古建筑彩画照明用光源显色性评价方法研究

王文亚，张明宇，孙文超

(天津大学天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072)

古建筑彩画照明用光源显色性评价方法研究

王文亚，张明宇，孙文超

(天津大学天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072)

中国古建筑彩画既能为木质构件带来防腐作用，同时其自身绚丽多彩的图案又增加了建筑物的美感。彩画丰富的色彩和纹样，要求夜景照明用光源的显色性必须好。但高显色指数的光源有时也并不能营造出彩画夜景的良好效果，很大程度上是由于CRI-Ra在计算显色性时采用了代表颜色的色彩表现来衡量光源的显色能力，使评价结果不是特别准确；此外，CRI-Ra在计算时仅考虑了色彩保真，即在显色能力评价上也不全面。为此，本文对现有显色性评价方法进行了梳理，并根据古建筑彩画夜景设计要求，从中选出了适用于彩画照明的评价方法，最后根据彩画标准色样的颜色特征进一步选出了能准确评价彩画照明用光源的方法，为彩画照明设计选用光源提供了科学依据。

彩画；光源；显色性；评价方法

引言

在探讨古建筑彩画照明效果时，不得不将照明光源的色温和显色性指标纳入进来，因为色温和显色性是评价光源色彩表现的基本参数；近年来，古建筑光源色温逐渐满足了人们的视觉习惯，此时光源的显色性便成为了彩画夜间色彩表现的更为重要的指标。

现阶段，人们常用显色指数CRI-Ra来评价光源的显色性，但在彩画景观照明时，高显色指数的光源有时也并不能营造彩画夜景的良好效果(如图1、图2所示)。因为，CRI-Ra采用了8种代表颜色的色彩表现来衡量光源的显色能力，因而不能准确地考量光源对所有色彩的表现能力。本文回顾了现阶段针对光源显色性提出的不同评价方法，根据它们的计算原理、彩画照明设计要求及彩画色彩特征筛选出了能准确评价彩画照明用光源显色性的方法，从而为彩画照明设计选用光源提供科学依据。

图1 祈年殿，彩画色彩失真Fig.1 Qiniandian, color distortion of color drawing

图2 西安钟楼，彩画色彩不易识别Fig.2 Xi′an tower, color drawing is not easy to identify

1 现阶段针对光源显色性提出的评价方法

本文回顾了近年来国际照明委员会CIE、美国国家标准技术研究所(NIST)和北美照明委员会(IES)等一些研究机构提出的评价光源显色性的方法，将它们分为5类，并分别介绍了它们的计算原理。

1.1 基于颜色保真度的评价方法

1)CIE一般显色指数Ra，采用CIE 1～8 号标准色板，通过Von Kries色适应转换和1964 U*V*W*均匀色空间计算色差进而求得Ra。

2)CRI-CAM02UCS显色指数，在颜色样品选用上与Ra一致，主要是改进了CIE 显色指数中所用的色适应变换和颜色空间，使用了CAM02-UCS均匀色空间，其评价结果计算流程与CIE显色指数类似。

3)CRI 2012显色指数，在颜色样本选择上，采用了与现行显色指数完全不同的颜色样本，使用了两套颜色样本：HL17颜色样本，由数学设计得到，光谱特性均匀分布，用于一般显色指数的计算；Real 210颜色样，包含 90种高颜色恒常性的样本和 90种低颜色恒常性的样本，剩下的 30 种色块是10种常用的美术用色和出现4次的5种肤色，用于特殊显色指数的计算。它同样采用了CAM02-UCS均匀色空间来计算色差进而求指标值。

1.2 基于颜色偏好性的评价方法

1)奉承指数(Rf)，仿照了CRI，颜色样本选用了CIE标准样板1～8号、13号及14号,并在计算色差时对其权重进行了调整：13号(肤色)/35%、2号/15%、14号/15%、其余每块5%，突出了人的肤色权重，从而重点反映人们常见的皮肤和绿色的颜色认知。Rf的计算原理基本与CRI-Ra相同，除了目标颜色的计算，它在色差的计算上不再以标准参照光源下计算的真实颜色为比对目标，而是以标准参照光源下视觉评估的最佳颜色为比对目标。

2)颜色偏好指数(CPI)，它与Rf一样利用了偏好色这一概念。在颜色样本选用上，它使用了与一般显色指数同样的8个标准色块，且各色块权重相同；它同样以CIE 8块标准样本在测试光源照明下的色度与最佳色度的色差计算指标值。

3)记忆色显色指数(MCRI)，它的基本思想非常简单，通过比对一组熟悉的物体(水果、花朵、皮肤等)的外观颜色与其记忆颜色的相似程度来评估测试源的颜色质量，相似度越高，光源的显色质量就越好。它采用了一套完全不同于Ra的计算模型，将视觉评估得分与样品刺激值IPT坐标(采用MATLAB lsqcurvefit函数)拟合，得到形似性分布函数Si(Xi)，进而计算相似度Si。

1.3 基于颜色区分度的评价方法

1)色彩辨别指数(CDI)，采用了CIE8个标准色板，通过计算光源照明下8个色板在色空间中围成的色域面积来反映光源的显色能力。

2)圆锥表面积指数(CSA)是在色彩辨别指数(CDI)基础上，将亮度因素加入考虑范围提出的，也采用了CIE 8个标准色板，在计算时假定锥的基础为圆形，且面积与8个色板围城的U′、V′八角形色域相等，垂直高度为光源的W′色度，通过计算椎体表面积进而求得指标值。

3)感知差异指数(FCI)，选择红、绿、黄、蓝四种颜色组合构成红绿黄与红绿蓝两个三角形色域，通过在CIELAB空间计算两个三角形色域面积和来计算指标值。

4)色域指数(GAI)，与色彩辨别指数CDI基本相同，采用和Ra一致的颜色样品，在CIE 1964色空间中定义多边形，也通过计算多边形面积求指标值。

1.4 基于颜色和谐度的评价方法

色彩和谐指数HRI，它是通过颜色和谐模型公式(基于CIECAM02色调，色度和亮度与两个或三个颜色组合的颜色相关性拟合得到)，计算不同样品组合在测试与参照光源下的颜色和谐差异，进而预测待测光源的和谐指数。

1.5 综合指标评价方法

1)颜色质量尺度CQS(Qa)，它为一般性评价指标，在样本选用上采用了15种高饱和度样本，在计算流程上与基于颜色保真度的评价方法相近，采用CMCCAT 2000进行色适应转换，使用CIELAB色差公式计算色差进而求其指标值。Qf、Qp和Qg为颜色质量尺度CQS的补充性指标，适用于有特殊需求的专业用户，在计算时Qf、Qp计算手段与Qa一致均采用色差计算指标值；但Qf作为一个纯还原性的指标，对光谱所引起的任何方向的颜色漂移均有减分，而Qp则对使样品颜色往彩度更高方向的漂移加分；Qg则与基于颜色区分度的评价方法计算原理相似，通过计算色域面积进而求指标值。

2)TM-30-15采用了双指标——色彩逼真指数Rf和色彩饱和指数Rg。Rf也是以色差为计算手段，计算流程与基于颜色保真度的评价方法相近，采用了CIECAM02-UCS进行色适应变换和色差计算；在样本选用上采用了生活中常见的99种颜色代替孟赛尔色板，具有覆盖均匀色空间、光谱敏感度中性、包含各种真实物体的属性。Rg是基于颜色区分度的评价方法改进得到的，也以色域面积为指标计算手段。

2 各类显色性评价方法在彩画照明设计中的适用性

2.1 古建筑彩画照明设计需求

2.1.1 彩画的纹样及色彩

传统建筑彩画有着独特的艺术风格，种类不同, 形式各异，既追求装饰的整体效果，也注重对细节的表现(如图3所示)。彩画的细节图案在表现上不断吸取、提炼、精简其他艺术作品中的精华部分，形成了复杂细腻、种类繁多的纹样，如：云气、龙凤、绫锦织纹、卷草花卉、回纹、万字、寿字等。在色彩使用上，彩画常以青、绿色为主调, 檐下浓重的青绿色，在视觉上使出檐更加突出，檐下阴影部分更显深邃感。金色也是主要用色之一,红色、黑色、白色次之，香色是用于特殊建筑上的。

图3 彩画的纹样及色彩Fig.3 The pattern and color of the drawing color

2.1.2 彩画照明设计需求

中国古建筑彩画的色彩反映了当时的艺术欣赏水平和用色的考究程度，在彩画不断发展过程中，人们逐渐制定了一些规定和要求，后来它演变成了表现建筑等级的手段，用来体现社会等级制度和建筑文化内容。如今，彩画色彩及其描绘的场景已远远超出了视觉和艺术的范畴，从一定意义来说是中国文化的部分载体，因而彩画照明必须具备一定的审美要求。

1)原真性：古建筑彩画景观照明必须保证其色彩的真实性。中国古建筑已经存在了上千年，人们在长期的生活中对日间古建筑的色彩特征形成了深刻的记忆，所以在夜景照明时人们往往也追求其色彩的真实性，即追求再现日光下的色彩。

2)易识别性：彩画纹样丰富，色彩变化多端，它也同古建筑一样具有严格的等级区别，不同色彩搭配的彩画具有不同的文化内涵，因而古建筑彩画景观照明必须满足其色彩的易识别性，从而有效的传播中国传统文化。

2.2 各类评价方法的适用性

从古建筑油饰彩画照明设计需求可知，光源显色性需满足颜色的保真和区分要求，而考察光源这两方面能力的分别为“色差”和“色域面积”值。由上述评价方法介绍可知，各评价方法的计算手段如表1所示。

表1 评价方法计算手段

注：(1)、(2)、(3)、(4)、(5)分别表示“基于颜色保真度的评价方法”、 “基于颜色偏好性的评价方法”、“ 基于颜色区分度的评价方法”、“ 基于颜色和谐度的评价方法”、“ 综合指标评价方法”。其中，色差越小，光源显色性越好；色域面积和和谐指数越大，光源显色性越好

由此可知，满足彩画“原真性”要求的评价指标有：CRI-CAM02UCS 显色指数、显色指数CRI 2012、CQS(Qa)及TM-30-15中的Rf；满足彩画“易识别性”要求的评价方法有：色彩辨别指数(CDI)、圆锥表面积指数(CSA)、感知差异指数(FCI)、色域指数(GAI)、CQS(Qg)及TM-30-15中的Rg。

此外，基于颜色偏好和颜色和谐度的评价方法，可用于仿古类建筑彩画照明光源的评价，因为其彩画夜景照明主要目的在于吸引人的关注。

3 彩画景观照明用光源显色性评价方法

3.1 评价法方法准确性的判定

虽然上述各适用性评价指标的计算手段均符合彩画照明设计的需求，但它们同CRI-Ra一样采用了以代表颜色的显色性来衡量光源的整体显色能力的方法，因此使用它们评判光源在古建筑彩画照明中的显色能力，还必须验证这些代表颜色是否覆盖了彩画标准的色样(标准色样孟赛尔参数，如表2所示)，即对这些评价方法的准确性进行判定。

表2 彩画标准色样孟赛尔参数

注：引自《古建园林彩画色彩及光照保护系统研究与应用》

表3 各适用性指标的色样及特征

由表2可知，彩画标准色样均为低明度颜色，红色饱和度较高，蓝色饱和度中等，绿色香色饱和度较低；对比于各适用性指标的色样特征(表3)可知，仅TM-30-15(Rf/Rg)覆盖了彩画的标准色样。

3.2 评价方法TM-30-15(Rf/Rg)

评价方法TM-30-15采用色彩逼真指数Rf和色彩饱和指数Rg两个指标判断光源显色性(计算过程如图4所示)，并用颜色矢量图形来表现各颜色样品在待测光源下的色调、饱和度相对于参照光源的偏移情况(如图5所示)。

图4 TM-30-15(Rf/Rg)计算流程Fig.4 The calculating process of TM-30-15(Rf/Rg)

图5 TM-30-15的颜色矢量图Fig.5 The color vector graph of TM-30-15

因而，这种评价方法满足彩画照明设计的要求，同时，矢量图准确地展现光源对各个颜色的显色能力，使照明设计选用光源十分具有准确性。

4 总结

本文对现阶段提出的光源显色性的评价方法进行了总结，并结合彩画照明设计艺术要求，对各个评价方法在彩画景观照明中的适应性进行了分析，最后根据彩画标准色样特征，选出了能适合评定彩画照明用光源的评价方法TM-30-15。

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Research on Evaluation Method of Color Rendering Property of Light Sources Used in Colored Drawing of Chinese Classical Architecture Lighting

WANG Wenya, ZHANG Mingyu，SUN Wenchao

(TianjinUniversity,TianjinKeyLaboratoryofArchitecturalPhysicsandEnvironmentalTechnology,Tianjin300072,China)

Colored drawing of Chinese classical architecture not only has antiseptic effect on wood components, but also can increase the aesthetic feeling of the building by a variety of bright and colorful patterns. Its rich colors and patterns require a good color rendering property of light sources. However, sometimes the light sources with high color rendering index cannot create a good night scene, largely because of the CRI-Ra using some typical color performance to measure the color rendering property of light sources, which makes the result of evaluation not particularly accurate. Moreover, CRI-Ra in the calculation only considered color fidelity, which is not comprehensive in the evaluation of color rendering ability. Therefore, this paper makes a literature review of the existing evaluation methods of color rendering, and selects some methods applied to the lighting of color drawing. At last, according to the color feature of the standard color sample, the method which can accurately evaluate the color rendering property is selected, which provides a scientific basis for selecting light sources in lighting design.

colored drawing; light sources; color rendering property; evaluation method

TU113.6+66; X503.224

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.01.010