古建筑彩画照明色彩偏移表现评价定量研究

王 琛，范 晴，王文亚，张明宇，汪亚江

(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)

引言

古建筑彩画作为建筑装饰元素，存在已久。而古建筑作为历史遗存，也是夜景照明环境的重要表达，其夜景照明的表现成为了夜间人们的主要欣赏点。由此，古建筑彩画的夜景照明如何表达，如何符合人们对古建筑固有形象的“原真性”成为了古建筑照明效果优劣的关键，但目前在实际的古建筑夜景照明建设中彩画照明效果失真的现象屡见不鲜。

如何在古建筑照明设计中选择LED灯具参数，达到较好的古建筑色彩表现效果，是本文研究的重点。基于对古建筑色彩“原真性”表现的要求，对古建筑彩画常用LED灯具的功率、色温开展研究，通过照射实验、主观评价实验寻求各色彩画试块色差阈值，并进一步给出不同色温LED灯具的限定瓦数，以期对古建照明灯具的选择给出参考建议。

1 主客观实验

1.1 实验目的

通过客观测试实验，对比典型彩画色彩在不同功率、不同色温LED灯具的照射下的色坐标，与在D65光源(模拟彩画日间效果)照射下的色坐标，以计算二者之间的色差ΔE，用以评价LED灯具对彩画表现的优劣。此外，在同一实验条件下进行主观评价实验，通过语意差别量表法定量化人眼对彩画在不同LED灯具照射下的视觉感受。并将色差ΔE值与主观评价得分进行统计分析，计算得出彩画试块样品在对应实验条件下人眼不能承受的色差值，进而给出LED灯具对应功率限值。

1.2 客观测试实验

1.2.1 实验对象

通过考察古建筑及调查相关文献，古建筑常用彩画基本分为6种颜色。这6种分别为红色、绿色、蓝色、黑色、白色和黄色。实验采用与颐和园古建筑中使用的彩画材料及工艺完全相同的彩画样品为实验对象，样品严格按照彩画修复的制作工艺制作。每个彩色试块尺寸为颜色均匀，大小为11 cm×11 cm，且表面无污染灰尘等。彩色试块如表1所示。

1.2.2 实验灯具参数选取

实验中选用D65荧光灯(18 W，6 500 K)为标准参照光源，用来模拟彩画在日间受太阳光照射的色彩表现。D65是国际照明委员会确定的可用于模拟日光的标准照明光源在其照射下能够达到很好的参照效果，是当下照明的最佳模拟灯光，本实验将其作为实验室条件下还原日光对彩画照射用光源。在我们国家的绝大部分地区，上午8点的时间点，太阳会升起照射大地，天空大地开始变亮。并且在整个白昼的上午10点左右到下午3点到5点之间。太阳射出的光线达到一天当中包含最全光谱色的时刻，那么也就是说在该阶段光线照射下的物体达到100%的显现本色，达到实物自身色彩质感最佳展现，实现其原真性的最优呈现。

表1 彩画样品统计表Table 1 Statistics of color painting samples

LED灯具目前被广泛应用于古建筑的夜景照明中，其光源类型、功率、色温等参数相对较多。本实验选用的LED灯具参考相关产品手册，确定实验用古建筑彩画照明的灯具参数见表2。

表2 实验用LED灯具类型参数Table 2 Type parameters of common LED lamps

1.2.3 实验环境

实验环境设置为全暗空间，照射环境周围用不透明幕布进行遮挡。在实验设置灯具与彩画距离时，参考实际工程照明中投光灯具基本装在古建筑的檐口下方，与照射的彩画饰面大约为500 mm。本次实验中依照实际情况也采用中心距离500 mm，水平垂直距离400 mm的位置安装灯具。实验测试现场及场景模型如图1、图2所示。

图1 实验场景模型Fig.1 Experimental scene model

图2 实验测试现场Fig.2 Test site

1.2.4 实验测试方法

1)确立实验场地的基本情况，在满足基本条件的基础上我们先要对作为标准光源的D65灯具安放在正前方，用皮尺测算好其灯具发光面到我们实验选取的彩画试块水平距离为500 mm)，这样的安装位置是保持我们选择的实验LED灯具所射出的光线所形成的主要光线路径垂直的照射在彩画十块的中心区域，为实验的中被试着会更轻易的观察出灯具照射给彩画试块所带来的色差变化。

2)这次实验的测试过程中要严格注意到，在被试LED灯具打开的时候，要深刻考虑到LED光源的基本特性，需要有一个稳定的时间，由于灯具的功率不同，经前期的准备实验得出，稳定周期会随着灯具瓦数的增加而有很明显的改变，当基本控制在3 min之内。因此我们将这个时间统一设定为3 min。本次试验选取测量计算色差的仪器是彩色亮度计，其型号是Topcon BM-5 型，是如今实验室中最为有效和常用的实验仪器。在测试中要将仪器的视场调到2°，直接对向彩画试块的中心，读取在此环境下彩画试块的色坐标(a,b,L)值。此外，为了减少仪器和人为的误差问题，要进行3次重复过程，测算出最准确的色坐标数值。

3)把3 000 K、4 000 K、5 000 K、6 000 K 的4 W、9 W、13 W、20 W实验用LED灯具，按照实验安排的顺序，设置固定在我们实验设定的位置上，与被照射的彩画试块的直线距离为固定值500 mm，两者的在水平面上测量的距离锁定在4 000 mm，在安装完毕后要对灯具的照射方向进行调整，旋转灯具的支架(统一可变支架)，光线的中心光束有我们实验的彩画试块的照射面中点为一条重合的直线，对实验对象彩画样品中心点附近进行色差值(a,b,L)的测算，这样我们按照以上步骤逐一进行测试与记录，能共得到96个色坐标值。

1.3 主观评价实验

1.3.1 被试选择

主观评价实验共选取20名在校学生做为被试人员，其中男女生各10名，年龄在20～26岁之间。被试人员均通过色盲测试(Isihara Color Blindness Test)，色觉正常。色盲测试过程如图3和图4所示。

图3 色盲检查图Fig.3 Color blindness inspection chart

图4 被试进行色盲测试Fig.4 Color blindness test

1.3.2 语意差别量表评价

本实验主要研究目的也是去量化，人的主观感受与我们的古建筑照明中彩画的色彩变现效果的数学关系。由于LED灯具的参数较多，在古建筑照明过程中对周边环境产生较大的变化，夜间打造的古韵风光也给人的眼睛视觉感受带来一定的舒适度的影响。在整个的研究领域我们经常会采用主观问卷来收集人群的主观评价。在评价的设置上主要采用的是是语意差别量表法。这种评价方法能够量化人的主观视觉感受，用数值表达出来。能够特别快捷地获取实验数据，按照语意差别量表的方式方法，细致化人眼主观感受彩色试块颜色变化的心里接受度，用数值评分获得彩画色差的数值大小与视觉主观感受程度大小的联系。

整个评价方法，是把被试人员的主观感受程度，分为了7个不同的梯度，细致化主观感受的接受程度值。整个分数的值与色差变化带来的主观评价感受的忍受程度强弱的对应关系如表3所示。

1.3.3 评价实验

本次实验的对比光源是不定的，与特定的测试颜色样品进行主观感受评价的实验。整个实验由四组实验构成(按照色温分成四个实验过程，每组LED灯具由4种功率：4 W、9 W、13 W、20 W)。由于实验次数较多，时间周期较长，避免疲劳带来的评价误差，所以每组结束，安排活动10 min，降低主观因素对实验结果的误差影响。

整个主观感受的实验设置了两个实验环境，其环境的需满足整个空间环境要没有任何光线的射入，是一个完全黑暗的密闭空间(控制整个实验环境舒适度不变)。在两个场景中一个安装实验的标准光源灯具D65，另外一个设置的场景中安装我们选好的测试LED灯具，由于两个场景需要被使者便于观察评价，正常条件下会相互造成光线上的影响，因此我们对两个场景做了适当的优化处理，制作活动钢铁架子，配合遮光布对实验的两个场景做了遮光的处理，将两者之间的干扰降到了最低，如图5所示。

表3 主观评价七分制概念表(作者自制)Table 3 Concept of seven point system of subjective evaluation (self-made by the author)

图5 实验测试过程Fig.5 Experimental test process

我们在设置观测距离的时候是将观测椅固定2 m的水平垂直距离上，被试者在观测被实验灯具照射的彩画试块的颜色变化时，难免会由于身体坐姿与身高的影响，基本都在2 m左右的适宜观测位置上。实验进行过程中，会不按照灯具的具体瓦数与色温递增或者递减的顺序安装放置实验灯具，获取被试者在此条件下对彩色试块的色彩变化主观感受的正式评价，勾选问卷主观评价选项分数值。在更换实验的灯具时，需要先关闭标准光源，尽量与被测光源保持一致的发光温度值。防止视觉的疲劳度，被试人员会被安排闭目25 s。实验一组(四个不同功率的灯具)每组实验后安排大家活动10 min。20名测试者针对4种色温、4种不同功率的光源对6种常用颜色的彩画样品给出评价得分，最终共获得评价数据20×4×4×6=1 920个。

2 实验结果

2.1 客观实验结果

空间及色差观察条件：其色空间相比于CIE1931和CIE1964更为均匀。当色彩的颜色变现超出视觉的识别阈限(即恰可检测)，且小于孟赛尔CIE1976LAB色差时，色差值的计算公式符合于我们研究中常用的观察条件。这个色差的计算公式，从数值关系上很好地量化人眼对于物体颜色的主观感受的效果程度。为了量化实验中主观评价的程度值，我们选用CIE1976LAB色空间，并选用其色差公式来进行测试数据的计算，色差值ΔE计算过程如下：

经过96组的实验，对3 000 K、4 000 K、5 000 K、6 000 K的LED灯具照射下彩色试块颜色程度偏移的客观测试数据进行色差值的计算。最终获取各组实验的实验数据并按照色温的不同色差ΔE值计算统计如表4所示。

表4 不同LED照射下各颜色彩画的色差值ΔETable 4 Color difference values of color paintings under different LED irradiation

2.2 评价实验结果

2.2.1 信度分析

对主观评价实验获取的1920个数据进行数据信度分析，采用 SPSS 软件计算，函数统计出在3 000 K、4 000 K、5 000 K、6 000 K条件下即下各评价实验数据的可信程度的数据统计，见图6。

图6 不同色温下各评价实验数据的信度统计Fig.6 Reliability statistics of each evaluation experiment data under different color temperature

由以上的信度分析结果可知，主观测试数据信度系数全部在0.6以上为可接受信度，且大部分处于0.7～0.8之间，可信程度较好，是良好的主观评价样本。数据具有良好的参考价值。

2.2.2 实验数据分析

对同一色温的实验条件下，4种功率下6种彩画色块的主观评价得分，计算算术平均值。以下为四种色温(3 000 K、4 000 K、5 000 K、6 000 K)条件下主观评价分数平均值统计图(图7)。

2.3 数据统计讨论

2.3.1 信度分布图

从图6可以看出整个数据信度统计的结果看出红色、蓝色、白色的信度值最高且较稳定，一定程度上表明了人眼的主观感受更容易受到刺激。变化相对更加明显而黑色的信度值相对较低说明其刺激程度较为不明显，引发的主观评价容易忽视轻微的变化。此外，黄色的信度值在3 000 K的暖黄色色温下，色温在一定程度上对颜色色差的判断产生影响，所以其信度值在那一刻表现色差差异较小，被测试者选择由于直观感受不明显对判断造成一定程度的偏差影响。

2.3.2 主观评分数据

从图7可以直观地看出，在整个实验的色温设定值相同的情况下，主观评价得分的平均值是随着灯具的瓦数的增加而上升的。由于主观评价数据的可信度都在较好的0.7以上，我们可以看出在LED灯具照射彩色试块时，主观评价的不可接受程度与灯具的功率呈现正相关。

此外在相同的功率的LED灯具照射彩色试块，对比主观评价得分平均值统计表我们发现，红色、绿色、蓝色、黑色、白色五种常用的彩画颜色，随着色温的增加程缓慢降低的趋势，为负相关关系。但是，黄色色块的评价平均值程正相关关系，主观不可接受程度与色温值呈现正相关关系。

图7 主观评价分数平均值统计图Fig.7 Statistical table of subjective evaluation score averages

2.4 色彩偏移阈值计算

根据主观评价量表，主观评价平均得分为1时，求其色差及功率阈限值(表5)，以LED相关色温为3 000 K时计算为例，说明计算过程如下。

表5 3 000 K时不同功率LED照射下红色彩画试块的色差值Table 5 Color difference value of red color painting test block under different power LED irradiation at 3 000 K

采用直线内插法求绝对阈限，预设在平均值为1时对应的值为色差及功率的阈限值，这里设为x，计算如下(若表5中平均值=1时，直接读取)：

即X=186.443

即红色彩画在相关色温为3 000 K LED灯具照射时的色彩偏移阈值ΔE=186.4，求得LED灯具功率阈值约10.3 W。

将全部彩画试块进行计算的ΔE色差值及对应的LED灯具功率，如表6所示。

表6 色差功率计算阈值汇总表Table 6 Summary of calculation threshold of color difference power

通过以上的阈值计算，我们采用直线内插法计算出了，在对应主观评价平均得分等于1的情况下，所对应的灯具对照射色块产生的色差变化值，代表了人眼对不同色块彩画颜色很难接受的极限值。在色差阈值对应的条件下的古建照明设计是很容易引起我们对古建筑传统色彩感觉的差异程度过多感受程度的评价值。因此为了最好的展现古建筑的建筑本真性感觉，我们应该依照这一参数极限值，避免采用过高功率的LED灯具，对投射的古建筑彩画及古建筑装饰材料(在一定程度上也包括古建筑本身材质)的色彩感觉产生极度失真，产生不适感。

因此，为了更加直接地指导照明工程设计中灯具参数的合理选择(本次实验选用常用功率LED灯具的原因)，我们对以上的计算数据即统计的阈值结果与选用的实验灯具(常用功率LED灯具)比对，最终筛选出低于阈值功率的灯具参数，统计汇总成表7。将本次实验用的4款常用功率LED灯具，按照这样的筛选过程形成的表格，可以在我们进行古建筑照明设计时，快速便捷地结合设计效果选择适宜的灯具色温及功率，营造最优美建筑古韵。

表7 适用于彩画各颜色照明的LED参数Table 7 LED parameters applicable to illumination of each color of color painting

3 结论

通过以上实验及数据统计计算，我们得出了4种常用色温下，LED灯具照射不同彩画色彩的色差阈值及对应LED灯具功率的最大值，为我们今后古建筑照明设计达到良好的照明效果提供了灯具选取的数据参考，彰显优美的夜间古建筑特征，发扬我们的传统建筑文化。此外，在整个的灯具色差阈值及功率的瓦数阈值的计算中发现，整个主观评价得分的平均值的统计表中存在类似于黑色这样的数据值，其这个平均值均小于我们设定的1这个值。我们在计算中采用的是直线内插法的计算方式，对于这样的外置点，误差较大，需要我们在今后的研究中继续补充实验灯具类型，补充实验数据，得出更全面的数据值，以引导我们在古建筑照明中的灯具选型，实现还原古建筑色彩的“原真性”表达效果。