古建筑彩畫照明用光源顯色性評(píng)價(jià)方法研究

王文亞，張明宇，孫文超

(天津大學(xué)天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

古建筑彩畫照明用光源顯色性評(píng)價(jià)方法研究

王文亞，張明宇，孫文超

(天津大學(xué)天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

中國古建筑彩畫既能為木質(zhì)構(gòu)件帶來防腐作用，同時(shí)其自身絢麗多彩的圖案又增加了建筑物的美感。彩畫豐富的色彩和紋樣，要求夜景照明用光源的顯色性必須好。但高顯色指數(shù)的光源有時(shí)也并不能營造出彩畫夜景的良好效果，很大程度上是由于CRI-Ra在計(jì)算顯色性時(shí)采用了代表顏色的色彩表現(xiàn)來衡量光源的顯色能力，使評(píng)價(jià)結(jié)果不是特別準(zhǔn)確；此外，CRI-Ra在計(jì)算時(shí)僅考慮了色彩保真，即在顯色能力評(píng)價(jià)上也不全面。為此，本文對(duì)現(xiàn)有顯色性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了梳理，并根據(jù)古建筑彩畫夜景設(shè)計(jì)要求，從中選出了適用于彩畫照明的評(píng)價(jià)方法，最后根據(jù)彩畫標(biāo)準(zhǔn)色樣的顏色特征進(jìn)一步選出了能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)彩畫照明用光源的方法，為彩畫照明設(shè)計(jì)選用光源提供了科學(xué)依據(jù)。

彩畫；光源；顯色性；評(píng)價(jià)方法

引言

在探討古建筑彩畫照明效果時(shí)，不得不將照明光源的色溫和顯色性指標(biāo)納入進(jìn)來，因?yàn)樯珳睾惋@色性是評(píng)價(jià)光源色彩表現(xiàn)的基本參數(shù)；近年來，古建筑光源色溫逐漸滿足了人們的視覺習(xí)慣，此時(shí)光源的顯色性便成為了彩畫夜間色彩表現(xiàn)的更為重要的指標(biāo)。

現(xiàn)階段，人們常用顯色指數(shù)CRI-Ra來評(píng)價(jià)光源的顯色性，但在彩畫景觀照明時(shí)，高顯色指數(shù)的光源有時(shí)也并不能營造彩畫夜景的良好效果(如圖1、圖2所示)。因?yàn)?，CRI-Ra采用了8種代表顏色的色彩表現(xiàn)來衡量光源的顯色能力，因而不能準(zhǔn)確地考量光源對(duì)所有色彩的表現(xiàn)能力。本文回顧了現(xiàn)階段針對(duì)光源顯色性提出的不同評(píng)價(jià)方法，根據(jù)它們的計(jì)算原理、彩畫照明設(shè)計(jì)要求及彩畫色彩特征篩選出了能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)彩畫照明用光源顯色性的方法，從而為彩畫照明設(shè)計(jì)選用光源提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 祈年殿，彩畫色彩失真Fig.1 Qiniandian, color distortion of color drawing

圖2 西安鐘樓，彩畫色彩不易識(shí)別Fig.2 Xi′an tower, color drawing is not easy to identify

1 現(xiàn)階段針對(duì)光源顯色性提出的評(píng)價(jià)方法

本文回顧了近年來國際照明委員會(huì)CIE、美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)和北美照明委員會(huì)(IES)等一些研究機(jī)構(gòu)提出的評(píng)價(jià)光源顯色性的方法，將它們分為5類，并分別介紹了它們的計(jì)算原理。

1.1 基于顏色保真度的評(píng)價(jià)方法

1)CIE一般顯色指數(shù)Ra，采用CIE 1～8 號(hào)標(biāo)準(zhǔn)色板，通過Von Kries色適應(yīng)轉(zhuǎn)換和1964 U*V*W*均勻色空間計(jì)算色差進(jìn)而求得Ra。

2)CRI-CAM02UCS顯色指數(shù)，在顏色樣品選用上與Ra一致，主要是改進(jìn)了CIE 顯色指數(shù)中所用的色適應(yīng)變換和顏色空間，使用了CAM02-UCS均勻色空間，其評(píng)價(jià)結(jié)果計(jì)算流程與CIE顯色指數(shù)類似。

3)CRI 2012顯色指數(shù)，在顏色樣本選擇上，采用了與現(xiàn)行顯色指數(shù)完全不同的顏色樣本，使用了兩套顏色樣本：HL17顏色樣本，由數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)得到，光譜特性均勻分布，用于一般顯色指數(shù)的計(jì)算；Real 210顏色樣，包含 90種高顏色恒常性的樣本和 90種低顏色恒常性的樣本，剩下的 30 種色塊是10種常用的美術(shù)用色和出現(xiàn)4次的5種膚色，用于特殊顯色指數(shù)的計(jì)算。它同樣采用了CAM02-UCS均勻色空間來計(jì)算色差進(jìn)而求指標(biāo)值。

1.2 基于顏色偏好性的評(píng)價(jià)方法

1)奉承指數(shù)(Rf)，仿照了CRI，顏色樣本選用了CIE標(biāo)準(zhǔn)樣板1～8號(hào)、13號(hào)及14號(hào),并在計(jì)算色差時(shí)對(duì)其權(quán)重進(jìn)行了調(diào)整：13號(hào)(膚色)/35%、2號(hào)/15%、14號(hào)/15%、其余每塊5%，突出了人的膚色權(quán)重，從而重點(diǎn)反映人們常見的皮膚和綠色的顏色認(rèn)知。Rf的計(jì)算原理基本與CRI-Ra相同，除了目標(biāo)顏色的計(jì)算，它在色差的計(jì)算上不再以標(biāo)準(zhǔn)參照光源下計(jì)算的真實(shí)顏色為比對(duì)目標(biāo)，而是以標(biāo)準(zhǔn)參照光源下視覺評(píng)估的最佳顏色為比對(duì)目標(biāo)。

2)顏色偏好指數(shù)(CPI)，它與Rf一樣利用了偏好色這一概念。在顏色樣本選用上，它使用了與一般顯色指數(shù)同樣的8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色塊，且各色塊權(quán)重相同；它同樣以CIE 8塊標(biāo)準(zhǔn)樣本在測試光源照明下的色度與最佳色度的色差計(jì)算指標(biāo)值。

3)記憶色顯色指數(shù)(MCRI)，它的基本思想非常簡單，通過比對(duì)一組熟悉的物體(水果、花朵、皮膚等)的外觀顏色與其記憶顏色的相似程度來評(píng)估測試源的顏色質(zhì)量，相似度越高，光源的顯色質(zhì)量就越好。它采用了一套完全不同于Ra的計(jì)算模型，將視覺評(píng)估得分與樣品刺激值IPT坐標(biāo)(采用MATLAB lsqcurvefit函數(shù))擬合，得到形似性分布函數(shù)Si(Xi)，進(jìn)而計(jì)算相似度Si。

1.3 基于顏色區(qū)分度的評(píng)價(jià)方法

1)色彩辨別指數(shù)(CDI)，采用了CIE8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色板，通過計(jì)算光源照明下8個(gè)色板在色空間中圍成的色域面積來反映光源的顯色能力。

2)圓錐表面積指數(shù)(CSA)是在色彩辨別指數(shù)(CDI)基礎(chǔ)上，將亮度因素加入考慮范圍提出的，也采用了CIE 8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色板，在計(jì)算時(shí)假定錐的基礎(chǔ)為圓形，且面積與8個(gè)色板圍城的U′、V′八角形色域相等，垂直高度為光源的W′色度，通過計(jì)算椎體表面積進(jìn)而求得指標(biāo)值。

3)感知差異指數(shù)(FCI)，選擇紅、綠、黃、藍(lán)四種顏色組合構(gòu)成紅綠黃與紅綠藍(lán)兩個(gè)三角形色域，通過在CIELAB空間計(jì)算兩個(gè)三角形色域面積和來計(jì)算指標(biāo)值。

4)色域指數(shù)(GAI)，與色彩辨別指數(shù)CDI基本相同，采用和Ra一致的顏色樣品，在CIE 1964色空間中定義多邊形，也通過計(jì)算多邊形面積求指標(biāo)值。

1.4 基于顏色和諧度的評(píng)價(jià)方法

色彩和諧指數(shù)HRI，它是通過顏色和諧模型公式(基于CIECAM02色調(diào)，色度和亮度與兩個(gè)或三個(gè)顏色組合的顏色相關(guān)性擬合得到)，計(jì)算不同樣品組合在測試與參照光源下的顏色和諧差異，進(jìn)而預(yù)測待測光源的和諧指數(shù)。

1.5 綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)方法

1)顏色質(zhì)量尺度CQS(Qa)，它為一般性評(píng)價(jià)指標(biāo)，在樣本選用上采用了15種高飽和度樣本，在計(jì)算流程上與基于顏色保真度的評(píng)價(jià)方法相近，采用CMCCAT 2000進(jìn)行色適應(yīng)轉(zhuǎn)換，使用CIELAB色差公式計(jì)算色差進(jìn)而求其指標(biāo)值。Qf、Qp和Qg為顏色質(zhì)量尺度CQS的補(bǔ)充性指標(biāo)，適用于有特殊需求的專業(yè)用戶，在計(jì)算時(shí)Qf、Qp計(jì)算手段與Qa一致均采用色差計(jì)算指標(biāo)值；但Qf作為一個(gè)純還原性的指標(biāo)，對(duì)光譜所引起的任何方向的顏色漂移均有減分，而Qp則對(duì)使樣品顏色往彩度更高方向的漂移加分；Qg則與基于顏色區(qū)分度的評(píng)價(jià)方法計(jì)算原理相似，通過計(jì)算色域面積進(jìn)而求指標(biāo)值。

2)TM-30-15采用了雙指標(biāo)——色彩逼真指數(shù)Rf和色彩飽和指數(shù)Rg。Rf也是以色差為計(jì)算手段，計(jì)算流程與基于顏色保真度的評(píng)價(jià)方法相近，采用了CIECAM02-UCS進(jìn)行色適應(yīng)變換和色差計(jì)算；在樣本選用上采用了生活中常見的99種顏色代替孟賽爾色板，具有覆蓋均勻色空間、光譜敏感度中性、包含各種真實(shí)物體的屬性。Rg是基于顏色區(qū)分度的評(píng)價(jià)方法改進(jìn)得到的，也以色域面積為指標(biāo)計(jì)算手段。

2 各類顯色性評(píng)價(jià)方法在彩畫照明設(shè)計(jì)中的適用性

2.1 古建筑彩畫照明設(shè)計(jì)需求

2.1.1 彩畫的紋樣及色彩

傳統(tǒng)建筑彩畫有著獨(dú)特的藝術(shù)風(fēng)格，種類不同, 形式各異，既追求裝飾的整體效果，也注重對(duì)細(xì)節(jié)的表現(xiàn)(如圖3所示)。彩畫的細(xì)節(jié)圖案在表現(xiàn)上不斷吸取、提煉、精簡其他藝術(shù)作品中的精華部分，形成了復(fù)雜細(xì)膩、種類繁多的紋樣，如：云氣、龍鳳、綾錦織紋、卷草花卉、回紋、萬字、壽字等。在色彩使用上，彩畫常以青、綠色為主調(diào), 檐下濃重的青綠色，在視覺上使出檐更加突出，檐下陰影部分更顯深邃感。金色也是主要用色之一,紅色、黑色、白色次之，香色是用于特殊建筑上的。

圖3 彩畫的紋樣及色彩Fig.3 The pattern and color of the drawing color

2.1.2 彩畫照明設(shè)計(jì)需求

中國古建筑彩畫的色彩反映了當(dāng)時(shí)的藝術(shù)欣賞水平和用色的考究程度，在彩畫不斷發(fā)展過程中，人們逐漸制定了一些規(guī)定和要求，后來它演變成了表現(xiàn)建筑等級(jí)的手段，用來體現(xiàn)社會(huì)等級(jí)制度和建筑文化內(nèi)容。如今，彩畫色彩及其描繪的場景已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了視覺和藝術(shù)的范疇，從一定意義來說是中國文化的部分載體，因而彩畫照明必須具備一定的審美要求。

1)原真性：古建筑彩畫景觀照明必須保證其色彩的真實(shí)性。中國古建筑已經(jīng)存在了上千年，人們在長期的生活中對(duì)日間古建筑的色彩特征形成了深刻的記憶，所以在夜景照明時(shí)人們往往也追求其色彩的真實(shí)性，即追求再現(xiàn)日光下的色彩。

2)易識(shí)別性：彩畫紋樣豐富，色彩變化多端，它也同古建筑一樣具有嚴(yán)格的等級(jí)區(qū)別，不同色彩搭配的彩畫具有不同的文化內(nèi)涵，因而古建筑彩畫景觀照明必須滿足其色彩的易識(shí)別性，從而有效的傳播中國傳統(tǒng)文化。

2.2 各類評(píng)價(jià)方法的適用性

從古建筑油飾彩畫照明設(shè)計(jì)需求可知，光源顯色性需滿足顏色的保真和區(qū)分要求，而考察光源這兩方面能力的分別為“色差”和“色域面積”值。由上述評(píng)價(jià)方法介紹可知，各評(píng)價(jià)方法的計(jì)算手段如表1所示。

表1 評(píng)價(jià)方法計(jì)算手段

注：(1)、(2)、(3)、(4)、(5)分別表示“基于顏色保真度的評(píng)價(jià)方法”、 “基于顏色偏好性的評(píng)價(jià)方法”、“ 基于顏色區(qū)分度的評(píng)價(jià)方法”、“ 基于顏色和諧度的評(píng)價(jià)方法”、“ 綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)方法”。其中，色差越小，光源顯色性越好；色域面積和和諧指數(shù)越大，光源顯色性越好

由此可知，滿足彩畫“原真性”要求的評(píng)價(jià)指標(biāo)有：CRI-CAM02UCS 顯色指數(shù)、顯色指數(shù)CRI 2012、CQS(Qa)及TM-30-15中的Rf；滿足彩畫“易識(shí)別性”要求的評(píng)價(jià)方法有：色彩辨別指數(shù)(CDI)、圓錐表面積指數(shù)(CSA)、感知差異指數(shù)(FCI)、色域指數(shù)(GAI)、CQS(Qg)及TM-30-15中的Rg。

此外，基于顏色偏好和顏色和諧度的評(píng)價(jià)方法，可用于仿古類建筑彩畫照明光源的評(píng)價(jià)，因?yàn)槠洳十嬕咕罢彰髦饕康脑谟谖说年P(guān)注。

3 彩畫景觀照明用光源顯色性評(píng)價(jià)方法

3.1 評(píng)價(jià)法方法準(zhǔn)確性的判定

雖然上述各適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算手段均符合彩畫照明設(shè)計(jì)的需求，但它們同CRI-Ra一樣采用了以代表顏色的顯色性來衡量光源的整體顯色能力的方法，因此使用它們評(píng)判光源在古建筑彩畫照明中的顯色能力，還必須驗(yàn)證這些代表顏色是否覆蓋了彩畫標(biāo)準(zhǔn)的色樣(標(biāo)準(zhǔn)色樣孟賽爾參數(shù)，如表2所示)，即對(duì)這些評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行判定。

表2 彩畫標(biāo)準(zhǔn)色樣孟賽爾參數(shù)

注：引自《古建園林彩畫色彩及光照保護(hù)系統(tǒng)研究與應(yīng)用》

表3 各適用性指標(biāo)的色樣及特征

由表2可知，彩畫標(biāo)準(zhǔn)色樣均為低明度顏色，紅色飽和度較高，藍(lán)色飽和度中等，綠色香色飽和度較低；對(duì)比于各適用性指標(biāo)的色樣特征(表3)可知，僅TM-30-15(Rf/Rg)覆蓋了彩畫的標(biāo)準(zhǔn)色樣。

3.2 評(píng)價(jià)方法TM-30-15(Rf/Rg)

評(píng)價(jià)方法TM-30-15采用色彩逼真指數(shù)Rf和色彩飽和指數(shù)Rg兩個(gè)指標(biāo)判斷光源顯色性(計(jì)算過程如圖4所示)，并用顏色矢量圖形來表現(xiàn)各顏色樣品在待測光源下的色調(diào)、飽和度相對(duì)于參照光源的偏移情況(如圖5所示)。

圖4 TM-30-15(Rf/Rg)計(jì)算流程Fig.4 The calculating process of TM-30-15(Rf/Rg)

圖5 TM-30-15的顏色矢量圖Fig.5 The color vector graph of TM-30-15

因而，這種評(píng)價(jià)方法滿足彩畫照明設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)，矢量圖準(zhǔn)確地展現(xiàn)光源對(duì)各個(gè)顏色的顯色能力，使照明設(shè)計(jì)選用光源十分具有準(zhǔn)確性。

4 總結(jié)

本文對(duì)現(xiàn)階段提出的光源顯色性的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了總結(jié)，并結(jié)合彩畫照明設(shè)計(jì)藝術(shù)要求，對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)方法在彩畫景觀照明中的適應(yīng)性進(jìn)行了分析，最后根據(jù)彩畫標(biāo)準(zhǔn)色樣特征，選出了能適合評(píng)定彩畫照明用光源的評(píng)價(jià)方法TM-30-15。

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Research on Evaluation Method of Color Rendering Property of Light Sources Used in Colored Drawing of Chinese Classical Architecture Lighting

WANG Wenya, ZHANG Mingyu，SUN Wenchao

(TianjinUniversity,TianjinKeyLaboratoryofArchitecturalPhysicsandEnvironmentalTechnology,Tianjin300072,China)

Colored drawing of Chinese classical architecture not only has antiseptic effect on wood components, but also can increase the aesthetic feeling of the building by a variety of bright and colorful patterns. Its rich colors and patterns require a good color rendering property of light sources. However, sometimes the light sources with high color rendering index cannot create a good night scene, largely because of the CRI-Ra using some typical color performance to measure the color rendering property of light sources, which makes the result of evaluation not particularly accurate. Moreover, CRI-Ra in the calculation only considered color fidelity, which is not comprehensive in the evaluation of color rendering ability. Therefore, this paper makes a literature review of the existing evaluation methods of color rendering, and selects some methods applied to the lighting of color drawing. At last, according to the color feature of the standard color sample, the method which can accurately evaluate the color rendering property is selected, which provides a scientific basis for selecting light sources in lighting design.

colored drawing; light sources; color rendering property; evaluation method

TU113.6+66; X503.224

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.01.010