古建筑彩畫照明用光源顯色性評價方法研究

王文亞，張明宇，孫文超

(天津大學天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072)

古建筑彩畫照明用光源顯色性評價方法研究

王文亞，張明宇，孫文超

(天津大學天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072)

中國古建筑彩畫既能為木質構件帶來防腐作用，同時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。但高顯色指數的光源有時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在計算顯色性時采用了代表顏色的色彩表現來衡量光源的顯色能力，使評價結果不是特別準確；此外，CRI-Ra在計算時僅考慮了色彩保真，即在顯色能力評價上也不全面。為此，本文對現有顯色性評價方法進行了梳理，并根據古建筑彩畫夜景設計要求，從中選出了適用于彩畫照明的評價方法，最后根據彩畫標準色樣的顏色特征進一步選出了能準確評價彩畫照明用光源的方法，為彩畫照明設計選用光源提供了科學依據。

彩畫；光源；顯色性；評價方法

引言

在探討古建筑彩畫照明效果時，不得不將照明光源的色溫和顯色性指標納入進來，因為色溫和顯色性是評價光源色彩表現的基本參數；近年來，古建筑光源色溫逐漸滿足了人們的視覺習慣，此時光源的顯色性便成為了彩畫夜間色彩表現的更為重要的指標。

現階段，人們常用顯色指數CRI-Ra來評價光源的顯色性，但在彩畫景觀照明時，高顯色指數的光源有時也并不能營造彩畫夜景的良好效果(如圖1、圖2所示)。因為，CRI-Ra采用了8種代表顏色的色彩表現來衡量光源的顯色能力，因而不能準確地考量光源對所有色彩的表現能力。本文回顧了現階段針對光源顯色性提出的不同評價方法，根據它們的計算原理、彩畫照明設計要求及彩畫色彩特征篩選出了能準確評價彩畫照明用光源顯色性的方法，從而為彩畫照明設計選用光源提供科學依據。

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，彩畫色彩不易識別Fig.2 Xi′an tower, color drawing is not easy to identify

1 現階段針對光源顯色性提出的評價方法

本文回顧了近年來國際照明委員會CIE、美國國家標準技術研究所(NIST)和北美照明委員會(IES)等一些研究機構提出的評價光源顯色性的方法，將它們分為5類，并分別介紹了它們的計算原理。

1.1 基于顏色保真度的評價方法

1)CIE一般顯色指數Ra，采用CIE 1～8 號標準色板，通過Von Kries色適應轉換和1964 U*V*W*均勻色空間計算色差進而求得Ra。

2)CRI-CAM02UCS顯色指數，在顏色樣品選用上與Ra一致，主要是改進了CIE 顯色指數中所用的色適應變換和顏色空間，使用了CAM02-UCS均勻色空間，其評價結果計算流程與CIE顯色指數類似。

3)CRI 2012顯色指數，在顏色樣本選擇上，采用了與現行顯色指數完全不同的顏色樣本，使用了兩套顏色樣本：HL17顏色樣本，由數學設計得到，光譜特性均勻分布，用于一般顯色指數的計算；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種常用的美術用色和出現4次的5種膚色，用于特殊顯色指數的計算。它同樣采用了CAM02-UCS均勻色空間來計算色差進而求指標值。

1.2 基于顏色偏好性的評價方法

1)奉承指數(Rf)，仿照了CRI，顏色樣本選用了CIE標準樣板1～8號、13號及14號,并在計算色差時對其權重進行了調整：13號(膚色)/35%、2號/15%、14號/15%、其余每塊5%，突出了人的膚色權重，從而重點反映人們常見的皮膚和綠色的顏色認知。Rf的計算原理基本與CRI-Ra相同，除了目標顏色的計算，它在色差的計算上不再以標準參照光源下計算的真實顏色為比對目標，而是以標準參照光源下視覺評估的最佳顏色為比對目標。

2)顏色偏好指數(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同樣的8個標準色塊，且各色塊權重相同；它同樣以CIE 8塊標準樣本在測試光源照明下的色度與最佳色度的色差計算指標值。

3)記憶色顯色指數(MCRI)，它的基本思想非常簡單，通過比對一組熟悉的物體(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估測試源的顏色質量，相似度越高，光源的顯色質量就越好。它采用了一套完全不同于Ra的計算模型，將視覺評估得分與樣品刺激值IPT坐標(采用MATLAB lsqcurvefit函數)擬合，得到形似性分布函數Si(Xi)，進而計算相似度Si。

1.3 基于顏色區分度的評價方法

1)色彩辨別指數(CDI)，采用了CIE8個標準色板，通過計算光源照明下8個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(CSA)是在色彩辨別指數(CDI)基礎上，將亮度因素加入考慮范圍提出的，也采用了CIE 8個標準色板，在計算時假定錐的基礎為圓形，且面積與8個色板圍城的U′、V′八角形色域相等，垂直高度為光源的W′色度，通過計算椎體表面積進而求得指標值。

3)感知差異指數(FCI)，選擇紅、綠、黃、藍四種顏色組合構成紅綠黃與紅綠藍兩個三角形色域，通過在CIELAB空間計算兩個三角形色域面積和來計算指標值。

4)色域指數(GAI)，與色彩辨別指數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，也通過計算多邊形面積求指標值。

1.4 基于顏色和諧度的評價方法

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

1.5 綜合指標評價方法

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

2)TM-30-15采用了雙指標——色彩逼真指數Rf和色彩飽和指數Rg。Rf也是以色差為計算手段，計算流程與基于顏色保真度的評價方法相近，采用了CIECAM02-UCS進行色適應變換和色差計算；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、包含各種真實物體的屬性。Rg是基于顏色區分度的評價方法改進得到的，也以色域面積為指標計算手段。

2 各類顯色性評價方法在彩畫照明設計中的適用性

2.1 古建筑彩畫照明設計需求

2.1.1 彩畫的紋樣及色彩

傳統建筑彩畫有著獨特的藝術風格，種類不同, 形式各異，既追求裝飾的整體效果，也注重對細節的表現(如圖3所示)。彩畫的細節圖案在表現上不斷吸取、提煉、精簡其他藝術作品中的精華部分，形成了復雜細膩、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, 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 彩畫照明設計需求

中國古建筑彩畫的色彩反映了當時的藝術欣賞水平和用色的考究程度，在彩畫不斷發展過程中，人們逐漸制定了一些規定和要求，后來它演變成了表現建筑等級的手段，用來體現社會等級制度和建筑文化內容。如今，彩畫色彩及其描繪的場景已遠遠超出了視覺和藝術的范疇，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性。中國古建筑已經存在了上千年，人們在長期的生活中對日間古建筑的色彩特征形成了深刻的記憶，所以在夜景照明時人們往往也追求其色彩的真實性，即追求再現日光下的色彩。

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

2.2 各類評價方法的適用性

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

表1 評價方法計算手段

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

由此可知，滿足彩畫“原真性”要求的評價指標有：CRI-CAM02UCS 顯色指數、顯色指數CRI 2012、CQS(Qa)及TM-30-15中的Rf；滿足彩畫“易識別性”要求的評價方法有：色彩辨別指數(CDI)、圓錐表面積指數(CSA)、感知差異指數(FCI)、色域指數(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價方法，可用于仿古類建筑彩畫照明光源的評價，因為其彩畫夜景照明主要目的在于吸引人的關注。

3 彩畫景觀照明用光源顯色性評價方法

3.1 評價法方法準確性的判定

雖然上述各適用性評價指標的計算手段均符合彩畫照明設計的需求，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，因此使用它們評判光源在古建筑彩畫照明中的顯色能力，還必須驗證這些代表顏色是否覆蓋了彩畫標準的色樣(標準色樣孟賽爾參數，如表2所示)，即對這些評價方法的準確性進行判定。

表2 彩畫標準色樣孟賽爾參數

注：引自《古建園林彩畫色彩及光照保護系統研究與應用》

表3 各適用性指標的色樣及特征

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

3.2 評價方法TM-30-15(Rf/Rg)

評價方法TM-30-15采用色彩逼真指數Rf和色彩飽和指數Rg兩個指標判斷光源顯色性(計算過程如圖4所示)，并用顏色矢量圖形來表現各顏色樣品在待測光源下的色調、飽和度相對于參照光源的偏移情況(如圖5所示)。

圖4 TM-30-15(Rf/Rg)計算流程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，這種評價方法滿足彩畫照明設計的要求，同時，矢量圖準確地展現光源對各個顏色的顯色能力，使照明設計選用光源十分具有準確性。

4 總結

本文對現階段提出的光源顯色性的評價方法進行了總結，并結合彩畫照明設計藝術要求，對各個評價方法在彩畫景觀照明中的適應性進行了分析，最后根據彩畫標準色樣特征，選出了能適合評定彩畫照明用光源的評價方法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