观测条件对城市建筑色彩测量的影响实验研究

杨春宇，梁树英，张青文

(重庆大学建筑城规学院，重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045）

0 引言

随着我国城市建筑色彩研究的深入，在实际操作中需要准确地收集城市建筑色彩信息，从而更科学地确定城市的主体色、辅助色和点缀色，为城市色彩的相关研究提供更可靠的色彩数据。因此，城市建筑色彩观测的准确性成为当前研究的一项重要内容。城市色彩的主要载体是建筑，建筑色彩不同于纺织和印染色彩，也不同于建筑材料本身的固有色，它有着大尺度、空间色、复杂的室外光环境等自身的特殊性，观测条件不同，城市建筑色彩的测量结果也会有所差异。

通过对目前城市建筑外饰面材料使用情况的调研统计，本文选择了比较有代表性的面砖(釉面砖和亚光型釉面砖）、涂料(水溶性外墙涂料）和铝塑板作为实验研究的材料样品，并分别在实验室和室外光环境条件下进行观测条件对建筑色彩测量的影响实验研究。研究中采用的仪器是PR650光谱扫描仪亮度色度计及其附件(RS－2反射标准白板），波长间隔Δλ=5 nm。同时，为了统一颜色表达方式，采用国际上有代表性的CIE1976 L*a*b*色空间和CIEDE2000色差公式进行色差计算和比较。

1 实验室观测条件影响实验研究

1.1 光源情况

光源的亮度与色温对建筑色彩的观测结果有着直接影响，同一材料样品在不同的光源条件下所呈现出的颜色是不同的。为了促进颜色测量的标准化，CIE规定了四种标准照明体:标准照明体A(代表完全辐射体在2856 K发出的光）、标准照明体B(代表相关色温约为4874 K的直射阳光）、标准照明体C(代表相关色温大约为6774 K的平均日光，光色近似阴天天空的日光）、标准照明体D65(代表相关色温大约为6504 K的日光）、标准照明体D55(代表相关色温大约为5503 K的日光）。其中，标准照明体D的相对光谱功率分布与实际日光较为接近，同时又比标准照明体B和C更符合实际日光的色品坐标，因此CIE优先推荐采用标准照明体D。实验中，我们将标准照明体D65作为参照，研究了标准照明体A和D55光源条件下材料样品的色彩差异(表1）。

表1 标准照明体A，D55与D65条件下的色差比较

从表1中数据可以看出:标准照明体A与标准照明体D65的色温相差较大(3648 K），其Lab值偏差和总色差ΔE均较大;标准照明体D55与标准照明体D65的色温相差较小(约1000 K），两者的Lab值偏差和总色差ΔE相对较小。结合光源的染色性理论，我们认为光源色温的较大差异导致了材料样品色彩的较大偏差。因此，在建筑色彩测量和研究中必须考虑不同色温的光源对色样色度值的影响，并尽量使用CIE推荐的D系列标准照明光源。如果要使测量结果与室外天然光条件下(全晴天空和全阴天空）的测量结果更具有可比性，则应选择标准照明体D65和D55进行建筑材料的颜色测量。

1.2 照明/观测条件

建筑材料样品并不是完全意义上的均匀漫反射体，在不同的照明/观测条件下，同一色彩样品的色度测量结果是不同的。为了统一测量方法和提高测量精度，CIE推荐了四种标准照明/观察条件，即0/45°、45°/0、0/漫射、漫射/0。为了方便与室外观测的光照环境相比较，本实验以0/45°、45°/0两种照明/观测条件为例，配合使用标准白板，将测量的色样反射光谱数据进行色差计算(表2）。

表2 0/45°与45°/0照明/观测条件下的色差比较

从表2数据可以看出:在0/45°、45°/0两种标准照明/观测条件下，Lab值偏差和总色差ΔE均很小，数据的一致性很好，总色差ΔE的平均值(0.74）小于1，同时也小于中国颜色体系样册有彩色系的最小色差宽容值(ΔE=1.5）。因此，我们认为在不同的CIE标准照明/观测条件下，材料样品的色彩差异不大，可以忽略其影响。

1.3 视场选择

视场就是眼睛的视角所对应形成的圆面积。视角是一定距离的物体在眼睛里形成的一个张角，具有正常视力的人，能够分辨物体空间两点间所形成的最小视角等于1分。CIE对正常视距(100 m）下人眼的2°和10°视场下的直径宽度可以计算得出:

在研究中，可以根据测量目标的大小以及人眼的观察距离选择合适的视场。在1°～4°视场时，应采用XYZ色度学系统(CIE 1931标准色度学系统），在大于4°视场时，应采用X10Y10Z10色度学系统(CIE 1964补充标准色度学系统）。2°视场(中央视觉观测条件的CIE 1931标准色度学系统）主要用于观察小面积的物体色，目前在纺织、印染、涂料、陶瓷等行业中应用得较为普遍。由于建筑色彩观测的面积较大，实验中还采用了10°视场(CIE 1964补充标准色度学系统）作为参考数据，并将2°视场与10°视场条件下的色样的色差进行了比较(表3）。

表3 2°和10°视场条件下的色差比较

从表3的色差数据可以看出:2°视场与10°视场下Lab值偏差和总色差ΔE均较小，数据的一致性较好。总色差ΔE的平均值(2.01）小于中国建筑色卡样片与其标定值的色差宽容值(△E＜3）。因此，我们认为对于建筑色彩观测来说，2°视场和10°视场对色样的测量和评价有一定的影响，但影响较小，可以忽略其偏差影响。

2 室外观测条件影响实验研究

2.1 天气情况

城市建筑色彩的观测结果受自然光源的直接影响。自然光源比较复杂，不同天气下的天空会呈现出不同色温，即使在同一天内，自然光源的亮度和色温时刻也都在不断的变化之中。相应地，同一建筑在一天中的不同时段也会呈现出不同的色彩。从理论上分析，晴天中午直射日光色温接近标准照明体D55(5503 K），阴天及北面昼光色温接近标准照明体D65(6504 K）。实验中选择全晴天气，将一天内分16个不同时段，对垂直放置的标准白板直射面分别使用PR650亮度色度计和ST—80C数字照度计进行测量，记录下相关的照度值、色温、亮度和色度值等参数，并将测量数据进行整理和绘图(图1）。

由图1中曲线可以看出，晴天昼间水平照度变化幅度较大，呈先上升后下降趋势，在中午左右达到最大值;色温早晨和傍晚时变化幅度大，早上骤降、傍晚骤升，在日出后三个小时和日落前三个小时之间，虽也呈现先上升后下降态势但基本趋于稳定，保持在4300 K～5300 K之间。因此，对建筑色彩观测来说，最好是阴天，其测量结果比较接近标准照明体D65照明下的标定值。如果是晴天，则观测时间应尽量选择在日出后3小时与日落前3小时之间，避免清晨与傍晚日光色温的较大变化对建筑色彩测量的干扰。

图1 晴天日光色温及水平照度变化图

2.2 受光条件

影响城市建筑色彩观测的另一个重要因素是受光条件，同一建筑在东南西北不同方向的垂直照度是不同的。全阴天和北面昼光条件下，日光由天空光构成，天空半球的性质类似于均匀漫射光源，建筑色彩的观测方向的变化并不会给测量结果带来太大影响，也就是说，色度结果是基本稳定的;全晴天时，日光的构成包括天空光和太阳直射光两个部分，太阳直射光容易造成在观测方向的镜面反射，这种镜面反射会带来色度结果的很大偏差。实验中对同一色彩样品分别在晴天(直射、背光、阴影下）和阴天进行色度观测，并将样品色度数据与D65标准照明体时的色度标定值进行比较，得到色差数据(表4）。

表4 不同受光条件下的色度数据与色度标定值的色差比较

由表4可以看出，不同受光条件下引起的总色差大小不同。在阴天条件下测量的色度数据与标准照明体D65标定值色差最小，其色差平均值ΔE小于建筑色卡样片与其标定值的色差宽容要求(△E＜3），数据的稳定性也最好(标准偏差最小）。晴天的色度数据相对偏差较大，但其色差值仍在3个建筑色卡样品色差宽容度之内(△E＜9），色度数据的稳定性也较好(标准偏差值小于3）。其中，晴天直射条件下，色彩偏差最大，而晴天背光和晴天阴影下的色差则相对较小。因此，从日光构成的影响和实验研究结果来看，阴天和北面昼光的漫射天空更适合于进行城市建筑色彩的观测。

2.3 观测距离

按照《城市设计学》和《城市色彩景观规划设计》中对建筑场的定义，以视觉分析为依据，以视觉效果为主要标准，将建筑对人的影响程度“场效应”分为强场、均衡场、弱场和虚场四个等级。对于建筑色彩观测来说，既要记录建筑饰面材料色彩信息，又要把握建筑色彩的整体形象与环境的关系，所以，“强场”(30 m以内）和“均衡场”(30～300 m）的距离应该是较为适当的参考距离。实验中，我们选择了远(100 m）、中(30 m）、近(1 m）三种距离，在晴天受光、晴天背光和阴天三种情况下对涂料和面砖两种材料样品进行测量，并将测量数据进行色差比较(表5）。

表5 室外不同观测距离时的色差比较(晴天受光条件数据）

从表5的数据可以看出，晴天受光、晴天背光和阴天条件下，随着观测距离增大，色样的明度差会增加，总色差也增加，而且不同表面反射特性的饰面材料，其色度变化的程度也不相同。涂料色度值因测量距离变化所引起的色差很小，小于建筑色卡样片与其标定值的色差宽容要求(△E＜3），面砖在30 m时同样满足此标准，但在100 m观测距离时色度偏差值却较大。这是由于建筑面砖的尺寸较小，大面积建筑色彩是由很多小块面砖拼贴组成的，拼贴的勾缝对整体色彩有着不可忽略的影响，不同尺寸和色彩的勾缝，在远距离观测时将得到不同色彩空间混合效果，并符合“色彩空间混合规律”。所以在对由面砖构成的建筑色彩观测的时候，必须考虑勾缝对色度结果的影响，根据不同观测目的，以及面砖勾缝尺寸大小，选择合适的观测距离。总体而言，由于本实验选择了大气能见度较好的天气，而且观测距离相对较小，此时观测距离的改变对建筑色彩测量的影响不明显。

3 小结

通过在实验室和室外光环境下进行的实验研究，总体而言，不同的观测条件都对城市建筑色彩的观测产生了一定的影响。在实验室条件下，照明/观测条件和视场选择对建筑色彩的测量影响不大，但光源的影响较大，测量时应该选择标准照明体D65和D55。在室外光环境下，建筑色彩观测最好选择大气能见度较好的阴天，观测距离控制在“强场”(30 m以内）和“均衡场”(30～300 m）的距离，其测量结果比较接近标准照明体D65照明下的标定值;如果是晴天，则最好选择北面昼光的漫反射天空，避免直射日光时材料镜面反射造成的色度偏差。同时，观测时间应尽量选择在日出后3小时与日落前3小时之间，从而避免在清晨与傍晚测量时因日光色温对建筑色彩取样的干扰而导致测试数据的误差。

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