日光色溫及顯色性實驗研究

梁樹英　楊春宇　張青文　翁季

摘要：

為了解決建筑色彩多從人文審美等定性研究出發、缺乏科學定量研究的問題，找到不同色溫的日光對建筑色彩產生影響的函數關系，達到建筑色彩設計更科學化的目的。分析了典型日光及相關理論，并以典型日光D65和D55為標準照明體，對日光色溫及其與顯色性之間的定量關系進行了實驗研究，研究結果表明晴天早晨和傍晚的日光色溫變化幅度較大，在日出后和日落前3 h之間基本穩定地保持在4 300～5 300 K之間。日光光源與典型日光（CIE標準照明體D）的總色差與兩者的色溫差之間存在顯著的正比例關系，比例系數約為0.01，其函數關系式為ΔE=10×10-2×ΔK（3 500

關鍵詞：

日光；光譜分析；典型日光理論；日光色溫；色差關系

建筑色彩包含社會人文及科學技術2方面的內容，長期以來建筑色彩設計多是從歷史、文脈、習俗、審美等方面進行的定性分析，忽視了科學的定量研究。建筑色彩是在自然空間中呈現出來的，日光必然會對其產生影響。日光有初升、日出后、正午、日落前和欲落以及晴天直射、晴天背光和陰天等不同時相，不同時相的日光具有不同的色溫和光譜功率分布，在其照射下建筑所呈現的色彩也不盡相同。因此，對日光光譜、日光色溫及顯色性對建筑色彩影響的研究是一項重要的基礎理論研究。在日光光譜的研究方面，學者們進行了一系列的研究工作，例如：HernándezAndrés等[1]對歐洲南部的日光光譜進行了測量和分析，趙曉艷等[2]對成都地區的天空光光譜進行了測量和分析，曹婷婷等[3]分別對大氣上界和地表直射太陽光譜和天空光譜進行了測量，還有學者對太陽輻射光譜和天空光譜進行了相關研究[48]。日光色溫隨氣候、季節、時間和天氣等的變化而變化，其中時間和天氣的變化對日光色溫的影響最為明顯，李興國等[9]對常見的日光色溫進行了研究，對比了自然光和人工光的色溫差別，鄭志雄[10]標出了日光和天光在部分云彩之下的綜合色溫。喻柏林等[11]對光源的色溫和CIE標準照明體進行了研究，并研究了典型日光色度軌跡及其相對光譜；還有學者對CIE標準照明體的色度和光譜等進行了研究[1213]。楊春宇等[1415]對影響建筑色彩觀測的因素進行了研究，包括不同色溫日光、不同光源等對建筑色彩的影響。目前，對日光光譜的研究主要用于大氣污染狀況的檢測和分析，對日光色溫本身的研究也比較有限，還缺乏對日光色溫及其顯色性之間關系的深入研究。

筆者對一天中具有不同色溫的不同時相日光進行跟蹤觀測，分析一天中日光色溫及其照度變化，同時，以典型日光D65和D55作為參照照明體，對不同色溫日光下的標準白板色度變化量進行分析，并進行色差比較，探討日光色溫與顯色性之間的定量關系。

梁樹英，等：日光色溫及顯色性實驗研究

1典型日光及相關理論

1.1典型日光理論

國際照明委員會（CIE）推薦了4種標準照明體A、B、C、D來規范顏色測量。典型日光（即CIE標準照明體D）在CIE1931色度圖上表示為一條位于黑體軌跡上方的典型日光色度軌跡，其是由兩類實驗數據定出的：一類數據來自1963年Condit等人測量的622例不同地區和不同時相的太陽光和天空光光譜分布；另一類數據是同年完成的兩組視覺色度測量，即Nayatani等[16]和Chambeilin等[17]分別對加拿大渥太華和英國南部的北天空日光的直接視覺觀察。針對Condit等人測量的622例日光光譜分布，Judd等[18]用統計學的特征矢量分析重新組合出一定相關色溫的典型日光光譜功率分布。由這622例日光光譜分布曲線可以得到1條平均曲線S0，分析這些曲線偏離S0的變化，可以找到偏離S0的最突出特征矢量S1和第2個最突出特征矢量S2，以及第3特征矢量S3和第4特征矢量S4等。一般而言，用特征矢量S1、S2和相應的乘數M1、M2就能很好地符合不同色溫的日光光譜分布[1920]（圖1）。

根據典型日光理論，不同色溫日光的相對光譜功率分布公式為：

1.2日光光譜功率分布與日光色溫

根據前文所述理論，不同時相的日光對應著不同相關色溫的標準照明體D，也就對應著不同的相對光譜功率分布。定義典型日光的實驗數據來源于實測日光，其相對光譜功率分布與實測日光很相似，和其他標準照明體相比，典型日光的色度點與實際日光更符合，因此CIE推薦研究時實測日光用典型日光D55（相關色溫5 503 K）、D65（相關色溫6 504 K）和D75（相關色溫7 504 K）來代替，并盡可能使用典型日光D65。

從光源的顯色性來分析，其顯色性是由光源的光譜功率分布決定的[19]，連續光譜的光源具有較好的顯色性。日光是連續光譜，日光色溫能代表其光譜功率分布，也能反映其顯色性。從色度實踐的角度而言，研究日光的光譜功率分布意義不大，且有一定的難度。因此一般在日光光源條件下，可用日光色溫來衡量其顯色性，進行色度測量和分析。

色溫的感覺量用MK-1（每兆開）表示，其計算公式為[21]：

106/色溫K=MK-1（2）

從式（2）可以看出，色溫的感覺量是由倒數色溫來度量的。在實際測量中，光源的色溫同樣相差200 K，但其感覺量就會有很大不同。例如：5 000 K和5 200 K的2個光源，色溫感覺量約為8 MK-1；而2 000 K和2 200 K的光源，色溫感覺量就約為45 MK-1。為了進一步探討日光色溫與色差之間的定量關系，筆者對日光色溫及顯色性進行了實驗研究。

2日光色溫及顯色性實驗研究

2.1實驗原理

根據實際測量，陰天時日光色溫比較穩定，大致處于6 000～7 000 K之間，其與典型日光D65的色溫比較接近，而晴天時日光色溫在一天中的變化幅度很大，因此著重研究晴天時日光色溫及其照度的變化情況。跟蹤觀測晴天一天中正對太陽直射光的標準白板直射面的各項參數，分析一天中日光自身的變化規律，并在CIEXYZ和CIELab色彩空間中將測量數據與CIE標準照明體D（典型日光）下的測量數據進行色差比較，分析日光色溫變化對建筑色彩的影響規律。

2.2實驗步驟

在重慶市選擇一個夏季全晴天（具體測量日期為2012年8月14日；正午的太陽高度角為74°49′；日出和日落分別為6時21分和19時33分；日正中天為12時56分；晝長13小時11分；測量時間為北京時間，時區為UTC +8），在室外條件下正對太陽直射光垂直放置標準白板，并將一天分為16個不同時段，在不同時間點用PR650亮度色度計和ST—80C數字照度計測量其直射面的亮度、色度、色溫和照度等，并記錄相關數據。

將測量數據使用AIM_XLA（EXCEL加載宏）進行色度計算和轉換，并用Origin 8.0軟件對數據進行繪圖和分析。為了便于計算和分析，色差計算均采用國際上有代表性的CIEDE2000色差公式。

2.3晴天日光色溫及照度變化趨勢分析

經過測量，晴天日光亮度、色度、色溫和照度參數如表1所示。將一天中的日光色溫和水平照度的數據進行統計分析，得到晴天日光色溫及水平照度的變化曲線（圖2）。

從表1數據和圖2晴天日光色溫及水平照度變化圖中可以看出：晴天時，日光色溫基本處于3 500～7 500 K之間，早晨和傍晚日光色溫變化幅度較大，早晨時日光色溫急速下降，傍晚時日光色溫急速上升，而在1 d中的大部分時間（日出3 h之后和日落3 h之前），日光色溫的變化幅度較小，基本穩定地保持在一定的水平上（4 300～5 300 K）；而日光亮度、水平照度和垂直照度的變化則比較規律，基本符合太陽的運行軌跡，在一天中先上升后下降，其最大值出現在正午前后。

2.4日光色溫與總色差的關系研究

2.4.1CIE XYZ色空間為了定量分析日光色溫變化對建筑色彩的影響規律，研究其顯色性，本文分析了不同色溫日光下標準白板的色度數據，并以CIE推薦的D65（即相關色溫6 504 K的典型日光）標準照明體作為參照照明體，將觀測數據在CIEXYZ色空間中進行色差比較。定義典型日光D65的Y、x、y值分別為0.994、0.3127、0.329[14]，那么標準白板的色度值就是其與典型日光D65照明條件下的色彩偏差值。從前文的理論分析可知，光源的光譜功率分布決定了其顯色性，日光是連續光譜，日光色溫能代表其光譜功率分布，也能反映其顯色性。因此，日光色溫與其顯色性之間必然存在一定的關系。對測量數據通過AIM_XLA（EXCEL加載宏）計算和Origin 8.0軟件分析，得到不同色溫日光與典型日光D65的總色差與兩者色溫差之間的函數關系圖（圖3）。