色度測(cè)量在文物考古中的應(yīng)用

周 輝，潛 偉，周衛(wèi)榮

(1. 北京科技大學(xué)科技史與文化遺產(chǎn)研究院，北京 100083； 2. 中國錢幣博物館，北京 100031)

0 引 言

眾多學(xué)者對(duì)顏色理論、色度測(cè)量原理和方法進(jìn)行了大量研究。在文物考古方面，應(yīng)用色度測(cè)量方法獲取顏色信息已成為常用方法。戎巖[2]對(duì)色度學(xué)在國內(nèi)文物考古中的應(yīng)用進(jìn)行過梳理，指明用色度學(xué)理論和方法解決的具體問題。對(duì)于不同的色度測(cè)量方法在國內(nèi)外文物考古領(lǐng)域的綜述較少，本文簡(jiǎn)要介紹不同的色度測(cè)量方法的原理和操作，并對(duì)這些方法在科技考古和文物保護(hù)工作中的應(yīng)用情況進(jìn)行梳理。

1 色度測(cè)量方法概述

色度測(cè)量方法是基于光學(xué)原理和色度學(xué)理論[1]80-93，328-352[3-4]，將顏色信息定量化的有效工具。按照原理可分為光電積分法和分光光度法，兩者各有優(yōu)劣，以下是對(duì)色度測(cè)量方法原理操作及優(yōu)缺點(diǎn)的簡(jiǎn)要介紹。

1.1 光電積分法

光電積分法利用光電轉(zhuǎn)換器件模擬顏色視覺的“積分”過程，獲得顏色刺激的積分值，是基于色度量進(jìn)行測(cè)量的方法。主要的測(cè)量?jī)x器有光電色度計(jì)(色度儀、色度計(jì))、色差計(jì)(色差儀)。測(cè)量時(shí)，儀器與樣品表面相對(duì)平整、顏色均一的區(qū)域接觸，形成封閉的光路系統(tǒng)。這類儀器測(cè)量方便，便于攜帶。但是受材料、制造工藝以及原理的限制，測(cè)量某些顏色時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤差，且固定的儀器只能測(cè)量確定的照明和觀察條件下的顏色值，適用范圍較小[4]。

1.2 分光光度法

分光光度法是基于光度量進(jìn)行測(cè)量的方法，通過樣品的光譜反射或透射特性來計(jì)算其色度值，儀器內(nèi)部有數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)或者和計(jì)算機(jī)相連作為數(shù)據(jù)處理和輸出裝置，可以得出任何照明條件和觀察條件下的三刺激值、色品坐標(biāo)和色差等色度數(shù)據(jù)。常用儀器有測(cè)色分光光度計(jì)(分光光度計(jì))、光譜儀、光輻射度計(jì)等。分光光度計(jì)測(cè)量操作與光電積分類儀器類似，為接觸式測(cè)量；光譜儀、光輻射度計(jì)測(cè)量時(shí)無需與樣品接觸，但是對(duì)環(huán)境要求較高。分光光度類儀器是顏色測(cè)量中最基本的儀器，具有靈敏度高、操作簡(jiǎn)便、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)儀器的光學(xué)準(zhǔn)確度要求較高，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜[4]。

2 研究文物呈色機(jī)制和制作工藝

種類和數(shù)量繁多的文物顏色各異，可以通過色度數(shù)據(jù)對(duì)其顏色進(jìn)行客觀描述和比較，使結(jié)果更為可靠。文物自身的呈色特征和機(jī)制與其成分、結(jié)構(gòu)和制作工藝等方面有著密切的關(guān)系，顏色信息定量化對(duì)于研究文物呈色機(jī)制和制作工藝起著重要作用。

陶瓷類文物呈現(xiàn)出的顏色與其原料、燒制溫度、燒成氣氛和制作工藝等相關(guān)。丁銀忠等[5]對(duì)故宮博物院28件宋代官窯青釉瓷器的顏色主觀評(píng)價(jià)后分為天青、粉青、灰青和米黃4類，再用分光光度計(jì)測(cè)量其光譜反射率曲線和色度值，分析4類青瓷顏色的差異，最后測(cè)定釉的化學(xué)組成，結(jié)果顯示Fe2O3含量和釉的偏黃程度呈正相關(guān)。李其江等[6]從色度、燒成溫度等方面探討了宋代吉州窯青白瓷的物理性能與顯微結(jié)構(gòu)以及著色氧化物的關(guān)系，使用日本電色NF-333型便攜式分光光度計(jì)測(cè)量了樣品的色度數(shù)據(jù)，并依次計(jì)算出樣品釉的3個(gè)色度學(xué)定量參數(shù)：主波長(zhǎng)、色純度和亮度，分析得出Fe2O3的含量越高，釉色越偏黃綠色的結(jié)論。吳軍明等[7]采用能量色散X熒光光譜分析儀和色差計(jì)，分析了湖田窯宋代青白瓷的胎、釉化學(xué)組成和釉面色度值，初步探討了兩宋時(shí)期青白瓷的組成、配方和呈色特征。在對(duì)瓷釉色度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，通過作圖法得出樣品的主波長(zhǎng)，利用散點(diǎn)圖來判斷顏色的穩(wěn)定性。南宋青白瓷釉面的主波長(zhǎng)偏向藍(lán)綠色波段，散點(diǎn)圖中的色度數(shù)值分布更均勻，表明其釉面呈色更為偏藍(lán)且瓷釉料配方更為成熟穩(wěn)定。Ion等[8]用分光光度計(jì)測(cè)量羅馬尼亞Hunedoara-the Court考古發(fā)掘的2塊陶瓦碎片的色度并進(jìn)行分析，顏色分別為黑色和紅褐色。結(jié)合紅外光譜、拉曼光譜和SEM-EDS分析，黑色陶瓦斷面不規(guī)則的色差進(jìn)一步證明其燒制氣氛和時(shí)間的不當(dāng)。Germinario等[9]使用色度測(cè)量、紅外光譜和拉曼光譜等多種基于光譜學(xué)的分析手段研究出土于意大利Benevento晚期的羅馬陶制餐具和炊具殘片。用分光光度計(jì)對(duì)陶片新斷裂面進(jìn)行測(cè)量，色度值的明顯差異證明了未分帶和分帶糊狀物的存在，結(jié)合紅外光譜和拉曼光譜的分析結(jié)果，推斷其原料來源于本地且容易獲得。

玻璃類文物透明度高，可通過測(cè)量其光譜透射率來獲取其色度數(shù)據(jù)。Galli等[10]在研究古代藍(lán)色玻璃時(shí)，用分光光度計(jì)測(cè)量含鈷元素和含銅元素的藍(lán)色玻璃的色度值，來判斷藍(lán)色玻璃的種類。Cosyns等[11]使用紫外-可見-近紅外光譜(UV-Vis-NIR)測(cè)量瑞士Avenches和比利時(shí)Tongeren的9塊羅馬時(shí)期的黑玻璃碎片不同區(qū)域的光譜透射率曲線，計(jì)算色品坐標(biāo)，判斷碎片是否來自于同一器物。此外，他們還通過光譜透射率曲線峰值、色品坐標(biāo)和呈色元素(Fe2+、Fe3+及Mn2+)之間的關(guān)系，來推斷玻璃的燒成氣氛。顏色坐標(biāo)表明，氧化條件與還原條件相比，可導(dǎo)致玻璃更廣泛的色調(diào)。

壁畫巖畫類文物的顏料種類繁多，色彩豐富。李煥等[12]以敦煌莫高窟壁畫顏料研究成果為參照，設(shè)置模擬實(shí)驗(yàn)，用分光光度計(jì)測(cè)量涂布于白卡紙上的不同顆粒度的色塊的色度值，分析顏料顆粒度對(duì)呈色的影響。對(duì)于同種顏料而言，隨著顆粒度的改變，顏色的色相有微小變化。Miriello等[13]在研究意大利龐貝考古遺址灰漿中壁畫碎片顏料時(shí)，運(yùn)用分光光度計(jì)獲取L*、a*、b*值，結(jié)合X射線熒光光譜分析(XRF)、拉曼光譜等方法確定顏料中的礦物成分。Roldán等[14]在對(duì)西班牙的Parpalló洞穴巖畫的黑色顏料斑塊進(jìn)行分析時(shí)，采用分光光度計(jì)測(cè)量其色度值，確定顏料的顏色組成，同時(shí)用XRF測(cè)量黑色顏料組成成分，結(jié)果表明含錳元素和不含錳元素的黑色顏料的顏色差異不大。Roldán等[15]研究西班牙Parpalló洞穴巖畫的紅色、黃色顏料時(shí)，用分光光度計(jì)測(cè)量巖體和紅色、黃色圖案的光譜反射率曲線和色度值，比較三者之間的差異，結(jié)果顯示紅色區(qū)域a*值較高、黃色區(qū)域b*值較高，紅外光譜分析補(bǔ)充驗(yàn)證了該結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過色度測(cè)量、XRF和紅外光譜分析，作者推測(cè)這些顏料可能來源于赤鐵礦和針鐵礦。

對(duì)紡織類文物的顏色進(jìn)行研究可以推斷其染色工藝。劉偉等[16]在絲綢紡織品傳統(tǒng)染色工藝的研究中用光纖光譜儀測(cè)量計(jì)算得到模擬實(shí)驗(yàn)樣品的各組色度數(shù)據(jù)，分析了它們的分布范圍和分布規(guī)律。得到一些重要結(jié)論：R-G、X-Y參數(shù)都存在線性相關(guān)的關(guān)系，植物染料對(duì)絲綢染色的a*-b*參數(shù)存在一個(gè)大致的范圍；多次染色使RGB和L*值下降；套染效果基本符合顏色加法；媒染劑的光譜圖主要受染料影響，絲綢材質(zhì)對(duì)染色結(jié)果幾乎沒有影響。

紙質(zhì)文物包括書籍、檔案、文獻(xiàn)、經(jīng)卷、書畫、碑帖、紙幣、證券、報(bào)紙等，是圖書館和檔案館的重要收藏品[17]。紙質(zhì)文物的顏色信息來自于紙張本身和書寫或印刷在紙張上的墨或顏料。張小云等[18]在對(duì)新疆墨玉維吾爾族桑皮紙進(jìn)行研究時(shí)，將其與相同澆紙法造紙的云南孟定傣族構(gòu)皮紙進(jìn)行比較，在測(cè)定光學(xué)性能時(shí)，將三刺激值、色品坐標(biāo)、色度值、兩面色差等色度量也都加以測(cè)量計(jì)算，數(shù)據(jù)表明桑皮紙白度較低，色彩比較暗淡、正反面顏色差異較大。de Luna等[19]以《格爾尼卡》為例，探討了如何使用光輻射照度計(jì)準(zhǔn)確測(cè)量非彩色圖像的光譜反射率，計(jì)算色度值，并研究了圖像的灰度和光譜反射率之間的關(guān)系。Berns[20]用分光光度計(jì)測(cè)量光譜反射率、計(jì)算色度值并進(jìn)行色彩重建，成功還原油畫《梵高的臥室》初始的色彩狀態(tài)。

上述研究中，色度測(cè)量可以有效減少主觀因素的影響，用色度值對(duì)顏色各異的文物進(jìn)行更為準(zhǔn)確的分類。色度測(cè)量結(jié)合化學(xué)成分分析能夠更加準(zhǔn)確的得出某些特定的呈色元素和文物顏色之間的關(guān)系，進(jìn)一步推斷其制作工藝和原料來源及產(chǎn)地等，對(duì)文物進(jìn)行更深入的解讀。

3 評(píng)價(jià)文物清洗效果和保護(hù)材料的顏色穩(wěn)定性

在實(shí)際的文物修復(fù)保護(hù)工作中，色度數(shù)據(jù)可以顯示文物顏色變化情況，指導(dǎo)作色配色。使用適當(dāng)?shù)那逑床牧虾头椒ㄇ逑次奈铮瑢ふ液线m的保護(hù)材料，合理地延長(zhǎng)文物的壽命和保存時(shí)間是文物保護(hù)工作的重要內(nèi)容。文物清洗材料、方法因文物類型、污染情況的不同而存在差異。通過清洗前后污染區(qū)域與未污染區(qū)域的色差大小來表示清洗程度，色差越小，清洗效果越好，一般色差小于6就可以認(rèn)為清洗有效[1]93。因此，色度測(cè)量方法可以評(píng)價(jià)、比較文物清洗方法的實(shí)際效果，有助于確定合適的清洗材料和方法。同樣地，這種方法可用于判斷文物保護(hù)材料的顏色穩(wěn)定性。

1) 色度測(cè)量指導(dǎo)修復(fù)陶瓷類文物。鄭利平[21]在陶器表面作舊的過程中用色差計(jì)測(cè)色，對(duì)配色進(jìn)行定量衡量，指導(dǎo)文物修復(fù)。李冰[22]在評(píng)價(jià)龍泉窯青瓷修復(fù)與青瓷仿釉效果時(shí)，用色差儀測(cè)量顏色，通過色差大小指導(dǎo)修復(fù)。戴維康等[23]研究古陶瓷修復(fù)中光源的色溫時(shí)，運(yùn)用色度學(xué)理論方法，借助便攜式色度儀的幫助，定量化作色修復(fù)古陶瓷。色度測(cè)量使這些修復(fù)工作對(duì)顏色的控制更加精準(zhǔn)。

2) 色度測(cè)量應(yīng)用于金屬文物的修復(fù)保護(hù)。劉育玲等[24]較早將色度測(cè)量引入金屬文物保護(hù)中，確定對(duì)古銅錢顏色影響最小的倍半碳酸鈉溶液濃度和處理時(shí)間時(shí)，用色差計(jì)測(cè)量處理前后的色差，數(shù)值最小的一組對(duì)應(yīng)的處理?xiàng)l件對(duì)古銅錢顏色變化影響最小。Faraldi和Albini等[25-26]分別研究類金剛石鍍層的不同處理?xiàng)l件以及微生物方法對(duì)金屬文物的保護(hù)效果，均采用了分光光度計(jì)測(cè)量色度、計(jì)算色差，較小的色差值可以證明處理前后文物顏色變化微小。

3) 石質(zhì)文物的清洗和加固。Coladonato等[27]研究二氧化碳水溶液清洗石質(zhì)文物的效果、Simileanu等[28]研究激光清洗石質(zhì)文物的效果時(shí)，都用色度計(jì)測(cè)量未遭受污染區(qū)域和清洗后區(qū)域的色度值，計(jì)算色差，均小于5，表明這些方法可用于清洗石質(zhì)文物。Piazza等[29]研究加固石質(zhì)文物的納米材料的顏色穩(wěn)定性、Helmi等[30]研究納米復(fù)合材料對(duì)埃及Tanis花崗巖方尖碑的保護(hù)效果、Ruffolo等[31]研究金屬氧化物納米顆粒材料對(duì)水下石質(zhì)文物的保護(hù)效果時(shí)，均通過分光光度計(jì)測(cè)量色度來計(jì)算色差，微小的色差表明這些材料用于石質(zhì)文物保護(hù)時(shí)穩(wěn)定的顏色特征。

4) 木質(zhì)文物的清洗和保護(hù)。郭義強(qiáng)[32]在對(duì)重慶渝北區(qū)館藏木質(zhì)文物進(jìn)行修復(fù)時(shí)，用分光光度計(jì)分別測(cè)量用乙醇、丙酮清洗文物前后的色度值，計(jì)算色差，結(jié)果表明使用乙醇色差小，清洗效果較好。Crisci等[33]研究Regalrez 1126和Paraloid B72共同作用于木質(zhì)文物的保護(hù)效果，選用常見的木質(zhì)文物的木料，分為4組，1組不做處理，另外3組分別用2種試劑單獨(dú)浸潤、混合浸潤后進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)，用分光光度計(jì)測(cè)量4組木料的色度值，計(jì)算用試劑處理的木料與未做處理的木料的色差，結(jié)合機(jī)械性能和孔隙率的分析認(rèn)為，經(jīng)過Regalrez+Paraloid雙重處理的木料，在機(jī)械抗性和孔徑分布方面有顯著優(yōu)勢(shì)，但在抗光氧化性或變色方面沒有優(yōu)勢(shì)。

5) 紙質(zhì)文物的清洗和修復(fù)保護(hù)。Elnaggar等[34]研究用激光清洗紙質(zhì)文物的可行性時(shí)，用分光光度計(jì)測(cè)量清洗前后的古埃及莎草紙的色度值L*、a*、b*，L*值增加用于描述激光去除灰塵和污垢的效率，b*值增加表明清洗過程中莎草紙變黃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：控制激光束的能量在一定范圍內(nèi)可使L*值明顯增加，b*值基本不變，從而達(dá)到較好的清洗效果。梁興唐[35]在紙質(zhì)文物原位電化學(xué)清潔研究中、Arif等[36]在研究中紫外激光清洗技術(shù)應(yīng)用于紙質(zhì)文物清洗時(shí)，都測(cè)試了清洗前后紙張的色度值，計(jì)算色差，通過分析色差來判斷清洗效果，微小的色差表明這些方法用于紙質(zhì)文物清洗效果較好。何子晨等[37]選取修復(fù)用紙修復(fù)南京博物院院藏清代《蔡仲岐觀察說帖》時(shí)，對(duì)修復(fù)用紙進(jìn)行不同時(shí)間的老化處理后，測(cè)量與文物本體的色差，最終選用色差較小的修復(fù)用紙。在研究一些新型紙質(zhì)文物保護(hù)技術(shù)或材料時(shí)，如等離子技術(shù)[38]、等離子體技術(shù)與靜電紡絲技術(shù)聯(lián)用[39]、JRP技術(shù)[40]、用油酸改性的氧化鎂(MgO)納米顆粒[41]和Ca(OH)2納米粒子[42]等，都用色差大小來表示使用該項(xiàng)技術(shù)或材料前后的顏色變化，結(jié)合其他性能來判斷此種技術(shù)或材料的適用性。

6) 紡織皮革類文物的清洗和加固。胡智文等[43]研究絲素蛋白/乙二醇二縮水甘油醚對(duì)老化絲纖維的加固時(shí)，用色差計(jì)測(cè)量加固前后試樣的色差，色差很小，說明老化樣與加固樣的顏色無明顯變化。Elnaggar等[44]在研究古埃及皮革制品時(shí)，用激光清洗皮革表面的硬殼和老化的防護(hù)涂層，用色度計(jì)測(cè)量清洗前后的色度值，表征清洗過程中的顏色變化。

評(píng)價(jià)文物清洗效果和保護(hù)材料性能需要從多方面考慮，借助多種科學(xué)分析手段測(cè)試判斷，避免對(duì)文物產(chǎn)生損害。色度測(cè)量的結(jié)果可以快速直觀地反映文物清洗和保護(hù)過程中的色彩變化，結(jié)合其他性能的分析結(jié)果，可以更加合理地進(jìn)行文物保護(hù)工作。

4 分析環(huán)境因素對(duì)文物色彩的影響

文物保存的壽命和保存狀況，不僅與其本身性質(zhì)相關(guān)，還與文物存放環(huán)境對(duì)它的作用過程有關(guān)[45]。不同的環(huán)境作用于文物會(huì)產(chǎn)生一系列變化，顏色變化是較為明顯的一個(gè)方面，色度測(cè)量可以便捷精確地判斷顏色變化的情況。

1) 壁畫和石質(zhì)文物。Wright等[46]用色度計(jì)每隔1年測(cè)1次秘魯古代壁畫上76個(gè)點(diǎn)的顏色信息，計(jì)算色差，判斷當(dāng)?shù)丨h(huán)境對(duì)于該壁畫顏色的影響。曹秋彬等[47]通過CM-2600d分光測(cè)色計(jì)測(cè)試模擬石質(zhì)文物在綜合、酸浸泡、堿浸泡、紫外、濕熱、浸烘等6種腐蝕老化環(huán)境中的表面色度變化，結(jié)果表明幾種環(huán)境對(duì)文物色度影響從小到大依次為：紫外老化<濕熱老化<浸烘老化<綜合老化<酸浸泡<堿浸泡。

2) 紡織類文物。王永禮等[48]通過光老化實(shí)驗(yàn)，研究閃光燈光照對(duì)白色絲綢及植物染料染色的絲綢產(chǎn)生的老化作用，用色差計(jì)測(cè)量老化前后的色度值，計(jì)算色差，數(shù)據(jù)顯示黃色、茶色和紅色絲綢在光照下容易褪色，白色絲綢光老化作用最小。馮薈等[49]用測(cè)色儀測(cè)量分析黃檗、槐米、蘇木、紫草及茜草5種古代絲織品常見植物染料在鹵素光及LED光源下與原始樣品的色差隨時(shí)間變化的曲線，得出其褪色速率，結(jié)果表明在鹵素?zé)艏癓ED燈下黃檗、槐米的色牢度較差，蘇木的色牢度最佳。

3) 骨質(zhì)文物。王麗琴等[50]在研究濕度對(duì)骨質(zhì)文物的影響及最佳存放濕度時(shí)，將色度變化作為一個(gè)考察的指標(biāo)，用色差計(jì)對(duì)不同濕度下骨樣老化前后的色差值進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在各種濕度條件下，色差都小于1，骨質(zhì)文物未發(fā)生霉變。Bradfield[51]在分析加工食物和加熱等活動(dòng)對(duì)骨器顏色產(chǎn)生的影響時(shí)，選取非洲南部的黑斑羚骨骼和當(dāng)?shù)刂参?水果、蔬菜和谷物)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，分別將各個(gè)骨骼樣品的一半插入水果、蔬菜和谷物糊狀物中，另一半置于空氣中，放置2周；分別對(duì)6件骨骼樣品加熱1～6 min，用分光光度計(jì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)區(qū)域和未處理區(qū)域的色度值L*、a*、b*。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：多酚含量高的植物會(huì)在骨骼表面產(chǎn)生明顯的變色，這類變色與加熱超過2 min的骨骼的變色有著顯著差異。通過紅外光譜和便攜式X射線熒光光譜(pXRF)分析再次驗(yàn)證了結(jié)論的正確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)論為研究當(dāng)?shù)毓瞧魑奈镒兩蛱峁┝擞袃r(jià)值的參考。

5 結(jié) 語

綜上所述，色度測(cè)量可以快速準(zhǔn)確地將文物或保護(hù)材料的顏色特征信息化，且操作簡(jiǎn)便，無損測(cè)量，對(duì)文物不會(huì)產(chǎn)生損傷，因而已經(jīng)成為文物考古領(lǐng)域中的常用測(cè)量方法，并且在研究文物呈色機(jī)制和制作工藝、評(píng)價(jià)文物清洗效果和保護(hù)材料的顏色穩(wěn)定性，以及分析環(huán)境因素對(duì)文物色彩的影響等實(shí)際問題中發(fā)揮了無法替代的作用?，F(xiàn)代色度學(xué)目前已發(fā)展到色貌預(yù)測(cè)階段，對(duì)于色度數(shù)據(jù)的計(jì)算處理和解釋不斷深入，未來的研究中注意優(yōu)化不同文物的色度測(cè)量條件、通過色度數(shù)據(jù)建立文物的色貌模型和利用數(shù)字顏色管理系統(tǒng)對(duì)文物顏色信息進(jìn)行跨媒體再現(xiàn)與還原等方面的內(nèi)容，可以快速得到更加準(zhǔn)確的文物顏色信息、預(yù)測(cè)復(fù)雜觀察條件下的人類視覺系統(tǒng)對(duì)文物的顏色刺激的顏色知覺、消除不同顏色設(shè)備之間的顏色傳遞特性差異，實(shí)現(xiàn)保真的或者符合用戶意圖的文物顏色傳遞和再現(xiàn)。

總的來說，色度測(cè)量在科技考古和文物保護(hù)中的應(yīng)用日漸成熟，色度學(xué)理論和方法的引入促使科技考古和文物保護(hù)工作越來越注重多方法相結(jié)合、多學(xué)科相融合。隨著色度學(xué)理論和方法的廣泛、深入的補(bǔ)充和發(fā)展，優(yōu)化的文物色度測(cè)量條件、針對(duì)于文物的色貌模型和數(shù)字顏色管理系統(tǒng)將在文物考古研究中發(fā)揮更大的作用。