建筑色彩设计的建筑光学局限

张昕，李晶鑫

建筑色彩设计的建筑光学局限

张昕，李晶鑫

基于颜色表达的“语言体系”，对建筑色彩设计过程中两次转译的建筑光学局限进行解析，并梳理了建筑色彩设计亟待完善的理论体系。

色彩设计，光环境局限，色度系统，颜色外观，颜色恒常性

国家自然科学基金面上项目（项目批准号：51478236）

1 建筑色彩设计流程中的转译环节（绘制：张昕）

色彩的形成与两个因素有关——光的存在（客观的）与眼睛的感知（主观的），因此色彩现象是一种同时融合了客观存在和主观感受的复杂现象［1］。色彩包括光色与物体色，即光源发出的直接进入眼睛的色光的颜色和经物体反射或透射后进入眼睛的色光的颜色。物体色由其表面反射特性和投照光两个因素决定，可根据光照条件的不同分为固有色和条件色。建筑色彩设计的一般流程［2］如下：

（1）现状调研。提取、归纳地方色谱和颜色偏好，梳理环境色彩现状。

（2）设计策略与设计表达。明确规划制约条件，建立色彩设计策略；基于纸媒或电脑进行色彩设计与表达。

（3）样品归纳与样板试验。建立数据库，归纳色彩样品；通过项目现场的足尺试验，对色彩设计进行最终优化。

建筑色彩设计的最终成果包含色彩分布与工艺实现，其设计流程（图1）需进行两次转译：第一次是将现场的色彩知觉转译为可操作的无文脉信息的物体色（纸媒呈现）或光源色（电脑呈现）；第二次是将设计表达输出的物体色或光源色转译为真实材料或施色工艺。两次转译均存在 “建筑光学局限”，是建筑色彩研究和设计的“短板”所在，制约其理论和实践体系的发展。

1 颜色表达的“语言体系”

为便于讨论的展开，本文借用“语言体系”一词将颜色表达的方法划分为3类。

1.1 基于颜色匹配的CIE色度系统

CIE色度系统（CIE colorimetry system）的基础是颜色匹配。颜色匹配度量是一种感觉上的视觉等价方法，观察者被简单地要求确定“两块区域是否具有相同的颜色”。CIE色度学系统属于典型的色刺激混合系统，不是按照所感知到的颜色本身分类，而是按照引起颜色感知的物理刺激分类，适用于描述色刺激的物理特性，但不能描述色刺激的感知特性。CIE颜色匹配函数是一种数学构造，并不是基于生理学［3］。它反映相对光谱敏感度，要求确保所有看起来相同的颜色在CIE色度系统中处于同样位置。不同视角的配色函数不同，包括CIE1931标准的2度观察者和CIE1964标准的10度观察者。CIE色度系统是最为完整、复杂且广为接受的量化方式，因此照明工业使用CIE色度系统发展出了2个单一数字的度量光源颜色特性的系统——相关色温（CCT）和CIE一般显色指数（CRI）。CIE1931色度系统主要应用于颜色研究，同时标定光源色和物体色，是颜色测量的理论基础，但难以适用于面向颜色外观的建筑色彩设计。

1.2 面向色彩交流的色表系统

色表系统是基于颜色差别来进行区分和标注的系统。对于色表系统而言，在所有方向上相邻颜色之间具有均匀的差异。在世界上应用的多个色表系统中，孟塞尔系统是应用最广泛的。3个度量方向上，提供相等的感觉步长值。色表系统可用于生成颜色清单，并使颜色易于被交流，相比语言而言是一种更为简洁的方式，提供了便利性。油漆、塑料、陶瓷等建筑材料，都可依据色表系统进行分类［3］。

建筑色彩设计常需要进行现场取样和比对，因此要求相应的颜色体系提供简便直观的可操作媒介——建筑色卡或色标。但色卡的使用必须在规定的入射光条件下，如利用孟塞尔色卡进行颜色比对，要求待测的颜色是在规定的标准光源照明下（D65标准灯或北向天空光）。因此，即使在6500K的标准天光下，地面上的人使用孟塞尔色卡也无法完成建筑物檐下彩画的比对取色，因为待测彩画样本受到了临近彩画反射光影响，不同于6500K标准天光。

2“转译”的建筑光学局限

量化颜色是复杂的，在使用任何一种度量方法时应意识到信息的丢失，因此“转译”的过程具有一定局限性。无论是电脑绘制还是在纸媒上的手绘，既无法对应真实的入射光源、亮度、视野尺寸，也无法对应真实的位置、环境背景、视觉媒介等视看条件（viewing conditions）。

2.1 从接触式测色到基于电脑的色彩设计

具有广泛应用的接触式测色的仪器为分光光度计，其读取数据为基于内置光源的测色孔覆盖范围内的平均数据，无法应对非均一材质，仅针对平面测色，不能可视化，难以转换为支撑电脑设计的电子图像。针对这一问题，英国制造商VeriVide和德比（Derby）大学于2014年合作研发了数码测色系统DigiEye（图4），采用非接触式测量方法。DigiEye本质上是数字化颜色影像系统，核心设备是视觉评估灯箱，配有校正过的单反相机，用数百万个像素点记录颜色数据。灯箱配置漫射光源和直射光源，可消除外界光源的影响，可以应对肌理和三维样品［5］。系统与校准过的显示器和打印机相连，并配备图像处理与评估软件，可对每个像素的全反射光谱进行计算。但即使校准得再好的显示器，屏幕对人眼的颜色表达机制也与实际物体色不同。另外，DigiEye是通过相机捕捉从物体表面反射的光来成像，颜色的准确度受光源质量、物体表面反射特性（镜面材料误差较大）等方面的影响。

2.2 从色卡比对到基于电脑的色彩设计

人眼对物体色和光色的感知都是基于光对视网膜的刺激。但物体色和光色对视觉表达的混色原理完全不同。蒙塞尔色表系统是用色相、明度、饱和度来定义颜色。电脑成像采用RGB模式，通过红、绿、蓝3种颜色的变化以及相互叠加来产生各种颜色。两套系统都包含了绝大部分人眼能感知到的颜色，而把物体色转译到光色的过程就是在两套体系里找到最为相似的颜色。其转译过程可以通过软件实现，该模型识别之前输入物体色之后，能迅速计算出一组3个数值作为输出，该组数据会在RGB体系中对应于最接近该物体色的光色。但即使同一组RGB数值，呈现出来的光色也会因显示器和环境灯光的条件而异。

2.3 从颜色外观到基于纸媒的色彩设计

颜色外观为真实的色彩感受，如果色彩思考、色彩绘制、色彩设计过程均在相同颜色外观条件下进行，则保证了在前两个设计步骤不发生转译。从色彩地理学的提出者菲利普朗克洛等人的工作中可以发现此类工作方式。如拉西约塔（La Ciotat）船坞的色彩设计［6］，设计师在阳光下以绘制色卡的方式进行地方色彩样本绘制（图5、6），并在同样的纸板上进行填色设计，这种方式巧妙地应对了阳光对于色彩外观的影响。因为当地的天然光条件以晴天为主，其设计过程与设计结果更接近于晴天条件下旧城和船坞的色彩外观，唯一的转译误差发生在从色卡到油漆粉刷的环节。

2.4 从色卡色号到真实材料

色卡色号对应着匀质表面，若以均值的方式指代非匀质表面，将发生较大误差（图7）。不同质感、肌理的表面对光的反射情况差异很大，如烧毛表面感觉颜色浅，抛光表面感觉颜色深。无法映射的材料包括：平行反射材料，如镜面玻璃、幕墙等，其特性是显示光源色，隐藏物体自身颜色；具有复杂肌理的漫反射物体色，如木材、石材等；半透明物体色，如彩色玻璃、磨砂玻璃、玻璃砖、镀膜玻璃等；透明物体色（物体所透过的色彩），如清玻璃等。

2.5 从色度数据到施色工艺

施色工艺，即把已有的目标颜色在纸张或其他材料上再次准确地表达出来。以最成熟的彩色打印技术为例：电脑屏幕使用RGB色彩模式，是一种发光的色彩模式，遵循“加法原则”；打印机使用CMYK模式，是一种靠反光的色彩模式，遵循“减法原则”。CMYK是彩色印刷时采用的一种套色模式，利用青色、洋红色、黄色这3种色作为原色去实现其他颜色，黑色作为定位套版色实现阴影效果，通过在纸张上打印一些能吸收不需要光色的墨水，从而使照在纸张上反射出来的光让人眼感知接近于电脑屏幕发出的光。这个转译过程经常会有颜色偏差，且受纸张质量和照射光条件的影响。

3 亟待完善的理论体系

3.1 颜色恒常性理论

颜色恒常性（colour constancy）是指，无论照明的强度和光谱组成如何变化，表面被感觉到的颜色保持不变。尽管绿色植物在不同光线条件下颜色外观差异较大，但颜色恒常性弱化甚至消除了这种外观差异（图8）。颜色恒常性的研究历史很长，早期的如蒙热（G. Monge）、杨（T. Young）、冯·亥姆霍兹（H. von Helmholtz）、冯·克里斯（J. von Kries）、赫林（E. Hering）等人分别于1789、1807、1867、1902/1905、1920年发表了相关研究。关于其产生原因，两种截然相反的观点长期并存：（1）由无意识的推理导致；（2）由感觉的适应性导致［7］。

关于颜色恒常性存在的理论解释，依据两个基本原理：（1）提供对物体表面情况的稳定认知，独立于时刻变化的照明光谱，使观察者真实地和这个世界互动；（2）实现对照明光谱的“测量”，从而推断出时间和天气。韦恩·赖特 （Wayne Wright）在《颜色恒常性的反思》一文中提出：有两种形式的颜色恒常性，一种是现象的（phenomenal），一种是投射的（projective），投射的颜色恒常性取决于现象的颜色恒常性和景观感知的机制［8］。当条件支持更慢的适应性机制和对光源性质的评估时，将发生现象的颜色恒常性。但颜色恒常性并不完美，因为人的视网膜对于混杂颜色信号的波长取样能力有限。对于复杂场景下的表面颜色感知问题，维泽斯基（G. Wyszecki）与斯泰尔斯（W.S. Stiles）评价道：“颜色科学还没发展到能量化地处理这些问题。”［9］

颜色恒常性的研究历史围绕如下问题展开［7］：

（1） 如何从物理的角度解释颜色恒常性现象的可能性？

（2） 观察者（对于颜色恒常性现象）是如何（基于什么）反馈的？

（3） 什么样的实验方法是合适的？

（4） （观察到的）什么物理现象是相关的？

（5） 什么神经机制支持颜色恒常性的存在？

（6） 是否自然界的景物和物体表面更特别？

尽管自然界的雾、霾、烟都能改变光谱透过性能，尽管位置（position）、环境背景（context）、视觉媒介 （viewing medium）等视看条件（viewing conditions）的改变都将改变颜色外观，但在这些情况下颜色恒常性的保持程度却鲜为人知。

3.2 “非表面模式”的色彩设计

视觉模式可以概括为4种类型，前文所述主要针对表面模式，即感知染有颜色的物体表面。其他3种模式的色彩设计方法鲜有研究，分别为：

（1）体积或容积模式，颜色似乎处于表面的深处，如有色的透明媒质；

（2）发光模式，光和色的知觉似乎从自身发光的物体上浮现出来，如点亮的荧光灯管；

（3）小孔模式，通过减光管所见情景。

夜景照明的色彩设计问题即处于表面模式与发光模式之间。如果一个物体比背景亮得多，将趋于发光模式（图9），建筑色彩设计的协调、对比等法则并不适用。

3.3 建筑色彩溯源

在高强度的天然光照射下，建筑色彩将发生复杂的热效应和化学效应，出现褪色、脱落等现象。色彩溯源对于建筑色彩设计的重要性不言而喻。在1905年孟塞尔色卡产生之前的颜色外观，可用于色彩溯源的依据包括文字记载、影像档案、设计档案（图10）、施色工艺、色彩现状等，相对于空间、结构等建筑设计的溯源而言，色彩溯源的难度更大。

（1）光谱分析技术

光谱分析技术源于艺术品研究与鉴定。如通过光谱分析发现的提香的两种绘制蓝色的方式（图11、12）：使用相对廉价的蓝铜颜料绘制威尼斯的湖水；使用昂贵的提取自阿富汗青金石的群青颜料绘制圣母的披风和天空。最新的调光谱照明技术，将可以呈现两种截然相反的色彩外观——用色一致与凸显差异［10］。由此引发一系列关于创作者原始构思的思考。

（2）对光环境的溯源

对光环境的溯源（室外光气候条件、室内光分布等）常被忽略，但却是关键性的，特别是对于暗环境中的色彩理解，必须基于对于环境亮度和视觉适应状况的准确界定，否则将错误理解古人的用色意图。

5 La Ciotat船坞色彩设计过程中的地方色彩样本采集6 La Ciotat船坞色彩设计的完工效果（5，6图片来源：参考文献［6］）7 非匀质表面的天然系材质（摄影：张昕）8 不同天气条件下植物颜色外观的差异（图片来源：参考文献［10］）9 暗背景下的被照表面呈现为发光模式：首钢灯光节（摄影：刘加根）10 关于“都灵黄”的色彩设计档案（图片来源：参考文献［6］）11 对于提香作品的光谱分析12 对于提香作品的伪红外图像分析（11，12图片来源：参考文献［9］）

/References:

［1］ 焦燕. 建筑外观色彩的表现与设计.北京：机械工业出版社，2003.

［2］ 尹思谨. 城市色彩景观规划设计.南京：东南大学出版社，2004.

［3］ Peter R. Boyce. Human Factor in Lighting， London and New York : Taylor&Francis， 2003.

［4］ Purves， D. and Beau-Lotto， R. Why We See What We Do.Sunderland， MA: Sinauer Associates， 2003.

［5］ DigiEye Systems.https://www.verivide.com/categorylist/digieye-system， 2016-06-20.

［6］ 哈罗德·林顿 编著. 建筑色彩——建筑、室内和城市空间的设计. 谢洁，张根林 译. 北京：知识产权出版社，中国水利水电出版社，2005.

［7］ David H. Foster. Colour Constancy. Vision Research， 2011， 51: 674-700.

［8］ Wayne Wright. Colour Constancy Reconsidered. Acta Anal， 2013， 28: 435-455.

［9］ Wyszecki， G.， & Stiles， W. S. （1982）. Colour Science: Concepts and Methods， Quantitative Data and Formulae. New York: John Wiley & Sons.

［10］ LIGHT on.in.for Smart. http://cav.unibg.it/luce/web/ en， 2016-06-20.

［11］日本建筑学会编. 光和色的环境设计. 刘南山，李铁楠译. 北京：机械工业出版社， 2006.

［12］ Van Kemenade， J.T.C. and Van der Burgt， P.J.M. Light Sources and Colour Rendering: Additional Information for the Ra Index， Proceedings of the CIBSE National Lighting Conference， Cambridge， U.K. London， U.K.: CIBSE， 1988.

Limitation of Building Optics in Architectural Colour Design

ZHANG Xin， LI Jingxin

Based on the "language system" for colour display，this paper analyzes the limitations of building optics existing in the two interpretations during the process of architectural colour design， and also summarizes architectural colour design and the unaccomplished theory system.

colour design， limitation of building optics，colorimetry system， colour appearance， colour constancy

张昕，清华大学建筑学院李晶鑫，普渡大学土木工程学院

2016-06-25

1.3 代表真实知觉的颜色外观

颜色外观（colour appearance），即颜色看起来如何，不仅取决于照射到视网膜上的光谱分布，也取决于亮度、背景颜色、观察者的适应情况等其他因素［2］。颜色是一种在大脑中形成的感觉，从过去的经验和视网膜图像所包含的信息中发展而来。

对于表面或场景中颜色呈现的最为决定性的因素是光源选择，其对于空间的色彩呈现具有两方面影响：转换空间的总的颜色外观，改变空间中颜色之间的相对关系［4］。图2所示的颜色矢量图呈现了一支金卤灯对于215种物体色的影响。每个箭头的起点是在参考光源下的颜色色度，箭头是在入射光源照射下的颜色色度。箭头越短，说明入射光源与参考光源下的色度越接近。可以看出入射光源相对参照光源而言，对于不同颜色的改变方向是不同的。此外，具有大色域的光源能提高表面颜色的饱和度，提高室内颜色丰富性的感受。改变亮度可以改变颜色的色调（Bezold-Brucke 效应），增加亮度可以使红的变黄，紫的变蓝。另一个影响颜色外观的因素是视野尺寸，从CIE必须引入两种观察者即可证明（图3）。

1982年，亨特（Hunt）建立了锥体光谱敏感度函数，可以预知在中等视觉照明条件下的色调、明度、彩度。1987年，该模型得以发展，可以在任何照明条件下预知视亮度和色彩丰富度，无论处于明视觉、暗视觉还是中间视觉条件下。1991年，该模型被修改以便于使用，并涵盖了一种情况，即一种颜色压倒性地成为主角。最终模型提供了一种色调、明度、彩度之间的相关性。此类模型的发展，推动CIE生成了适用于颜色管理系统的颜色外观模型（CIE，2004c）。

2 一支金卤灯对于投射在CIELAB 颜色空间a*b*平面上的215种物体色影响的颜色误配矢量图 （相对于参考光源）（图片来源：参考文献［11］）
3 CIE1931标准观察者（2度、实线）和1964标准观察者（10度、虚线）的配色函数（图片来源：CIE发布）
4 DigiEye系统（图片来源：参考文献［5］）