日光色溫及顯色性實(shí)驗(yàn)研究

梁樹(shù)英　楊春宇　張青文　翁季

摘要：

為了解決建筑色彩多從人文審美等定性研究出發(fā)、缺乏科學(xué)定量研究的問(wèn)題，找到不同色溫的日光對(duì)建筑色彩產(chǎn)生影響的函數(shù)關(guān)系，達(dá)到建筑色彩設(shè)計(jì)更科學(xué)化的目的。分析了典型日光及相關(guān)理論，并以典型日光D65和D55為標(biāo)準(zhǔn)照明體，對(duì)日光色溫及其與顯色性之間的定量關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明晴天早晨和傍晚的日光色溫變化幅度較大，在日出后和日落前3 h之間基本穩(wěn)定地保持在4 300～5 300 K之間。日光光源與典型日光（CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體D）的總色差與兩者的色溫差之間存在顯著的正比例關(guān)系，比例系數(shù)約為0.01，其函數(shù)關(guān)系式為ΔE=10×10-2×ΔK（3 500

關(guān)鍵詞：

日光；光譜分析；典型日光理論；日光色溫；色差關(guān)系

建筑色彩包含社會(huì)人文及科學(xué)技術(shù)2方面的內(nèi)容，長(zhǎng)期以來(lái)建筑色彩設(shè)計(jì)多是從歷史、文脈、習(xí)俗、審美等方面進(jìn)行的定性分析，忽視了科學(xué)的定量研究。建筑色彩是在自然空間中呈現(xiàn)出來(lái)的，日光必然會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。日光有初升、日出后、正午、日落前和欲落以及晴天直射、晴天背光和陰天等不同時(shí)相，不同時(shí)相的日光具有不同的色溫和光譜功率分布，在其照射下建筑所呈現(xiàn)的色彩也不盡相同。因此，對(duì)日光光譜、日光色溫及顯色性對(duì)建筑色彩影響的研究是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)理論研究。在日光光譜的研究方面，學(xué)者們進(jìn)行了一系列的研究工作，例如：HernándezAndrés等[1]對(duì)歐洲南部的日光光譜進(jìn)行了測(cè)量和分析，趙曉艷等[2]對(duì)成都地區(qū)的天空光光譜進(jìn)行了測(cè)量和分析，曹婷婷等[3]分別對(duì)大氣上界和地表直射太陽(yáng)光譜和天空光譜進(jìn)行了測(cè)量，還有學(xué)者對(duì)太陽(yáng)輻射光譜和天空光譜進(jìn)行了相關(guān)研究[48]。日光色溫隨氣候、季節(jié)、時(shí)間和天氣等的變化而變化，其中時(shí)間和天氣的變化對(duì)日光色溫的影響最為明顯，李興國(guó)等[9]對(duì)常見(jiàn)的日光色溫進(jìn)行了研究，對(duì)比了自然光和人工光的色溫差別，鄭志雄[10]標(biāo)出了日光和天光在部分云彩之下的綜合色溫。喻柏林等[11]對(duì)光源的色溫和CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體進(jìn)行了研究，并研究了典型日光色度軌跡及其相對(duì)光譜；還有學(xué)者對(duì)CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體的色度和光譜等進(jìn)行了研究[1213]。楊春宇等[1415]對(duì)影響建筑色彩觀測(cè)的因素進(jìn)行了研究，包括不同色溫日光、不同光源等對(duì)建筑色彩的影響。目前，對(duì)日光光譜的研究主要用于大氣污染狀況的檢測(cè)和分析，對(duì)日光色溫本身的研究也比較有限，還缺乏對(duì)日光色溫及其顯色性之間關(guān)系的深入研究。

筆者對(duì)一天中具有不同色溫的不同時(shí)相日光進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，分析一天中日光色溫及其照度變化，同時(shí)，以典型日光D65和D55作為參照照明體，對(duì)不同色溫日光下的標(biāo)準(zhǔn)白板色度變化量進(jìn)行分析，并進(jìn)行色差比較，探討日光色溫與顯色性之間的定量關(guān)系。

梁樹(shù)英，等：日光色溫及顯色性實(shí)驗(yàn)研究

1典型日光及相關(guān)理論

1.1典型日光理論

國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）推薦了4種標(biāo)準(zhǔn)照明體A、B、C、D來(lái)規(guī)范顏色測(cè)量。典型日光（即CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體D）在CIE1931色度圖上表示為一條位于黑體軌跡上方的典型日光色度軌跡，其是由兩類實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定出的：一類數(shù)據(jù)來(lái)自1963年Condit等人測(cè)量的622例不同地區(qū)和不同時(shí)相的太陽(yáng)光和天空光光譜分布；另一類數(shù)據(jù)是同年完成的兩組視覺(jué)色度測(cè)量，即Nayatani等[16]和Chambeilin等[17]分別對(duì)加拿大渥太華和英國(guó)南部的北天空日光的直接視覺(jué)觀察。針對(duì)Condit等人測(cè)量的622例日光光譜分布，Judd等[18]用統(tǒng)計(jì)學(xué)的特征矢量分析重新組合出一定相關(guān)色溫的典型日光光譜功率分布。由這622例日光光譜分布曲線可以得到1條平均曲線S0，分析這些曲線偏離S0的變化，可以找到偏離S0的最突出特征矢量S1和第2個(gè)最突出特征矢量S2，以及第3特征矢量S3和第4特征矢量S4等。一般而言，用特征矢量S1、S2和相應(yīng)的乘數(shù)M1、M2就能很好地符合不同色溫的日光光譜分布[1920]（圖1）。

根據(jù)典型日光理論，不同色溫日光的相對(duì)光譜功率分布公式為：

1.2日光光譜功率分布與日光色溫

根據(jù)前文所述理論，不同時(shí)相的日光對(duì)應(yīng)著不同相關(guān)色溫的標(biāo)準(zhǔn)照明體D，也就對(duì)應(yīng)著不同的相對(duì)光譜功率分布。定義典型日光的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于實(shí)測(cè)日光，其相對(duì)光譜功率分布與實(shí)測(cè)日光很相似，和其他標(biāo)準(zhǔn)照明體相比，典型日光的色度點(diǎn)與實(shí)際日光更符合，因此CIE推薦研究時(shí)實(shí)測(cè)日光用典型日光D55（相關(guān)色溫5 503 K）、D65（相關(guān)色溫6 504 K）和D75（相關(guān)色溫7 504 K）來(lái)代替，并盡可能使用典型日光D65。

從光源的顯色性來(lái)分析，其顯色性是由光源的光譜功率分布決定的[19]，連續(xù)光譜的光源具有較好的顯色性。日光是連續(xù)光譜，日光色溫能代表其光譜功率分布，也能反映其顯色性。從色度實(shí)踐的角度而言，研究日光的光譜功率分布意義不大，且有一定的難度。因此一般在日光光源條件下，可用日光色溫來(lái)衡量其顯色性，進(jìn)行色度測(cè)量和分析。

色溫的感覺(jué)量用MK-1（每兆開(kāi)）表示，其計(jì)算公式為[21]：

106/色溫K=MK-1（2）

從式（2）可以看出，色溫的感覺(jué)量是由倒數(shù)色溫來(lái)度量的。在實(shí)際測(cè)量中，光源的色溫同樣相差200 K，但其感覺(jué)量就會(huì)有很大不同。例如：5 000 K和5 200 K的2個(gè)光源，色溫感覺(jué)量約為8 MK-1；而2 000 K和2 200 K的光源，色溫感覺(jué)量就約為45 MK-1。為了進(jìn)一步探討日光色溫與色差之間的定量關(guān)系，筆者對(duì)日光色溫及顯色性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

2日光色溫及顯色性實(shí)驗(yàn)研究

2.1實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)實(shí)際測(cè)量，陰天時(shí)日光色溫比較穩(wěn)定，大致處于6 000～7 000 K之間，其與典型日光D65的色溫比較接近，而晴天時(shí)日光色溫在一天中的變化幅度很大，因此著重研究晴天時(shí)日光色溫及其照度的變化情況。跟蹤觀測(cè)晴天一天中正對(duì)太陽(yáng)直射光的標(biāo)準(zhǔn)白板直射面的各項(xiàng)參數(shù)，分析一天中日光自身的變化規(guī)律，并在CIEXYZ和CIELab色彩空間中將測(cè)量數(shù)據(jù)與CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體D（典型日光）下的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行色差比較，分析日光色溫變化對(duì)建筑色彩的影響規(guī)律。

2.2實(shí)驗(yàn)步驟

在重慶市選擇一個(gè)夏季全晴天（具體測(cè)量日期為2012年8月14日；正午的太陽(yáng)高度角為74°49′；日出和日落分別為6時(shí)21分和19時(shí)33分；日正中天為12時(shí)56分；晝長(zhǎng)13小時(shí)11分；測(cè)量時(shí)間為北京時(shí)間，時(shí)區(qū)為UTC +8），在室外條件下正對(duì)太陽(yáng)直射光垂直放置標(biāo)準(zhǔn)白板，并將一天分為16個(gè)不同時(shí)段，在不同時(shí)間點(diǎn)用PR650亮度色度計(jì)和ST—80C數(shù)字照度計(jì)測(cè)量其直射面的亮度、色度、色溫和照度等，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

將測(cè)量數(shù)據(jù)使用AIM_XLA（EXCEL加載宏）進(jìn)行色度計(jì)算和轉(zhuǎn)換，并用Origin 8.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖和分析。為了便于計(jì)算和分析，色差計(jì)算均采用國(guó)際上有代表性的CIEDE2000色差公式。

2.3晴天日光色溫及照度變化趨勢(shì)分析

經(jīng)過(guò)測(cè)量，晴天日光亮度、色度、色溫和照度參數(shù)如表1所示。將一天中的日光色溫和水平照度的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到晴天日光色溫及水平照度的變化曲線（圖2）。

從表1數(shù)據(jù)和圖2晴天日光色溫及水平照度變化圖中可以看出：晴天時(shí)，日光色溫基本處于3 500～7 500 K之間，早晨和傍晚日光色溫變化幅度較大，早晨時(shí)日光色溫急速下降，傍晚時(shí)日光色溫急速上升，而在1 d中的大部分時(shí)間（日出3 h之后和日落3 h之前），日光色溫的變化幅度較小，基本穩(wěn)定地保持在一定的水平上（4 300～5 300 K）；而日光亮度、水平照度和垂直照度的變化則比較規(guī)律，基本符合太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡，在一天中先上升后下降，其最大值出現(xiàn)在正午前后。

2.4日光色溫與總色差的關(guān)系研究

2.4.1CIE XYZ色空間為了定量分析日光色溫變化對(duì)建筑色彩的影響規(guī)律，研究其顯色性，本文分析了不同色溫日光下標(biāo)準(zhǔn)白板的色度數(shù)據(jù)，并以CIE推薦的D65（即相關(guān)色溫6 504 K的典型日光）標(biāo)準(zhǔn)照明體作為參照照明體，將觀測(cè)數(shù)據(jù)在CIEXYZ色空間中進(jìn)行色差比較。定義典型日光D65的Y、x、y值分別為0.994、0.3127、0.329[14]，那么標(biāo)準(zhǔn)白板的色度值就是其與典型日光D65照明條件下的色彩偏差值。從前文的理論分析可知，光源的光譜功率分布決定了其顯色性，日光是連續(xù)光譜，日光色溫能代表其光譜功率分布，也能反映其顯色性。因此，日光色溫與其顯色性之間必然存在一定的關(guān)系。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)AIM_XLA（EXCEL加載宏）計(jì)算和Origin 8.0軟件分析，得到不同色溫日光與典型日光D65的總色差與兩者色溫差之間的函數(shù)關(guān)系圖（圖3）。