli oggetti e degli ambienti illuminati. È necessaria una breve premessa riguardo il significato di resa cromatica, comunemente indicata come: Effetto di un illuminante sull’aspetto del colore degli oggetti attraverso il confronto conscio o subconscio con il loro aspetto sotto un illuminante di riferimento.

Per quantificare questa caratteristica da oltre cinquant’anni si utilizza il CRI, ovvero Color Rendering Index un metodo sviluppato dalla commissione internazionale d’illuminazione CIE nel 1964, viene testata illuminando (teoricamente non fisicamente) 8 campioni di colore (14 con l’aggiunta dei colori più saturi), la media aritmetica della risposta di questi campioni rispetto alla resa di un illuminante di riferimento è il valore Ra, l’indice di resa cromatica, rappresentato in una scala in cui il valore più alto è 100, raggiunto solo dalle sorgenti incandescenti/alogene.

Non è scopo di questo articolo approfondire ulteriormente la metodologia indicata né tantomeno indagarne l’affidabilità rispetto al metodo che andrò ad illustrarvi, ma in uno dei prossimi articoli, con le basi che porremmo oggi, andremo a smontare un pezzo alla volta questo castello costruito più di cinquant’anni fa, quando i LED ancora non esistevano e l’indice Ra era più una questione di marketing che una vera e propria caratteristica sulla quale valutare la qualità di un prodotto.

L’ ANSI/IES TM-30-20: IES Method for Evaluating Light Source Color Rendition o più amichevolmente TM-30 è un sistema sviluppato dall’Illuminating Engineering Society che, tramite l’utilizzo di diverse misure e grafici correlati utilizzabili singolarmente o insieme, serve a valutare e comunicare efficacemente le proprietà di resa cromatica di una sorgente luminosa. Lo sviluppo del metodo ha comportato la sintesi di molteplici ricerche correlate e la combinazione di idee in un unico sistema coesivo di informazioni oggettive, che possono essere utilizzate per aiutare i processi decisionali, come trovare la sorgente luminosa preferita per una data applicazione o valutare i compromessi tra efficacia e resa cromatica.

Partiamo sfatando un mito, capire il TM-30 non è difficile, vedrete che dopo questa lettura avrete già le idee più chiare. Per approfondire però, bisognerà armarsi di un po’ di pazienza e curiosità, leggere con attenzione il documento ufficiale scaricabile gratuitamente al link che trovate in bibliografia, scaricare il tool Excel anch’esso gratuito, e iniziare a guardarci dentro. Trovate anche due webinar molto interessanti direttamente dagli autori del documento, anch’essi in bibliografia.

In questo articolo ci soffermeremo sull’interpretazione dei risultati forniti dal tool di calcolo, troppo spesso ridotti ai due unici indicatori Rf ed Rg. I risultati forniti dal metodo a seguito dell’analisi dello spettro (SPD) che si intende indagare, sono di due tipi: valori numerici come Rf (Fidelity Index) e Rg (Gamut index), rappresentazioni grafiche come i grafici vettoriali, i grafici di saturazione e di spostamento di tinta per i 16 angoli di tinta. Perché così tanti risultati per un’informazione che fino ad oggi pareva così chiara e semplice tramite l’indicazione di un valore unico, l’Ra?

Per rispondervi faccio un esempio: consideriamo un dato oggetto, ad esempio la farfalla qui sotto. In generale, la nostra sorgente luminosa può modificare il colore della farfalla dal suo colore naturale in diversi modi. Può diventare più saturo, meno saturo o anche cambiare la sua tonalità (sembrare più verde o viola). Uno dei principali obiettivi delle metriche di resa del colore è quello di quantificare questo tipo di cambiamenti di colore – in altre parole – di assegnare loro dei valori che corrispondono alla nostra percezione dei cambiamenti di colore, e questo è reso possibile solamente da un metodo completo che dia informazioni su ognuno di questi spostamenti e permetta di comunicarli facilmente.

Andiamo con ordine, il primo valore che vi illustrerò è il Fidelity Inde: Rf.  Come il ben noto Ra, è un confronto della resa dei colori della sorgente luminosa di prova rispetto alla sorgente luminosa di riferimento.  Il metodo TM-30 utilizza il set di 99 campioni di colore mostrato qui sopra.  Questi campioni di colore sono tratti da oggetti del mondo reale, tra cui tessuti, plastiche, tonalità della pelle, materiali stampati, oggetti naturali e vernici.

Campioni colore utilizzati nel TM-30

Questi colori sono stati selezionati da un enorme database di circa 105.000 campioni. Nel ridurre questo numero a uno più gestibile, gli autori del TM-30 si sono assicurati che i campioni di colore fossero distribuiti uniformemente nello spazio di colore utilizzato (CAM02-UCS) e che le loro riflettanze spettrali fossero distribuite uniformemente nello spettro visibile, come mostrato nel grafico qui sotto.

In uno dei prossimi articoli vi spiegherò la motivazione di questa ricerca di uniformità, strettamente legata al problema del tuning spettrale (drogare la sorgente luminosa per ottenere un punteggio più alto), abitudine abbastanza diffusa ai tempi del solo valore Ra come riferimento di resa cromatica.

Il secondo valore numerico che prendiamo in esame è il Gamut Index, Rg.  Questo indice rappresenta il cambiamento medio nella saturazione dei 99 campioni di colore illuminati dalla sorgente di test rispetto alla sorgente di riferimento. Un valore Rg di 100 indica che, in media, la fonte di luce in questione non cambia la saturazione dei 99 campioni rispetto alla fonte di luce di riferimento.  Un valore Rg superiore a 100 indica che, in media, la fonte di luce rende i colori più saturi della fonte di riferimento mentre un Rg inferiore a 100 indica che, in media, la fonte di luce rende i colori meno saturi della fonte di riferimento. Rg non ha un valore massimo o minimo, ma la gamma possibile aumenta al diminuire di Rf, come mostrato nel grafico qui sopra. L’area a sinistra delle linee grigie mostra la gamma dei possibili valori di Rg.

Rapporto tra valori Rf ed Rg

Questo grafico ha un senso molto pratico in quanto è facilmente comprensibile: più un colore è saturato o desaturato e meno potrà essere fedele all’originale. Poiché Rg è una media, non dice nulla sul possibile cambiamento di saturazione per ogni singolo bin di angolo di tonalità o per ogni singolo campione di colore dei 99 del set.

Introduciamo quindi ora un altro punto fondamentale del TM-30 ossia il grafico vettoriale, utilizzato per rappresentare gli spostamenti di saturazione e di tinta nelle 16 aree cromatiche identificate. Il grafico è idealmente diviso in 16 aree cromatiche che rappresentano dei “bin” di colore, utili a comprendere il comportamento di una sorgente in una specifica area cromatica, e facilitare così la lettura dei valori di saturazione e spostamento di tinta.

Tramite questo grafico possiamo avere un’informazione di quali colori risultano più o meno saturi. La fonte di luce di riferimento è rappresentata dal cerchio nero, la deviazione al di fuori di questa regione mostra un aumento della saturazione per il colore, mentre uno spostamento all’interno, mostra una diminuzione della saturazione. 

Tramite questo grafico vettoriale è possibile anche avere una immagine indicativa di come viene distorta la tinta originale, tramite le frecce dal cerchio bianco a quello nero, la tinta di partenza viene rappresentata come un’altra tinta con uno spostamento angolare e non solo dall’interno verso l’esterno come per la saturazione. Per avere dei dati numerici rispetto a questi cambi di saturazione e tinta vengono in nostro soccorso i grafici specifici in cui sono riportati i valori numerici relativi ai singoli bin. Con il primo si indica la percentuale di saturazione e desaturazione nei singoli spazi colore, nel secondo si indica lo spostamento angolare della tinta, molto utile ad esempio nelle applicazioni in cui ci sia una primaria necessità di mantenere i colori più simili a quelli di partenza in termini di coerenza della tinta, come ad esempio nell’industria tessile.

Qui sopra trovate anche il grafico relativo ai valori del Fidelity index nei diversi bin di tinta. Vi riporto qui sotto la stampa di un report completo del TM-30, così potrete vedere come il tool di Excel gratuito ve lo presenta.

Non sembra più così complicato ora o sbaglio? Spero che risulti chiaro a questo punto come il metodo TM-30 offra una quantità e qualità di dati rispetto alla resa cromatica talmente ampie da poter essere utilizzate per sviluppare, produrre e prescrivere prodotti migliori e più performanti con caratteristiche specifiche per diverse applicazioni. Da molti anni l’Illuminating Engineering Society si batte per affermare questo metodo nel mondo dell’illuminazione, dai lighting designers ai produttori di corpi illuminanti, dai normatori ai fabbricanti di componenti LED. I risultati finora raggiunti sono stati molti e lodevoli, ma, complice la complessità (rispetto al CRI) del metodo, la strada è ancora lunga. La resistenza al cambiamento e la pigrizia sono le due cause principali, a mio onesto parere, per le quali questo metodo non è ad oggi riconosciuto come l’unico e di riferimento per calcolare e comunicare la qualità della luce rispetto alla resa cromatica.

Spero di avervi dimostrato che non è poi così complicato, nei prossimi articoli vedremo come la TM-30 può essere utilizzata per migliorare i progetti di lighting design e i prodotti di illuminazione e capiremo perché non ha più senso dopo più di 50 anni, parlare ancora di CRI.

Alla prossima.

Bibliografia e letture consigliate:

TM-30-20 official document and Excel tool free download – IES bookstore

https://store.ies.org/product/tm-30-20-ies-method-for-evaluating-light-source-color-rendition/

WEBINAR: UNDERSTANDING AND APPLYING TM-30-15

https://www.energy.gov/eere/ssl/webinar-understanding-and-applying-tm-30-15

WEBINAR: A TECHNICAL DISCUSSION OF TM-30-15

https://www.energy.gov/eere/ssl/downloads/webinar-technical-discussion-tm-30-15

(tutte le immagini courtesy: https://www.ies.org/)