CIE 1976 L*a*b*均勻色空間內(nèi)變換光源對(duì)藍(lán)綠色磷灰石顏色的影響研究

顏麒丞

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）珠寶學(xué)院，北京 100083

前言

藍(lán)綠色磷灰石作為常見的有色寶石，其顏色是質(zhì)量評(píng)價(jià)中的關(guān)鍵因素，顏色評(píng)價(jià)受光源、背景、觀察者等多個(gè)因素影響[1]。在CIE 1976 L*a*b*均勻色空間內(nèi)，固定同一背景，變換實(shí)驗(yàn)光源，對(duì)藍(lán)綠色磷灰石的明度值、彩度值、色調(diào)角進(jìn)行測(cè)試及分析，研究光源對(duì)藍(lán)綠色磷灰石顏色的影響，可以在藍(lán)綠色磷灰石的檢測(cè)中擺脫主觀性與模糊性。

為了量化不同標(biāo)準(zhǔn)照明光源對(duì)藍(lán)綠色磷灰石顏色的影響，本實(shí)驗(yàn)基于國(guó)際照明委員會(huì)規(guī)定的CIE 1976 L*a*b*均勻色空間表色系統(tǒng)開展。該系統(tǒng)將三刺激值XYZ通過相應(yīng)公式轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)*a*b*，L*為明度值，數(shù)值越高代表樣品越明亮，a*、b*值與顏色彩度C*和色調(diào)角h°有關(guān)[2,3]。本實(shí)驗(yàn)選取的實(shí)驗(yàn)光源為用于模擬陰天日光的D65光源（相關(guān)色溫6504K）、用于家庭或商業(yè)照明的典型白熾燈A光源（相關(guān)色溫2856K）以及用于商業(yè)與辦公機(jī)構(gòu)冷白熒光光源的CWF光源（相關(guān)色溫4150K）[4,5]。

1 樣品選擇與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

20顆藍(lán)綠色磷灰石為橢圓刻面琢型，尺寸大小為6.5mm×5mm×4mm 到 7mm×5.5mm×4.5mm，拋光良好，玻璃光澤，通體透明，無(wú)肉眼可見包裹體，顏色包括綠藍(lán)色至藍(lán)色，且色調(diào)過渡均勻，樣品按照寶石色調(diào)從藍(lán)綠偏綠到藍(lán)綠偏藍(lán)的過渡順序編號(hào)為1#～20#。

在標(biāo)準(zhǔn)光源箱內(nèi)，將藍(lán)綠色磷灰石置于標(biāo)準(zhǔn)白色背景板上，變換三種標(biāo)準(zhǔn)照明光源，使用愛色麗X-Rite SP62手持分光光度計(jì)，測(cè)試樣品臺(tái)面，通過積分球收集樣品表面反射信號(hào)，對(duì)藍(lán)綠色磷灰石的顏色參數(shù)L*、C*、h°進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定并記錄，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。

測(cè)試條件為不包含鏡面反射，測(cè)量范圍為360～750nm，測(cè)量時(shí)間小于2.5秒，電壓為240V，頻率50～60Hz，波長(zhǎng)間隔10nm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 光源及樣品對(duì)磷灰石藍(lán)綠色的影響

寶石本身與實(shí)驗(yàn)光源是決定藍(lán)綠色磷灰石顏色的兩個(gè)互不干擾的獨(dú)立因素，為確定這兩個(gè)變量對(duì)顏色參數(shù)的影響程度，將記錄的顏色數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS軟件，將光源和樣品與寶石顏色做無(wú)重復(fù)雙因素方差分析，結(jié)果如表1。

表1 雙因素方差分析結(jié)果Table 1 Two-factor analysis of variance

由表1可知，P（樣品L*）=0.356，大于顯著性水平P值0.05，即20個(gè)磷灰石樣品的明度值不存在顯著差異；P（樣品C*）與P（樣品h°）為0.000，小于極顯著水平P值0.001，即樣品本身的彩度和色調(diào)角均存在明顯差異；P（光源L*）、P（光源C*）和P（光源h°）均小于0.01，證明當(dāng)實(shí)驗(yàn)光源發(fā)生變化時(shí)，寶石明度、彩度以及色調(diào)角均有顯著變化。

在20顆樣品中選擇6顆樣品（1#、5#、8#、12#、16#、20#），將其顏色參數(shù)進(jìn)行顏色模擬如表2。觀察表2可直觀得出：不同光源下，同一樣品的顏色有著明顯的區(qū)別；同一光源下，不同樣品的顏色有著明顯的區(qū)別，符合雙因素方差分析結(jié)論。

表2 三種標(biāo)準(zhǔn)光源下藍(lán)綠色磷灰石的顏色模擬Table 2 Color simulation of blue-green apatite under three standard illuminants

光源特定的光譜功率分布影響著光源的顯色性，進(jìn)而影響寶石明度、彩度和色調(diào)角等顏色參數(shù)[6]，光譜功率分布反映光源在特定的波段內(nèi)能量的強(qiáng)度與分布情況，若分布曲線在光譜成分中全面均勻、曲線平滑，則光源具有較高的顯色性[7,8]。對(duì)比D65、A和CWF光源的光譜功率分布理論值[9]（圖2）可知，D65光源（色溫為6504K）的光譜功率分布曲線最高峰值出現(xiàn)在470～500nm處，在藍(lán)、綠和黃色波段分布較為均勻；A光源（色溫為2856K）的光譜功率分布曲線近平滑的直線，上升趨勢(shì)均勻連續(xù)，具有較高的顯色性，在紅色波段為能量高峰[10]；CWF光源（色溫為4150K）的光譜功率分布450nm、540nm及600nm等多處出現(xiàn)銳鋒，分布曲折不均勻，各波段能量差異較大[11]。

圖2 D65光源、CWF光源與A光源的光譜功率分布Fig.2 Spectral power distribution of D65 light source, CWF light source and A light source.

2.2 變換光源對(duì)磷灰石藍(lán)綠色的影響

為進(jìn)一步探究特定光源對(duì)哪一顏色參數(shù)的影響最大及影響程度，以及特定顏色參數(shù)對(duì)哪一實(shí)驗(yàn)光源有最敏感的變化，需將顏色參數(shù)進(jìn)行單因素方差分析。

不同的單因素方差分析算法有不同的靈敏度，為使數(shù)據(jù)獲得最優(yōu)的區(qū)分度，需首先對(duì)L*、C*、h°三種顏色參數(shù)進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，確定最適合特定顏色參數(shù)的單因素方差分析算法。齊性檢驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 光源對(duì)藍(lán)綠色磷灰石顏色的齊性檢驗(yàn)Table 3 The homogeneity test of standard illuminants on the color of blue-green apatite

單因素方差分析齊性檢驗(yàn)中，若顯著指數(shù)P＞0.05，則說明該方差為齊性，選擇最小顯著性差異法LSD（Least—Significant Difference）分析數(shù)據(jù)，敏感度最優(yōu)，效果最為顯著；若P＜0.05，則方差為非齊性，應(yīng)該使用Tamhame算法對(duì)該參數(shù)進(jìn)行多重分析比較，以獲得最明顯的數(shù)據(jù)比對(duì)效果[12]。由表3可知，P（明度L*）及P（彩度值C*）均大于顯著水平0.05，采用LSD算法分析明度與彩度數(shù)據(jù)，P（色調(diào)角h°）小于顯著水平，使用Tamhane算法，三個(gè)顏色參數(shù)的單因素方差分析結(jié)果如表4所示。

表4 不同光源對(duì)藍(lán)綠色磷灰石顏色的影響Table 4 The influence of different standard illuminants on the colr of blue-green apatite

由表4可知，在明度值中，PL（D65-CWF）與PL（D65-A）均小于顯著水平0.05，變換D65光源至其他兩種光源時(shí)，具有最顯著的差異；PC（CWF-D65）與PC（CWF-A）均小于顯著水平0.05，變換CWF光源至其他兩種光源時(shí)彩度具有最顯著的差異；Ph°（D65-A）=0.009小于極顯著水平P=0.01，即D65光源變換至A光源時(shí)磷灰石色調(diào)角差異最大。

2.3 變換光源對(duì)明度和彩度的影響

為探究變換實(shí)驗(yàn)光源對(duì)明度、彩度的具體影響，使用D65光源、CWF光源及A光源照射20顆藍(lán)綠色磷灰石樣品，測(cè)試得到相應(yīng)的明度值L*、彩度值C*，整合數(shù)據(jù)記錄如表5，以明度值為橫坐標(biāo)，彩度值為縱坐標(biāo)，作函數(shù)圖像（圖3）。

表5 三種標(biāo)準(zhǔn)光源下的藍(lán)綠色磷灰石明度及彩度值Table 5 L* and C* of blue-green apatite under three standard illuminants

續(xù)表5Continued Table 5

圖3 三種標(biāo)準(zhǔn)光源下藍(lán)綠色磷灰石明度—彩度函數(shù)關(guān)系Fig.3 Blue-green apatite L*-C* function relationship under three standard illuminants

明度—彩度呈明顯的負(fù)相關(guān)性，即明度值越高，彩度值相對(duì)越低。一般來(lái)說，在明度升高過程中，寶石由暗轉(zhuǎn)明，明亮程度的提高可以觀察到更多色彩細(xì)節(jié)，故彩度提高；明度進(jìn)一步提高，寶石呈現(xiàn)白亮狀態(tài)，亮白反射會(huì)干擾色彩，使彩度值下降，故總趨勢(shì)為隨著明度升高，彩度先上升后下降。藍(lán)綠色磷灰石在提高明度過程中，由于刻面反射的加強(qiáng)，寶石的白亮狀態(tài)加強(qiáng)致使彩度降低。

明度表現(xiàn)為L(zhǎng)*(D65光源)＞L*(A光源)＞L*(CWF光源)，相比A光源與CWF光源，D65光源在480～500nm的藍(lán)綠色波段處有更高能量，光色中藍(lán)綠色光譜成分較高，作為照明光源照射寶石時(shí)，能夠增大磷灰石的明度，使藍(lán)綠色磷灰石更加明亮。

彩度值表現(xiàn)為C*（D65光源）＞C*（A光源）＞C*（CWF）光源，藍(lán)綠色磷灰石顏色淺透，為低—中彩度寶石，其彩度值C*與實(shí)驗(yàn)光源的光譜功率分布有密切關(guān)系，D65光源、A光源的光譜功率分布曲線相對(duì)平滑，各個(gè)顏色區(qū)域變化均勻連續(xù)，可以更全面地體現(xiàn)樣品的顏色，具有較高的顯色指數(shù)，對(duì)彩度的表達(dá)效果更好，所以樣品在D65和A光源下的彩度值更高；CWF光源光譜功率分布曲線曲折，能量分布不均勻，不同波段能量差異較大，甚至部分顏色區(qū)域存在殘缺，致使顏色表現(xiàn)不完整，故顯色指數(shù)相對(duì)較低，樣品的彩度相比之下較低。

2.4 變換光源對(duì)色調(diào)角的影響

色調(diào)角可以直觀體現(xiàn)標(biāo)本由綠藍(lán)色至藍(lán)色的過渡變化，將樣品色調(diào)角數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS分析，以樣本編號(hào)為橫坐標(biāo)，色調(diào)角數(shù)值為縱坐標(biāo)，作表6及圖4。

表6 三種標(biāo)準(zhǔn)光源下的藍(lán)綠色磷灰石色調(diào)角值Table 6 h° of blue-green apatite under three standard illuminants

圖4 三種標(biāo)準(zhǔn)光源下的藍(lán)綠色磷灰石色調(diào)角值Fig.4 h° of blue-green apatite under three standard illuminants

以藍(lán)綠色為期望顏色，觀察圖4可得，在CWF光源下，偏綠色系磷灰石樣品1#色調(diào)角最低，為167.2°，偏藍(lán)色系磷灰石樣品20#色調(diào)角最高，為237°，對(duì)于藍(lán)綠色樣品14#、15#、16#，色調(diào)角達(dá)到 219°～225.4°。CWF 光源在藍(lán)綠色波段480～500nm處能量較低，在450nm附近的藍(lán)色波段和550nm附近的綠色波段具有銳鋒，磷灰石的藍(lán)綠體色在受到含有較高藍(lán)色與綠色光譜成分的光線照射時(shí)，藍(lán)綠偏綠色的磷灰石視覺效果更綠，藍(lán)綠偏藍(lán)色的磷灰石更藍(lán)，色相偏離期望的藍(lán)綠色。

A光源在橙紅區(qū)有較高能量，在A光源照射下，偏綠色磷灰石1#色調(diào)角值為192.4°，視覺效果上對(duì)偏綠色磷灰石還原至藍(lán)綠色有正向作用，但藍(lán)綠色磷灰石14#、15#、16#的色調(diào)角值此時(shí)達(dá)到220.6°～223.6°，該色調(diào)角區(qū)間下寶石呈現(xiàn)較藍(lán)的視覺效果。

D65光源下，磷灰石色調(diào)角范圍為171.3°～223.3°，藍(lán)綠色磷灰石 14#、15#、16# 色調(diào)角范圍為 206.9°～212.4°，在該區(qū)間內(nèi)色調(diào)角呈現(xiàn)藍(lán)綠間色，D65在480～500nm的藍(lán)綠色波段為能量峰值，樣品受到有較高藍(lán)綠色光譜成分的光線照射時(shí)，其色調(diào)角受干擾最小，疊加磷灰石體色，可以更明顯地呈現(xiàn)磷灰石的藍(lán)綠色。

3 結(jié)論

(1) D65光源具有色溫較高、光譜功率分布較為均勻連續(xù)、光譜能量分布偏向藍(lán)綠頻譜的特點(diǎn)，藍(lán)綠色磷灰石在D65光源下L*值最高，C*值較高，且在470～500nm的藍(lán)綠區(qū)間處擁有較高能量分布，對(duì)綠藍(lán)色—藍(lán)綠色系磷灰石色彩的還原程度最優(yōu)，適合作為磷灰石表達(dá)藍(lán)綠色的照明光源。

(2) CWF光源的光譜功率分布在藍(lán)紫區(qū)、黃綠區(qū)具有高峰，在藍(lán)綠—綠區(qū)為低谷，對(duì)藍(lán)綠色磷灰石的色調(diào)角有較明顯的干擾，該光源下藍(lán)綠色磷灰石的明度不能得到最好的體現(xiàn)；其光譜功率分布曲折、顯色性較低也導(dǎo)致了樣品的低彩度，故不適合作為藍(lán)綠色磷灰石的照明光源。

(3) A光源色溫較低，光譜功率分布均勻平滑，具有高顯色性，藍(lán)綠色磷灰石在A光源下明度較低，彩度值較高；色調(diào)角方面，A光源模擬白熾燈光源，其能量分布位于橙紅區(qū)，光線略偏向高波段顏色，對(duì)樣品藍(lán)綠色存在干擾，不適合作為藍(lán)綠色磷灰石的照明展示光源。