基于CIE 1976 L* a* b*均勻色空間的綠色硅化木顏色定量分級

雷芳芳

(福建船政交通職業(yè)學院 土木工程學院，福建 福州 350007)

硅化木是億萬年前樹木埋藏地下被二氧化硅替換，并保留木質結構外觀的木化石，其顏色豐富多彩。常見的基本色調有白、黑、黃、紅、綠五種，其中顏色鮮艷的綠色硅化木具有很高的觀賞和收藏價值。

顏色是評定綠色硅化木品質的重要指標，但由于其顏色濃淡、明暗程度各異且分布比較復雜，尤其在同一塊硅化木上可以出現(xiàn)不同種類的綠色，因此綠色硅化木的顏色質量評價難度很高，目前只能采用目測法和經驗法對其進行主觀、定性觀察，暫未有客觀、定量的評定標準。

根據(jù)相關文獻顯示[1-5]，目前硅化木的研究主要集中在礦物學、寶石學、地球化學特征、沉積環(huán)境以及成因等領域，鮮有學者對綠色硅化木顏色進行定量研究。近幾年來，隨著色度學被廣泛地應用于礦物學、寶石學研究中，已有學者采用CIE 1976L*a*b*色度坐標對碧璽、橄欖石、綠色翡翠的顏色進行分級評價[6-8]。本研究參考該方法，基于CIE 1976L*a*b*均勻色空間表色系統(tǒng)，采用測色儀對綠色硅化木顏色進行定量測試，用數(shù)字量化顏色來探索顏色定量分級標準，以期為硅化木的質量評價提供參考。

1 樣品與實驗

1.1 實驗設備

采用Color i5測色儀，6 mm測量孔徑,通過積分球收集硅化木樣品表面的反射信號，測量樣品的顏色數(shù)據(jù)。測試條件：D65標準照明光源(色溫為6 504 K)，電壓為240 V，頻率為50～60 Hz，測量波長范圍在360～750 nm內的可見光，測量時間小于2.5 s，波長間隔為10 nm。

1.2 實驗樣品與方法

本文選用30件已拋光的綠色硅化木樣品，表面光滑，玻璃光澤，基本色調均為綠色，顏色明暗和濃淡程度各異，呈黃綠色到暗綠色的顏色外觀，樣品測色區(qū)域內顏色均勻、含雜質少。

在標準光源箱內，使用測色儀對所有樣品進行反射測試(不包含鏡面反射),測定亮度L*、色品a*、b*等參數(shù)值。為了減少檢測誤差，每件樣品在同種環(huán)境下均檢測3次，并且要求每次差值不超過0.1，最終取其平均值作為該樣品的顏色參數(shù)數(shù)據(jù)。

1.3 CIE 1976 L*a*b*均勻色空間

選取CIE 1976L*a*b*均勻色空間定量分析綠色硅化木的顏色，該表色系統(tǒng)是一個三維立體坐標系，由平面色品a*、b*坐標和亮度值L*縱坐標構成，a*坐標的正負端分別代表紅色和綠色，b*坐標的正負端分別代表黃色和藍色[9]，彩度C*和色調角h0通過色品a*和b*計算得到。公式如下：

C*=(a*2+b*2)1/2

(1)

h0=arctan(b*/a*)

(2)

其中：ΔL′、ΔC′和ΔH′分別為樣品數(shù)據(jù)的亮度差、彩度差和色調差；RT為減少藍色區(qū)域色度和色調之間相互作用的轉換函數(shù)；SL、SC、SH為校正CIE LAB缺乏視覺均勻性的位置函數(shù)；KL、KC、KH為實驗環(huán)境校準參數(shù)，在不同領域取值各不相同，本文選取應用于印刷領域的KL=1、KC=1、KH=1以提高色差計算精度[12]。

2 結果與討論

如圖1所示，色品a*∈(-39.56，-8.19),b*∈(5.83，34.52)，色調角h0∈(137.58，150.98),表明樣品的顏色主要集中在綠色色域；亮度值L*∈(12.08，60.68)，明亮程度中等偏低；彩度C*∈(11.91，51.94)，分布范圍較廣。實驗測試結果與樣品的綠色視覺效果基本一致。

圖1 樣品的色品圖

選取其中一件樣品作為標樣，其色調角h0較小，為138.48°，彩度值C*最大，為51.94，在所有樣品中顏色最濃艷，綠色視覺效果最好。用色差公式CIE DE2000計算其余29件樣品與該標樣的比對色差，再以色差ΔE00為縱坐標，色調角h0為橫坐標，把數(shù)據(jù)投點到坐標圖上(見圖2)。

圖2 樣品的色差和色調角

如圖2所示，樣品的色差值整體都比較大，根據(jù)《色度學》[13]的色差分類，綠色硅化木的色差等級可根據(jù)色差值ΔE00劃分為四個等級，依次為輕微色差(ΔE00為0.5～1.5)，能感覺到色差(ΔE00為1.5～3)，色差可識別(ΔE00為3～6)，色差大(ΔE00為6～12)，其中與標樣比對色差大的樣品肉眼觀察其顏色較深、較暗。

通過分析色調角h0和色差值ΔE00數(shù)據(jù)可知，色調角的變化與其色差值的增量無明顯關系，說明綠色硅化木的色調變化并不使其產生色差，因此,色調對硅化木綠色變化幾乎沒有影響。

3 顏色分級討論

聚類分析法和判別分析法在翡翠顏色分級中已得到驗證[14]，因此本文采用相同分析方法對綠色硅化木顏色進行分級。首先選用CIE 1976L*a*b*均勻色空間的L*、a*、b*三個相互獨立的顏色參數(shù)，通過SPSS統(tǒng)計分析軟件對三個參數(shù)進行K-Means快速聚類分析，最后結合Fisher判別法分析驗證聚類效果，以此客觀評價硅化木綠色分級和綠色質量。

3.1 K-Means快速聚類分析

本文選取測試所得的顏色參數(shù)進行聚類分析，采用奇數(shù)分類方法，嘗試將其分為3、5、7類，發(fā)現(xiàn)當聚類數(shù)為5時，L*、a*、b*的方差分析值Sig值均小于極顯著性水平0.001(見表1)，說明將測試數(shù)據(jù)分成5類的聚類效果最為理想。

表1 綠色硅化木顏色聚類分析方差分析表(5類)

3.2 分類結果的等級劃分

在對硅化木綠色聚類統(tǒng)計分為5類后，利用Photoshop繪圖軟件模擬每個類別的綠色(見表2)。

表2 硅化木綠色分類及顏色模擬

根據(jù)表2分類結果可知：硅化木綠色視覺效果最好的是第3類,即陽綠色，其特點是亮度值L*中等偏低，色品值a*、b*最大，彩度值C*也相應最高，此類綠色最濃郁鮮艷；第1類的綠色視覺效果次之，該類亮度值L*略低于第3類，色品值a*、b*和彩度值C*都有所降低，綠色不如第3類鮮艷且黃色色調減弱，屬于中綠色；接下來是第2類的顏色，即豆綠色，其特點是亮度值L*是最高的，使得綠色發(fā)白、變淡，且色品值a*、b*和彩度值C*都低于第1類，表現(xiàn)為綠色不鮮艷，顏色質量低于第1類；第5類綠色質量更低一些，其亮度值L*、色品值a*和b*均明顯低于第2類，彩度值C*也相應下降，此類綠色較暗較深，屬于深綠色；第4類的綠色視覺效果最差，即暗綠色，其特點是亮度值L*最低，使得綠色最為灰暗，同時色品值a*、b*和彩度值C*均最小，此類綠色鮮艷程度最差。

根據(jù)上述聚類分類結果，把綠色硅化木顏色優(yōu)劣由好到差按一級至五級的順序排列，再依據(jù)分級結果把顏色質量由高到低分為五個等級，依次為陽綠、中綠、豆綠、深綠、暗綠(見表3)。

表3 綠色硅化木顏色質量等級劃分

3.3 Fisher判別分析

采用Fisher判別法對上述快速聚類結果進行反向驗證，根據(jù)軟件分析可得到5個類別的判別函數(shù)式。公式如下：

F1=1.789L*-1.358a*+1.628b*-79.993
F2=2.567L*-1.165a*+0.721b*-88.014
F3=1.495L*-1.819a*+2.102b*-99.792
F4=0.157L*-1.012a*+0.293b*-12.751
F5=0.581L*-2.403a*+1.116b*-72.398

將樣品顏色參數(shù)L*、a*、b*值分別代入各類判別函數(shù)中，比較每一個函數(shù)式計算所得數(shù)值，若其中函數(shù)值最大者，說明該樣品綠色類別屬于這一類。當判別正確率越接近100%，證明快速聚類結果越有效。經計算可知，綠色硅化木樣品1～5類的Fisher判別正確率分別為100%、100%、100%、90.91%、100%，30件樣品中只有1件被誤判，整體判別正確率高達96.67%，達到理想預測精準度，說明采用快速聚類分析將綠色硅化木顏色分為五類是合理可行的。

4 結 論

(1)本文采用的綠色硅化木樣品亮度值L*∈(12.08，60.68)，亮度中等偏低，彩度范圍廣C*∈(11.91，51.94)，色品a*∈(-39.56，-8.19),b*∈(5.83，34.52),色調角h0∈(137.58，150.98),表明樣品的基本色調為綠色。

(2)以其中一件樣品作為標樣，采用色差公式CIE DE2000可將色差分為輕微色差、能感覺到色差、色差可識別、色差大四個等級；通過分析色調角h0和色差值ΔE00數(shù)據(jù)可知，色調角的變化與其色差值的增量無明顯關系，因此色調對硅化木綠色變化幾乎沒有影響。

(3)通過K-Means快速聚類分析將綠色硅化木顏色分為五級，顏色質量從高到低依次為陽綠、中綠、豆綠、深綠、暗綠，并采用Fisher判別法反向驗證其分類是合理可行的。