中國古建筑色彩的夜景表現實驗研究

張明宇 王立雄 蘇曉明

(1.天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072;2.內蒙古工業大學建筑學院，內蒙古呼和浩特 010051)

中國古建筑存在了上千年，人們在長期的審美意識中已經對日間古建筑自身的色彩特征形成了深刻的印象，而夜景中在如何對古建筑色彩進行較好地表達，符合人們對古建筑的認知習慣，即夜景中古建筑的“原真性”。在此方面目前尚無針對性地依據和應用建議。

本文研究計劃結合古建筑自身濃厚的色彩特征，并結合照明中常用的光源色彩表現特性進行綜合性的夜間色彩表現評價研究，以期在中國古建筑照明應用研究中得到初步研究結論，為古建筑照明合理的色彩表達提供理論依據。

1 中國古建筑色彩特征

1.1 中國古建筑色彩的形成

《營造法式》對中國古建筑的用色有過這樣的描述:“色調以藍、綠、紅三色為主，間以墨、白、黃。凡色之加深或減淺，用疊暈之法。其方法亦自唐至清所通用也。”［1］

中國古建筑的色彩不僅僅作為裝飾，而首先是基于對建筑基本構件的保護功能需要而存在的，是基于傳統建筑采用木構架的基本特點而產生的。其色彩不僅反映著當時人們的藝術欣賞水平和用色的考究程度，而且對于建筑的彩畫有著規定和要求，建筑的色彩和彩畫，也演變成是建筑等級的表現手段，體現著社會等級制度和建筑文化的內容。其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。在其中統一了色彩表現的美學、文化內涵、建筑的功能屬性等諸多要素，成為中國古建筑在世界建筑藝術中的鮮明特色，見圖1。

1.2 古建筑各部分構件色彩特征

通過傳統建筑色彩的研究文獻查閱，得出古建筑各部分色彩分布的基本規律特征:

屋頂色彩中分為:黃色 (尤其是明黃)琉璃瓦、黃綠混合 (剪邊)、綠色、綠灰混合、灰色陶瓦。

建筑物墻身色彩:主要有紅、綠、棕等色。

構件色彩:

梁枋、斗拱、椽頭彩畫色調以青、綠為主，間以金、紅、黑等色;

柱子:紅色、綠色為主。

而上述各部分建筑色彩是作為建筑等級表現而搭配使用的。北京故宮的建筑色彩的搭配就體現了這一點，見圖2。在藍天下用黃琉璃瓦頂搭配青綠色的彩畫和大紅的宮墻、柱子與門窗，造成了宮殿建筑莊嚴而又雄偉的總體色彩效果。

圖2 故宮建筑色彩形象Fig.2 Imperial Palace color

2 夜景照明技術中的光色

現在，不同光源其基本的色彩表現特性，如色溫和光源顯色性等，已經有多樣化的選擇，這些參數也已經成為照明廠商進行產品質量控制和標定產品特性的基本參數。對于古建筑照明來說，探討其照明效果，不得不將照明光源中的色溫、顯色性指標納入進來。色溫是衡量光源色的指標，而顯色性是衡量光源視覺質量的指標。假若光源色處于人們所習慣的色溫范圍內，則顯色性應是光源質量的更為重要的指標。這是因為顯色性直接影響著人們所觀察到的物體的顏色。

表1所列的是國際照明委員會 (CIE)推薦的光源基本特征與技術參數指標。

表1 國際照明委員會 (CIE)推薦的光源基本特征與技術參數Table 1 Light source characteristics and technical parameters recommended by the International Commission Illumination(CIE)

通過對不同光源的了解，使用不同光源，既可以達到如實還原建筑本來面貌，也可以實現改變建筑本來的色彩，這是夜間照明區別于日光的重要特征。此外，多種新光源和照明技術的發展，照明的光色使用問題愈來愈突出。不同光源的色溫和顯色情況不同，古建筑照明中采用，其結果往往使物體失去“真實”的顏色，或效果相去甚遠。

3 古建筑夜景色彩表現實驗

古建筑上的油飾、彩畫一般分布在建筑物的主體立面部分，這一部位由于其豐富的細節成為了人們視看的主視線集中地，成為古建筑色彩組成的最重要表現部分，下面就以古建筑的油飾、彩畫的常用顏色作為實驗的對象來具體研究。

3.1 實驗方案

實驗目的:

為在夜景條件下實現彩畫的最接近“原真性”的表達，因此本實驗中選用與太陽光色和光譜最為接近的D65光源作為實驗參照光源，并同時選用了其他12種對比光源。我們將不同光源與彩畫、油飾試件在實驗室條件下進行一一照明，并對試件進行色坐標測試，通過實驗處理并最終計算出不同試件在12種光源下的色差值，借以評價出不同光源類型對不同彩色、油飾試件的表達的差異和優劣。

實驗方法:

本文擬采用客觀數據測試和主觀評價相結合的實驗方式進行綜合研究。

實驗過程如下:

(1)選取實驗對象

按照古建筑彩畫傳統做法制作的古建筑常用具有代表性的色彩實體色塊試件和油飾試件。試件尺寸:12cm×12cm×5cm木塊。彩畫計6塊:顏色分別為紅色、綠色、藍 (青)色、黑色、白色、黃色;油飾計7塊:顏色分別為紅色、綠色、藍色、黑色、白色、黃色、金色。同時選取了帶有青綠色彩畫的額枋。試件如圖3、圖4所示。

(2)選取實驗用光源:

通過具有代表性的古建筑照明用光源對模型試件進行照射。光源有:

①小功率陶瓷金屬鹵化物燈三支。兩支35W光源，色溫為3000K，顯色指數分別為80和90;一支35W光源，色溫為6000K，顯色指數為90。

②150W2000K高壓鈉燈一支，顯色指數20。

圖3 六種彩畫、七種油飾試塊Fig.3 Six kinds of tempera blocks，seven kinds of ornaments blocks

圖4 額枋彩畫模型試塊Fig.4 The Tempera model block

③熒光燈四支:18W T8三基色熒光燈，色溫6500K，顯色指數80;18WT8普通熒光燈，色溫6500K，顯色指數70;14WT5普通熒光燈，色溫4200K，顯色指數80;14WT5普通熒光燈，色溫3000K，顯色指數80。

④100W 3000K鹵鎢燈一支。

⑤典型色溫的LED三支 (發光由RGB混合)，包括:3000K、4000K、5500～6000K各一支。

(3)實驗方案描述:

在天津大學建筑學院建筑物理實驗室內，在全黑條件下進行測試。首先選取實驗對比的標準光源D65(18W，6500K)，將其懸吊于測試樣品側前方，距測試樣品1m的距離，保證其主光軸直射被測試件。通過 D65對色塊試件和額枋照明，使用TOPCON BM-7型色度亮度計測試典型測點的色坐標。TOPCON BM-7型色度亮度計設置在距被測試件2m位置，且垂直于被測試件表面進行測試。測試中BM-7主要選用2°視場瞄準彩畫及油飾試件的中心點位置，而額枋試件考慮其上每種顏色所占面積大小不同，BM-7選用0.2°視場進行測試，選取測點為不同色彩部位的中心點位置，再讀取色坐標X、Y、Z數值。然后選用實驗待選的其余典型實驗光源布置在上述位置分別對試件進行照明，測試相同測點的色坐標X、Y、Z數據。通過數據的計算處理，計算出不同光源下同一試塊的X、Y、Z與標準光源D65下的色坐標X、Y、Z數據對比所形成的色差值，以確定不同光源對試件色彩的表現差異，最終形成優劣比較。

3.2 數據處理

包括實驗的測試數據計算和主觀色差閾值判定兩部分內容，一方面通過數據計算得到不同試塊的光源色彩還原性的色差ΔE指標，另一方面通過主觀評價以確定色差ΔE的人眼接受閾值。

(1)色差ΔE的計算

依據《色度學》［3］中給定方法，通過光照實驗測出不同試塊在不同光源下的色坐標X、Y、Z，并計算不同光源下試塊顏色的色差值ΔE。具體計算方法按照該書中的推導和計算方法來進行:

1964年CIE規定了“均勻顏色空間”的標定顏色方法，在均勻顏色空間中，色差的計算可不限于具有相等亮度因數的顏色。 “CIE1964均勻顏色空間”用明度指數W*、色度指數U*、V*坐標系統來表示。

通過對不同顏色試塊在不同光源表現下的色差值的分別計算，得出ΔE值。再在同一色塊條件下進行對比，ΔE值越小，說明色差越小，光源對該試塊的顏色表現越接近真實，也越適于表現該色塊。

而對于額枋試件，由于其上色彩主要以青、綠色為主，其余還有適當的金、紅、灰藍等色。這五種顏色在同一光源照射下的不同色彩偏差有所不同，計算ΔE值將取五種色彩偏差的平均值來考量。

(2)色差閾值確定

在以上現場儀器測試實驗的過程中，采用實驗人員現場主觀評價的方法來定性描述色差值的人眼接受幅度，目的是基于色差ΔE值計算值的基礎上，在實驗條件下，找出人眼在不同光源照射情況下各試塊色彩還原性能接受的幅度。

3.3 實驗初步結論

3.3.1 不同光源對彩畫試件色彩的表現

通過對以上不同光源對古建筑彩畫照明表現力測試，計算出ΔE值如表2所示。

表2 不同光源照射下的彩畫色塊的Δ E值Table 2 TheΔ E value of tempera blocks under different light sources

由表2可以看出，不同光源對彩畫的表現中色差各有不同，從六種彩畫色塊的ΔE平均值來看，各種光源的色差ΔE的平均值均在1以上，個別光源 (如鹵鎢燈、高壓鈉燈)的色差值較大。各種光源總體評價排序如下 (按色差表現的好壞排序):三基色熒光燈(18.80.6500) ＞LED光源 (6..5500～6000) ＞普通熒光燈 (18.70.6500) ＞LED光源 (11..4000) ＞三基色熒光燈 (14.80.4000) ＞金鹵燈 (35.90.6000) ＞金鹵燈 (35.80.3000) ＞普通熒光燈 (14.80.3000) ＞LED光源 (12..3000) ＞金鹵燈 (35.90.3000) ＞鹵鎢燈(100.100.3000) ＞高壓鈉燈 (150.20.2000)。冷色的熒光燈和LED光源色差較小，也就是說，在彩畫表現的總體評價上，采用高色溫的熒光燈和LED光源對彩畫的還原性相比其他色溫和光源類型要好。而三種金鹵燈對色彩還原的表現適中，鹵鎢燈和高壓鈉燈色彩還原性最差。

3.3.2 不同光源對油飾試件色彩的表現

本文同時測試了不同光源對古建筑油飾試塊照明的色差并進行比較。計算出與D65標準光源下的色差ΔE值如表3所示。

表3 不同光源下的油飾色塊的Δ E值Table 3 TheΔ E value of ornaments block under different light sources

總體評價:由表3可以看出，不同光源對油飾的表現色差各有不同，從七種油飾色塊的色差ΔE平均值來看，除少數光源在1～2之間，ΔE平均值均較大，光源色差反應明顯。各種光源總體色彩還原情況如下:普通熒光燈 (18.70.6500) ＞三基色熒光燈(18.80.6500) ＞LED光源 (6..5500～6000) ＞三基色熒光燈 (14.80.4000) ＞LED光源 (11..4000) ＞金鹵燈 (35.90.6000) ＞普通熒光燈 (14.80.3000)＞LED光源 (12..3000) ＞金鹵燈 (35.80.3000) ＞鹵鎢燈 (100.100.3000) ＞金鹵燈 (35.90.3000) ＞高壓鈉燈 (150.20.2000)。

在油飾色塊表現的總體評價上，按照光源的色溫由高至低色差有明顯的增加。具體來說，采用高色溫的熒光燈和LED光源的色彩還原性相比其他色溫和光源類型要好，且熒光燈較LED光源要好，而其中熒光燈中是否為三基色則區別不大。這個結論與彩畫試塊的實驗結果是比較一致的。而三種金鹵燈和鹵鎢燈對色彩還原的表現均較差，高壓鈉燈色彩還原性最差。

3.3.3 不同光源對額枋 (彩畫為主)試件色彩表現

對額枋試件的測試，以青、綠、紅、灰藍色四種彩畫顏色和金色油飾顏色這五種色樣測量數據來計算色差ΔE值，通過五種顏色的色差ΔE平均值來綜合考量每種光源的適宜性。通過計算，色差平均值的計算結果如表4所示。

針對于額枋試件，總體來講，在采用的12款光源中，均有不小的色差，最小ΔE值為2以上。但是我們也可以從中找出一些基本的規律:

表4 不同光源下的額枋試件的色差Δ E平均值Table 4 The average of Δ E value of Tempera model block under different light sources

(1)高色溫的光源相對色彩還原性要好，以高色溫的三基色熒光燈和LED光源還原性最好，其次為高色溫金鹵燈;

(2)在熒光燈中，首選三基色熒光燈，要好于同色溫的普通熒光燈;

(3)金鹵燈中，色差均較大，色彩還原性不如三基色熒光燈和LED光源。但在選定的三款金鹵燈中同類型比較而言，高色溫的金鹵燈色彩還原性最好，而低色溫 (3000K)中，對額枋試件的色彩還原性與光源的顯色指數不成正向比例;

(4)在LED光源中，除高色溫的色彩還原性好以外，選用的3000K、4000K光源色差均較大，ΔE值在5以上;

(5)鹵鎢燈和高壓鈉燈的色差值最大，ΔE值為接近8和10以上的數值，色彩還原性最差，不能正確反映試塊顏色。

3.3.4 色差閾值的主觀判定

實驗測試現場經10名建筑技術科學專業研究人員，對上述實驗采用的12種光源照射情況下6種彩畫色塊、7種油飾色彩還原效果進行評價。采用不明顯、較明顯、明顯三個等級來描述，以確定不同光源的色差描述傾向，并以“不明顯”和“較明顯”之間的色差值來確定人眼視覺能接受閾值范圍。實驗中選用的12種光源對13種色塊試件分別形成的色差閾值如表5所示。

表5 彩畫試塊光照色差閾值Table 5 The illumination color difference threshold of tempera block

表6 油飾試塊光照色差閾值Table 6 The illumination color difference threshold of ornaments block

表6數值顯示，大部分試件光照色差閾值范圍在2～3之間，少數有“1”和“4”的數值。由此可以判定，對本次測試中采用的古建筑油飾、彩畫試件來講，大體可確定人眼可明確感受到的色差閾值為3左右。

4 色差測試實驗的綜合結論

通過測試數據以及現場主觀評價，對每種試塊色彩還原最好和最差的光源如表7所示。

綜合以上，可以形成以下幾條基本結論:

(1)除部分試件外，色彩還原性最好的光源絕大多數為高色溫光源，以高色溫的熒光燈和LED光源還原性最好。幾個特例為:

對紅色彩畫、黃色彩畫還原性最好的為三基色熒光燈 (14.80.4000);

對藍色油飾還原性最好為金鹵燈 (35.80.3000)。

表7 對14種試件色彩還原最好和最差光源類型一覽表Table 7 The best and the worst color reproductions of 14 kinds of blocks under different light source

(2)金鹵燈色差值ΔE較大，色彩還原性不如三基色熒光燈和LED光源;

(3)高壓鈉燈和鹵鎢燈色差值ΔE最大，色彩還原性最差;

(4)對6種彩畫試塊色彩還原性最好的光源均為熒光燈，與是否是三基色熒光燈沒有明顯區別;

(5)對7種油飾試件色彩還原最好的是三基色熒光燈和高色溫LED光源。

(6)通過主觀評價，基本確定人眼能接受的色差ΔE閾值為3左右。

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