色度测量在文物考古中的应用

周 辉，潜 伟，周卫荣

(1. 北京科技大学科技史与文化遗产研究院，北京 100083； 2. 中国钱币博物馆，北京 100031)

0 引 言

众多学者对颜色理论、色度测量原理和方法进行了大量研究。在文物考古方面，应用色度测量方法获取颜色信息已成为常用方法。戎岩[2]对色度学在国内文物考古中的应用进行过梳理，指明用色度学理论和方法解决的具体问题。对于不同的色度测量方法在国内外文物考古领域的综述较少，本文简要介绍不同的色度测量方法的原理和操作，并对这些方法在科技考古和文物保护工作中的应用情况进行梳理。

1 色度测量方法概述

色度测量方法是基于光学原理和色度学理论[1]80-93，328-352[3-4]，将颜色信息定量化的有效工具。按照原理可分为光电积分法和分光光度法，两者各有优劣，以下是对色度测量方法原理操作及优缺点的简要介绍。

1.1 光电积分法

光电积分法利用光电转换器件模拟颜色视觉的“积分”过程，获得颜色刺激的积分值，是基于色度量进行测量的方法。主要的测量仪器有光电色度计(色度仪、色度计)、色差计(色差仪)。测量时，仪器与样品表面相对平整、颜色均一的区域接触，形成封闭的光路系统。这类仪器测量方便，便于携带。但是受材料、制造工艺以及原理的限制，测量某些颜色时会出现误差，且固定的仪器只能测量确定的照明和观察条件下的颜色值，适用范围较小[4]。

1.2 分光光度法

分光光度法是基于光度量进行测量的方法，通过样品的光谱反射或透射特性来计算其色度值，仪器内部有数据计算系统或者和计算机相连作为数据处理和输出装置，可以得出任何照明条件和观察条件下的三刺激值、色品坐标和色差等色度数据。常用仪器有测色分光光度计(分光光度计)、光谱仪、光辐射度计等。分光光度计测量操作与光电积分类仪器类似，为接触式测量；光谱仪、光辐射度计测量时无需与样品接触，但是对环境要求较高。分光光度类仪器是颜色测量中最基本的仪器，具有灵敏度高、操作简便、适用范围广等优点，但是对仪器的光学准确度要求较高，数据处理复杂[4]。

2 研究文物呈色机制和制作工艺

种类和数量繁多的文物颜色各异，可以通过色度数据对其颜色进行客观描述和比较，使结果更为可靠。文物自身的呈色特征和机制与其成分、结构和制作工艺等方面有着密切的关系，颜色信息定量化对于研究文物呈色机制和制作工艺起着重要作用。

陶瓷类文物呈现出的颜色与其原料、烧制温度、烧成气氛和制作工艺等相关。丁银忠等[5]对故宫博物院28件宋代官窑青釉瓷器的颜色主观评价后分为天青、粉青、灰青和米黄4类，再用分光光度计测量其光谱反射率曲线和色度值，分析4类青瓷颜色的差异，最后测定釉的化学组成，结果显示Fe2O3含量和釉的偏黄程度呈正相关。李其江等[6]从色度、烧成温度等方面探讨了宋代吉州窑青白瓷的物理性能与显微结构以及着色氧化物的关系，使用日本电色NF-333型便携式分光光度计测量了样品的色度数据，并依次计算出样品釉的3个色度学定量参数：主波长、色纯度和亮度，分析得出Fe2O3的含量越高，釉色越偏黄绿色的结论。吴军明等[7]采用能量色散X荧光光谱分析仪和色差计，分析了湖田窑宋代青白瓷的胎、釉化学组成和釉面色度值，初步探讨了两宋时期青白瓷的组成、配方和呈色特征。在对瓷釉色度数据进行分析时，通过作图法得出样品的主波长，利用散点图来判断颜色的稳定性。南宋青白瓷釉面的主波长偏向蓝绿色波段，散点图中的色度数值分布更均匀，表明其釉面呈色更为偏蓝且瓷釉料配方更为成熟稳定。Ion等[8]用分光光度计测量罗马尼亚Hunedoara-the Court考古发掘的2块陶瓦碎片的色度并进行分析，颜色分别为黑色和红褐色。结合红外光谱、拉曼光谱和SEM-EDS分析，黑色陶瓦断面不规则的色差进一步证明其烧制气氛和时间的不当。Germinario等[9]使用色度测量、红外光谱和拉曼光谱等多种基于光谱学的分析手段研究出土于意大利Benevento晚期的罗马陶制餐具和炊具残片。用分光光度计对陶片新断裂面进行测量，色度值的明显差异证明了未分带和分带糊状物的存在，结合红外光谱和拉曼光谱的分析结果，推断其原料来源于本地且容易获得。

玻璃类文物透明度高，可通过测量其光谱透射率来获取其色度数据。Galli等[10]在研究古代蓝色玻璃时，用分光光度计测量含钴元素和含铜元素的蓝色玻璃的色度值，来判断蓝色玻璃的种类。Cosyns等[11]使用紫外-可见-近红外光谱(UV-Vis-NIR)测量瑞士Avenches和比利时Tongeren的9块罗马时期的黑玻璃碎片不同区域的光谱透射率曲线，计算色品坐标，判断碎片是否来自于同一器物。此外，他们还通过光谱透射率曲线峰值、色品坐标和呈色元素(Fe2+、Fe3+及Mn2+)之间的关系，来推断玻璃的烧成气氛。颜色坐标表明，氧化条件与还原条件相比，可导致玻璃更广泛的色调。

壁画岩画类文物的颜料种类繁多，色彩丰富。李焕等[12]以敦煌莫高窟壁画颜料研究成果为参照，设置模拟实验，用分光光度计测量涂布于白卡纸上的不同颗粒度的色块的色度值，分析颜料颗粒度对呈色的影响。对于同种颜料而言，随着颗粒度的改变，颜色的色相有微小变化。Miriello等[13]在研究意大利庞贝考古遗址灰浆中壁画碎片颜料时，运用分光光度计获取L*、a*、b*值，结合X射线荧光光谱分析(XRF)、拉曼光谱等方法确定颜料中的矿物成分。Roldán等[14]在对西班牙的Parpalló洞穴岩画的黑色颜料斑块进行分析时，采用分光光度计测量其色度值，确定颜料的颜色组成，同时用XRF测量黑色颜料组成成分，结果表明含锰元素和不含锰元素的黑色颜料的颜色差异不大。Roldán等[15]研究西班牙Parpalló洞穴岩画的红色、黄色颜料时，用分光光度计测量岩体和红色、黄色图案的光谱反射率曲线和色度值，比较三者之间的差异，结果显示红色区域a*值较高、黄色区域b*值较高，红外光谱分析补充验证了该结果的准确性。通过色度测量、XRF和红外光谱分析，作者推测这些颜料可能来源于赤铁矿和针铁矿。

对纺织类文物的颜色进行研究可以推断其染色工艺。刘伟等[16]在丝绸纺织品传统染色工艺的研究中用光纤光谱仪测量计算得到模拟实验样品的各组色度数据，分析了它们的分布范围和分布规律。得到一些重要结论：R-G、X-Y参数都存在线性相关的关系，植物染料对丝绸染色的a*-b*参数存在一个大致的范围；多次染色使RGB和L*值下降；套染效果基本符合颜色加法；媒染剂的光谱图主要受染料影响，丝绸材质对染色结果几乎没有影响。

纸质文物包括书籍、档案、文献、经卷、书画、碑帖、纸币、证券、报纸等，是图书馆和档案馆的重要收藏品[17]。纸质文物的颜色信息来自于纸张本身和书写或印刷在纸张上的墨或颜料。张小云等[18]在对新疆墨玉维吾尔族桑皮纸进行研究时，将其与相同浇纸法造纸的云南孟定傣族构皮纸进行比较，在测定光学性能时，将三刺激值、色品坐标、色度值、两面色差等色度量也都加以测量计算，数据表明桑皮纸白度较低，色彩比较暗淡、正反面颜色差异较大。de Luna等[19]以《格尔尼卡》为例，探讨了如何使用光辐射照度计准确测量非彩色图像的光谱反射率，计算色度值，并研究了图像的灰度和光谱反射率之间的关系。Berns[20]用分光光度计测量光谱反射率、计算色度值并进行色彩重建，成功还原油画《梵高的卧室》初始的色彩状态。

上述研究中，色度测量可以有效减少主观因素的影响，用色度值对颜色各异的文物进行更为准确的分类。色度测量结合化学成分分析能够更加准确的得出某些特定的呈色元素和文物颜色之间的关系，进一步推断其制作工艺和原料来源及产地等，对文物进行更深入的解读。

3 评价文物清洗效果和保护材料的颜色稳定性

在实际的文物修复保护工作中，色度数据可以显示文物颜色变化情况，指导作色配色。使用适当的清洗材料和方法清洗文物，寻找合适的保护材料，合理地延长文物的寿命和保存时间是文物保护工作的重要内容。文物清洗材料、方法因文物类型、污染情况的不同而存在差异。通过清洗前后污染区域与未污染区域的色差大小来表示清洗程度，色差越小，清洗效果越好，一般色差小于6就可以认为清洗有效[1]93。因此，色度测量方法可以评价、比较文物清洗方法的实际效果，有助于确定合适的清洗材料和方法。同样地，这种方法可用于判断文物保护材料的颜色稳定性。

1) 色度测量指导修复陶瓷类文物。郑利平[21]在陶器表面作旧的过程中用色差计测色，对配色进行定量衡量，指导文物修复。李冰[22]在评价龙泉窑青瓷修复与青瓷仿釉效果时，用色差仪测量颜色，通过色差大小指导修复。戴维康等[23]研究古陶瓷修复中光源的色温时，运用色度学理论方法，借助便携式色度仪的帮助，定量化作色修复古陶瓷。色度测量使这些修复工作对颜色的控制更加精准。

2) 色度测量应用于金属文物的修复保护。刘育玲等[24]较早将色度测量引入金属文物保护中，确定对古铜钱颜色影响最小的倍半碳酸钠溶液浓度和处理时间时，用色差计测量处理前后的色差，数值最小的一组对应的处理条件对古铜钱颜色变化影响最小。Faraldi和Albini等[25-26]分别研究类金刚石镀层的不同处理条件以及微生物方法对金属文物的保护效果，均采用了分光光度计测量色度、计算色差，较小的色差值可以证明处理前后文物颜色变化微小。

3) 石质文物的清洗和加固。Coladonato等[27]研究二氧化碳水溶液清洗石质文物的效果、Simileanu等[28]研究激光清洗石质文物的效果时，都用色度计测量未遭受污染区域和清洗后区域的色度值，计算色差，均小于5，表明这些方法可用于清洗石质文物。Piazza等[29]研究加固石质文物的纳米材料的颜色稳定性、Helmi等[30]研究纳米复合材料对埃及Tanis花岗岩方尖碑的保护效果、Ruffolo等[31]研究金属氧化物纳米颗粒材料对水下石质文物的保护效果时，均通过分光光度计测量色度来计算色差，微小的色差表明这些材料用于石质文物保护时稳定的颜色特征。

4) 木质文物的清洗和保护。郭义强[32]在对重庆渝北区馆藏木质文物进行修复时，用分光光度计分别测量用乙醇、丙酮清洗文物前后的色度值，计算色差，结果表明使用乙醇色差小，清洗效果较好。Crisci等[33]研究Regalrez 1126和Paraloid B72共同作用于木质文物的保护效果，选用常见的木质文物的木料，分为4组，1组不做处理，另外3组分别用2种试剂单独浸润、混合浸润后进行老化实验，用分光光度计测量4组木料的色度值，计算用试剂处理的木料与未做处理的木料的色差，结合机械性能和孔隙率的分析认为，经过Regalrez+Paraloid双重处理的木料，在机械抗性和孔径分布方面有显著优势，但在抗光氧化性或变色方面没有优势。

5) 纸质文物的清洗和修复保护。Elnaggar等[34]研究用激光清洗纸质文物的可行性时，用分光光度计测量清洗前后的古埃及莎草纸的色度值L*、a*、b*，L*值增加用于描述激光去除灰尘和污垢的效率，b*值增加表明清洗过程中莎草纸变黄。实验结果显示：控制激光束的能量在一定范围内可使L*值明显增加，b*值基本不变，从而达到较好的清洗效果。梁兴唐[35]在纸质文物原位电化学清洁研究中、Arif等[36]在研究中紫外激光清洗技术应用于纸质文物清洗时，都测试了清洗前后纸张的色度值，计算色差，通过分析色差来判断清洗效果，微小的色差表明这些方法用于纸质文物清洗效果较好。何子晨等[37]选取修复用纸修复南京博物院院藏清代《蔡仲岐观察说帖》时，对修复用纸进行不同时间的老化处理后，测量与文物本体的色差，最终选用色差较小的修复用纸。在研究一些新型纸质文物保护技术或材料时，如等离子技术[38]、等离子体技术与静电纺丝技术联用[39]、JRP技术[40]、用油酸改性的氧化镁(MgO)纳米颗粒[41]和Ca(OH)2纳米粒子[42]等，都用色差大小来表示使用该项技术或材料前后的颜色变化，结合其他性能来判断此种技术或材料的适用性。

6) 纺织皮革类文物的清洗和加固。胡智文等[43]研究丝素蛋白/乙二醇二缩水甘油醚对老化丝纤维的加固时，用色差计测量加固前后试样的色差，色差很小，说明老化样与加固样的颜色无明显变化。Elnaggar等[44]在研究古埃及皮革制品时，用激光清洗皮革表面的硬壳和老化的防护涂层，用色度计测量清洗前后的色度值，表征清洗过程中的颜色变化。

评价文物清洗效果和保护材料性能需要从多方面考虑，借助多种科学分析手段测试判断，避免对文物产生损害。色度测量的结果可以快速直观地反映文物清洗和保护过程中的色彩变化，结合其他性能的分析结果，可以更加合理地进行文物保护工作。

4 分析环境因素对文物色彩的影响

文物保存的寿命和保存状况，不仅与其本身性质相关，还与文物存放环境对它的作用过程有关[45]。不同的环境作用于文物会产生一系列变化，颜色变化是较为明显的一个方面，色度测量可以便捷精确地判断颜色变化的情况。

1) 壁画和石质文物。Wright等[46]用色度计每隔1年测1次秘鲁古代壁画上76个点的颜色信息，计算色差，判断当地环境对于该壁画颜色的影响。曹秋彬等[47]通过CM-2600d分光测色计测试模拟石质文物在综合、酸浸泡、碱浸泡、紫外、湿热、浸烘等6种腐蚀老化环境中的表面色度变化，结果表明几种环境对文物色度影响从小到大依次为：紫外老化<湿热老化<浸烘老化<综合老化<酸浸泡<碱浸泡。

2) 纺织类文物。王永礼等[48]通过光老化实验，研究闪光灯光照对白色丝绸及植物染料染色的丝绸产生的老化作用，用色差计测量老化前后的色度值，计算色差，数据显示黄色、茶色和红色丝绸在光照下容易褪色，白色丝绸光老化作用最小。冯荟等[49]用测色仪测量分析黄檗、槐米、苏木、紫草及茜草5种古代丝织品常见植物染料在卤素光及LED光源下与原始样品的色差随时间变化的曲线，得出其褪色速率，结果表明在卤素灯及LED灯下黄檗、槐米的色牢度较差，苏木的色牢度最佳。

3) 骨质文物。王丽琴等[50]在研究湿度对骨质文物的影响及最佳存放湿度时，将色度变化作为一个考察的指标，用色差计对不同湿度下骨样老化前后的色差值进行测量，实验结果显示，在各种湿度条件下，色差都小于1，骨质文物未发生霉变。Bradfield[51]在分析加工食物和加热等活动对骨器颜色产生的影响时，选取非洲南部的黑斑羚骨骼和当地植物(水果、蔬菜和谷物)进行模拟实验，分别将各个骨骼样品的一半插入水果、蔬菜和谷物糊状物中，另一半置于空气中，放置2周；分别对6件骨骼样品加热1～6 min，用分光光度计测量实验区域和未处理区域的色度值L*、a*、b*。实验结果表明：多酚含量高的植物会在骨骼表面产生明显的变色，这类变色与加热超过2 min的骨骼的变色有着显著差异。通过红外光谱和便携式X射线荧光光谱(pXRF)分析再次验证了结论的正确性。实验结论为研究当地骨器文物变色原因提供了有价值的参考。

5 结 语

综上所述，色度测量可以快速准确地将文物或保护材料的颜色特征信息化，且操作简便，无损测量，对文物不会产生损伤，因而已经成为文物考古领域中的常用测量方法，并且在研究文物呈色机制和制作工艺、评价文物清洗效果和保护材料的颜色稳定性，以及分析环境因素对文物色彩的影响等实际问题中发挥了无法替代的作用。现代色度学目前已发展到色貌预测阶段，对于色度数据的计算处理和解释不断深入，未来的研究中注意优化不同文物的色度测量条件、通过色度数据建立文物的色貌模型和利用数字颜色管理系统对文物颜色信息进行跨媒体再现与还原等方面的内容，可以快速得到更加准确的文物颜色信息、预测复杂观察条件下的人类视觉系统对文物的颜色刺激的颜色知觉、消除不同颜色设备之间的颜色传递特性差异，实现保真的或者符合用户意图的文物颜色传递和再现。

总的来说，色度测量在科技考古和文物保护中的应用日渐成熟，色度学理论和方法的引入促使科技考古和文物保护工作越来越注重多方法相结合、多学科相融合。随着色度学理论和方法的广泛、深入的补充和发展，优化的文物色度测量条件、针对于文物的色貌模型和数字颜色管理系统将在文物考古研究中发挥更大的作用。