古建筑彩畫照明色彩偏移表現評價定量研究

王 琛，范 晴，王文亞，張明宇，汪亞江

(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)

引言

古建筑彩畫作為建筑裝飾元素，存在已久。而古建筑作為歷史遺存，也是夜景照明環境的重要表達，其夜景照明的表現成為了夜間人們的主要欣賞點。由此，古建筑彩畫的夜景照明如何表達，如何符合人們對古建筑固有形象的“原真性”成為了古建筑照明效果優劣的關鍵，但目前在實際的古建筑夜景照明建設中彩畫照明效果失真的現象屢見不鮮。

如何在古建筑照明設計中選擇LED燈具參數，達到較好的古建筑色彩表現效果，是本文研究的重點。基于對古建筑色彩“原真性”表現的要求，對古建筑彩畫常用LED燈具的功率、色溫開展研究，通過照射實驗、主觀評價實驗尋求各色彩畫試塊色差閾值，并進一步給出不同色溫LED燈具的限定瓦數，以期對古建照明燈具的選擇給出參考建議。

1 主客觀實驗

1.1 實驗目的

通過客觀測試實驗，對比典型彩畫色彩在不同功率、不同色溫LED燈具的照射下的色坐標，與在D65光源(模擬彩畫日間效果)照射下的色坐標，以計算二者之間的色差ΔE，用以評價LED燈具對彩畫表現的優劣。此外，在同一實驗條件下進行主觀評價實驗，通過語意差別量表法定量化人眼對彩畫在不同LED燈具照射下的視覺感受。并將色差ΔE值與主觀評價得分進行統計分析，計算得出彩畫試塊樣品在對應實驗條件下人眼不能承受的色差值，進而給出LED燈具對應功率限值。

1.2 客觀測試實驗

1.2.1 實驗對象

通過考察古建筑及調查相關文獻，古建筑常用彩畫基本分為6種顏色。這6種分別為紅色、綠色、藍色、黑色、白色和黃色。實驗采用與頤和園古建筑中使用的彩畫材料及工藝完全相同的彩畫樣品為實驗對象，樣品嚴格按照彩畫修復的制作工藝制作。每個彩色試塊尺寸為顏色均勻，大小為11 cm×11 cm，且表面無污染灰塵等。彩色試塊如表1所示。

1.2.2 實驗燈具參數選取

實驗中選用D65熒光燈(18 W，6 500 K)為標準參照光源，用來模擬彩畫在日間受太陽光照射的色彩表現。D65是國際照明委員會確定的可用于模擬日光的標準照明光源在其照射下能夠達到很好的參照效果，是當下照明的最佳模擬燈光，本實驗將其作為實驗室條件下還原日光對彩畫照射用光源。在我們國家的絕大部分地區，上午8點的時間點，太陽會升起照射大地，天空大地開始變亮。并且在整個白晝的上午10點左右到下午3點到5點之間。太陽射出的光線達到一天當中包含最全光譜色的時刻，那么也就是說在該階段光線照射下的物體達到100%的顯現本色，達到實物自身色彩質感最佳展現，實現其原真性的最優呈現。

表1 彩畫樣品統計表Table 1 Statistics of color painting samples

LED燈具目前被廣泛應用于古建筑的夜景照明中，其光源類型、功率、色溫等參數相對較多。本實驗選用的LED燈具參考相關產品手冊，確定實驗用古建筑彩畫照明的燈具參數見表2。

表2 實驗用LED燈具類型參數Table 2 Type parameters of common LED lamps

1.2.3 實驗環境

實驗環境設置為全暗空間，照射環境周圍用不透明幕布進行遮擋。在實驗設置燈具與彩畫距離時，參考實際工程照明中投光燈具基本裝在古建筑的檐口下方，與照射的彩畫飾面大約為500 mm。本次實驗中依照實際情況也采用中心距離500 mm，水平垂直距離400 mm的位置安裝燈具。實驗測試現場及場景模型如圖1、圖2所示。

圖1 實驗場景模型Fig.1 Experimental scene model

圖2 實驗測試現場Fig.2 Test site

1.2.4 實驗測試方法

1)確立實驗場地的基本情況，在滿足基本條件的基礎上我們先要對作為標準光源的D65燈具安放在正前方，用皮尺測算好其燈具發光面到我們實驗選取的彩畫試塊水平距離為500 mm)，這樣的安裝位置是保持我們選擇的實驗LED燈具所射出的光線所形成的主要光線路徑垂直的照射在彩畫十塊的中心區域，為實驗的中被試著會更輕易的觀察出燈具照射給彩畫試塊所帶來的色差變化。

2)這次實驗的測試過程中要嚴格注意到，在被試LED燈具打開的時候，要深刻考慮到LED光源的基本特性，需要有一個穩定的時間，由于燈具的功率不同，經前期的準備實驗得出，穩定周期會隨著燈具瓦數的增加而有很明顯的改變，當基本控制在3 min之內。因此我們將這個時間統一設定為3 min。本次試驗選取測量計算色差的儀器是彩色亮度計，其型號是Topcon BM-5 型，是如今實驗室中最為有效和常用的實驗儀器。在測試中要將儀器的視場調到2°，直接對向彩畫試塊的中心，讀取在此環境下彩畫試塊的色坐標(a,b,L)值。此外，為了減少儀器和人為的誤差問題，要進行3次重復過程，測算出最準確的色坐標數值。

3)把3 000 K、4 000 K、5 000 K、6 000 K 的4 W、9 W、13 W、20 W實驗用LED燈具，按照實驗安排的順序，設置固定在我們實驗設定的位置上，與被照射的彩畫試塊的直線距離為固定值500 mm，兩者的在水平面上測量的距離鎖定在4 000 mm，在安裝完畢后要對燈具的照射方向進行調整，旋轉燈具的支架(統一可變支架)，光線的中心光束有我們實驗的彩畫試塊的照射面中點為一條重合的直線，對實驗對象彩畫樣品中心點附近進行色差值(a,b,L)的測算，這樣我們按照以上步驟逐一進行測試與記錄，能共得到96個色坐標值。

1.3 主觀評價實驗

1.3.1 被試選擇

主觀評價實驗共選取20名在校學生做為被試人員，其中男女生各10名，年齡在20～26歲之間。被試人員均通過色盲測試(Isihara Color Blindness Test)，色覺正常。色盲測試過程如圖3和圖4所示。

圖3 色盲檢查圖Fig.3 Color blindness inspection chart

圖4 被試進行色盲測試Fig.4 Color blindness test

1.3.2 語意差別量表評價

本實驗主要研究目的也是去量化，人的主觀感受與我們的古建筑照明中彩畫的色彩變現效果的數學關系。由于LED燈具的參數較多，在古建筑照明過程中對周邊環境產生較大的變化，夜間打造的古韻風光也給人的眼睛視覺感受帶來一定的舒適度的影響。在整個的研究領域我們經常會采用主觀問卷來收集人群的主觀評價。在評價的設置上主要采用的是是語意差別量表法。這種評價方法能夠量化人的主觀視覺感受，用數值表達出來。能夠特別快捷地獲取實驗數據，按照語意差別量表的方式方法，細致化人眼主觀感受彩色試塊顏色變化的心里接受度，用數值評分獲得彩畫色差的數值大小與視覺主觀感受程度大小的聯系。

整個評價方法，是把被試人員的主觀感受程度，分為了7個不同的梯度，細致化主觀感受的接受程度值。整個分數的值與色差變化帶來的主觀評價感受的忍受程度強弱的對應關系如表3所示。

1.3.3 評價實驗

本次實驗的對比光源是不定的，與特定的測試顏色樣品進行主觀感受評價的實驗。整個實驗由四組實驗構成(按照色溫分成四個實驗過程，每組LED燈具由4種功率：4 W、9 W、13 W、20 W)。由于實驗次數較多，時間周期較長，避免疲勞帶來的評價誤差，所以每組結束，安排活動10 min，降低主觀因素對實驗結果的誤差影響。

整個主觀感受的實驗設置了兩個實驗環境，其環境的需滿足整個空間環境要沒有任何光線的射入，是一個完全黑暗的密閉空間(控制整個實驗環境舒適度不變)。在兩個場景中一個安裝實驗的標準光源燈具D65，另外一個設置的場景中安裝我們選好的測試LED燈具，由于兩個場景需要被使者便于觀察評價，正常條件下會相互造成光線上的影響，因此我們對兩個場景做了適當的優化處理，制作活動鋼鐵架子，配合遮光布對實驗的兩個場景做了遮光的處理，將兩者之間的干擾降到了最低，如圖5所示。

表3 主觀評價七分制概念表(作者自制)Table 3 Concept of seven point system of subjective evaluation (self-made by the author)

圖5 實驗測試過程Fig.5 Experimental test process

我們在設置觀測距離的時候是將觀測椅固定2 m的水平垂直距離上，被試者在觀測被實驗燈具照射的彩畫試塊的顏色變化時，難免會由于身體坐姿與身高的影響，基本都在2 m左右的適宜觀測位置上。實驗進行過程中，會不按照燈具的具體瓦數與色溫遞增或者遞減的順序安裝放置實驗燈具，獲取被試者在此條件下對彩色試塊的色彩變化主觀感受的正式評價，勾選問卷主觀評價選項分數值。在更換實驗的燈具時，需要先關閉標準光源，盡量與被測光源保持一致的發光溫度值。防止視覺的疲勞度，被試人員會被安排閉目25 s。實驗一組(四個不同功率的燈具)每組實驗后安排大家活動10 min。20名測試者針對4種色溫、4種不同功率的光源對6種常用顏色的彩畫樣品給出評價得分，最終共獲得評價數據20×4×4×6=1 920個。

2 實驗結果

2.1 客觀實驗結果

空間及色差觀察條件：其色空間相比于CIE1931和CIE1964更為均勻。當色彩的顏色變現超出視覺的識別閾限(即恰可檢測)，且小于孟賽爾CIE1976LAB色差時，色差值的計算公式符合于我們研究中常用的觀察條件。這個色差的計算公式，從數值關系上很好地量化人眼對于物體顏色的主觀感受的效果程度。為了量化實驗中主觀評價的程度值，我們選用CIE1976LAB色空間，并選用其色差公式來進行測試數據的計算，色差值ΔE計算過程如下：

經過96組的實驗，對3 000 K、4 000 K、5 000 K、6 000 K的LED燈具照射下彩色試塊顏色程度偏移的客觀測試數據進行色差值的計算。最終獲取各組實驗的實驗數據并按照色溫的不同色差ΔE值計算統計如表4所示。

表4 不同LED照射下各顏色彩畫的色差值ΔETable 4 Color difference values of color paintings under different LED irradiation

2.2 評價實驗結果

2.2.1 信度分析

對主觀評價實驗獲取的1920個數據進行數據信度分析，采用 SPSS 軟件計算，函數統計出在3 000 K、4 000 K、5 000 K、6 000 K條件下即下各評價實驗數據的可信程度的數據統計，見圖6。

圖6 不同色溫下各評價實驗數據的信度統計Fig.6 Reliability statistics of each evaluation experiment data under different color temperature

由以上的信度分析結果可知，主觀測試數據信度系數全部在0.6以上為可接受信度，且大部分處于0.7～0.8之間，可信程度較好，是良好的主觀評價樣本。數據具有良好的參考價值。

2.2.2 實驗數據分析

對同一色溫的實驗條件下，4種功率下6種彩畫色塊的主觀評價得分，計算算術平均值。以下為四種色溫(3 000 K、4 000 K、5 000 K、6 000 K)條件下主觀評價分數平均值統計圖(圖7)。

2.3 數據統計討論

2.3.1 信度分布圖

從圖6可以看出整個數據信度統計的結果看出紅色、藍色、白色的信度值最高且較穩定，一定程度上表明了人眼的主觀感受更容易受到刺激。變化相對更加明顯而黑色的信度值相對較低說明其刺激程度較為不明顯，引發的主觀評價容易忽視輕微的變化。此外，黃色的信度值在3 000 K的暖黃色色溫下，色溫在一定程度上對顏色色差的判斷產生影響，所以其信度值在那一刻表現色差差異較小，被測試者選擇由于直觀感受不明顯對判斷造成一定程度的偏差影響。

2.3.2 主觀評分數據

從圖7可以直觀地看出，在整個實驗的色溫設定值相同的情況下，主觀評價得分的平均值是隨著燈具的瓦數的增加而上升的。由于主觀評價數據的可信度都在較好的0.7以上，我們可以看出在LED燈具照射彩色試塊時，主觀評價的不可接受程度與燈具的功率呈現正相關。

此外在相同的功率的LED燈具照射彩色試塊，對比主觀評價得分平均值統計表我們發現，紅色、綠色、藍色、黑色、白色五種常用的彩畫顏色，隨著色溫的增加程緩慢降低的趨勢，為負相關關系。但是，黃色色塊的評價平均值程正相關關系，主觀不可接受程度與色溫值呈現正相關關系。

圖7 主觀評價分數平均值統計圖Fig.7 Statistical table of subjective evaluation score averages

2.4 色彩偏移閾值計算

根據主觀評價量表，主觀評價平均得分為1時，求其色差及功率閾限值(表5)，以LED相關色溫為3 000 K時計算為例，說明計算過程如下。

表5 3 000 K時不同功率LED照射下紅色彩畫試塊的色差值Table 5 Color difference value of red color painting test block under different power LED irradiation at 3 000 K

采用直線內插法求絕對閾限，預設在平均值為1時對應的值為色差及功率的閾限值，這里設為x，計算如下(若表5中平均值=1時，直接讀取)：

即X=186.443

即紅色彩畫在相關色溫為3 000 K LED燈具照射時的色彩偏移閾值ΔE=186.4，求得LED燈具功率閾值約10.3 W。

將全部彩畫試塊進行計算的ΔE色差值及對應的LED燈具功率，如表6所示。

表6 色差功率計算閾值匯總表Table 6 Summary of calculation threshold of color difference power

通過以上的閾值計算，我們采用直線內插法計算出了，在對應主觀評價平均得分等于1的情況下，所對應的燈具對照射色塊產生的色差變化值，代表了人眼對不同色塊彩畫顏色很難接受的極限值。在色差閾值對應的條件下的古建照明設計是很容易引起我們對古建筑傳統色彩感覺的差異程度過多感受程度的評價值。因此為了最好的展現古建筑的建筑本真性感覺，我們應該依照這一參數極限值，避免采用過高功率的LED燈具，對投射的古建筑彩畫及古建筑裝飾材料(在一定程度上也包括古建筑本身材質)的色彩感覺產生極度失真，產生不適感。

因此，為了更加直接地指導照明工程設計中燈具參數的合理選擇(本次實驗選用常用功率LED燈具的原因)，我們對以上的計算數據即統計的閾值結果與選用的實驗燈具(常用功率LED燈具)比對，最終篩選出低于閾值功率的燈具參數，統計匯總成表7。將本次實驗用的4款常用功率LED燈具，按照這樣的篩選過程形成的表格，可以在我們進行古建筑照明設計時，快速便捷地結合設計效果選擇適宜的燈具色溫及功率，營造最優美建筑古韻。

表7 適用于彩畫各顏色照明的LED參數Table 7 LED parameters applicable to illumination of each color of color painting

3 結論

通過以上實驗及數據統計計算，我們得出了4種常用色溫下，LED燈具照射不同彩畫色彩的色差閾值及對應LED燈具功率的最大值，為我們今后古建筑照明設計達到良好的照明效果提供了燈具選取的數據參考，彰顯優美的夜間古建筑特征，發揚我們的傳統建筑文化。此外，在整個的燈具色差閾值及功率的瓦數閾值的計算中發現，整個主觀評價得分的平均值的統計表中存在類似于黑色這樣的數據值，其這個平均值均小于我們設定的1這個值。我們在計算中采用的是直線內插法的計算方式，對于這樣的外置點，誤差較大，需要我們在今后的研究中繼續補充實驗燈具類型，補充實驗數據，得出更全面的數據值，以引導我們在古建筑照明中的燈具選型，實現還原古建筑色彩的“原真性”表達效果。