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        日光色溫及顯色性實(shí)驗(yàn)研究

        2013-04-29 22:18:26梁樹(shù)英楊春宇張青文翁季
        土木建筑與環(huán)境工程 2013年5期
        關(guān)鍵詞:顯色性色溫日光

        梁樹(shù)英 楊春宇 張青文 翁季

        摘要:

        為了解決建筑色彩多從人文審美等定性研究出發(fā)、缺乏科學(xué)定量研究的問(wèn)題,找到不同色溫的日光對(duì)建筑色彩產(chǎn)生影響的函數(shù)關(guān)系,達(dá)到建筑色彩設(shè)計(jì)更科學(xué)化的目的。分析了典型日光及相關(guān)理論,并以典型日光D65和D55為標(biāo)準(zhǔn)照明體,對(duì)日光色溫及其與顯色性之間的定量關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,研究結(jié)果表明晴天早晨和傍晚的日光色溫變化幅度較大,在日出后和日落前3 h之間基本穩(wěn)定地保持在4 300~5 300 K之間。日光光源與典型日光(CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體D)的總色差與兩者的色溫差之間存在顯著的正比例關(guān)系,比例系數(shù)約為0.01,其函數(shù)關(guān)系式為ΔE=10×10-2×ΔK(3 500

        關(guān)鍵詞:

        日光;光譜分析;典型日光理論;日光色溫;色差關(guān)系

        建筑色彩包含社會(huì)人文及科學(xué)技術(shù)2方面的內(nèi)容,長(zhǎng)期以來(lái)建筑色彩設(shè)計(jì)多是從歷史、文脈、習(xí)俗、審美等方面進(jìn)行的定性分析,忽視了科學(xué)的定量研究。建筑色彩是在自然空間中呈現(xiàn)出來(lái)的,日光必然會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。日光有初升、日出后、正午、日落前和欲落以及晴天直射、晴天背光和陰天等不同時(shí)相,不同時(shí)相的日光具有不同的色溫和光譜功率分布,在其照射下建筑所呈現(xiàn)的色彩也不盡相同。因此,對(duì)日光光譜、日光色溫及顯色性對(duì)建筑色彩影響的研究是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)理論研究。在日光光譜的研究方面,學(xué)者們進(jìn)行了一系列的研究工作,例如:HernándezAndrés等[1]對(duì)歐洲南部的日光光譜進(jìn)行了測(cè)量和分析,趙曉艷等[2]對(duì)成都地區(qū)的天空光光譜進(jìn)行了測(cè)量和分析,曹婷婷等[3]分別對(duì)大氣上界和地表直射太陽(yáng)光譜和天空光譜進(jìn)行了測(cè)量,還有學(xué)者對(duì)太陽(yáng)輻射光譜和天空光譜進(jìn)行了相關(guān)研究[48]。日光色溫隨氣候、季節(jié)、時(shí)間和天氣等的變化而變化,其中時(shí)間和天氣的變化對(duì)日光色溫的影響最為明顯,李興國(guó)等[9]對(duì)常見(jiàn)的日光色溫進(jìn)行了研究,對(duì)比了自然光和人工光的色溫差別,鄭志雄[10]標(biāo)出了日光和天光在部分云彩之下的綜合色溫。喻柏林等[11]對(duì)光源的色溫和CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體進(jìn)行了研究,并研究了典型日光色度軌跡及其相對(duì)光譜;還有學(xué)者對(duì)CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體的色度和光譜等進(jìn)行了研究[1213]。楊春宇等[1415]對(duì)影響建筑色彩觀測(cè)的因素進(jìn)行了研究,包括不同色溫日光、不同光源等對(duì)建筑色彩的影響。目前,對(duì)日光光譜的研究主要用于大氣污染狀況的檢測(cè)和分析,對(duì)日光色溫本身的研究也比較有限,還缺乏對(duì)日光色溫及其顯色性之間關(guān)系的深入研究。

        筆者對(duì)一天中具有不同色溫的不同時(shí)相日光進(jìn)行跟蹤觀測(cè),分析一天中日光色溫及其照度變化,同時(shí),以典型日光D65和D55作為參照照明體,對(duì)不同色溫日光下的標(biāo)準(zhǔn)白板色度變化量進(jìn)行分析,并進(jìn)行色差比較,探討日光色溫與顯色性之間的定量關(guān)系。

        梁樹(shù)英,等:日光色溫及顯色性實(shí)驗(yàn)研究

        1典型日光及相關(guān)理論

        1.1典型日光理論

        國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)推薦了4種標(biāo)準(zhǔn)照明體A、B、C、D來(lái)規(guī)范顏色測(cè)量。典型日光(即CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體D)在CIE1931色度圖上表示為一條位于黑體軌跡上方的典型日光色度軌跡,其是由兩類(lèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定出的:一類(lèi)數(shù)據(jù)來(lái)自1963年Condit等人測(cè)量的622例不同地區(qū)和不同時(shí)相的太陽(yáng)光和天空光光譜分布;另一類(lèi)數(shù)據(jù)是同年完成的兩組視覺(jué)色度測(cè)量,即Nayatani等[16]和Chambeilin等[17]分別對(duì)加拿大渥太華和英國(guó)南部的北天空日光的直接視覺(jué)觀察。針對(duì)Condit等人測(cè)量的622例日光光譜分布,Judd等[18]用統(tǒng)計(jì)學(xué)的特征矢量分析重新組合出一定相關(guān)色溫的典型日光光譜功率分布。由這622例日光光譜分布曲線可以得到1條平均曲線S0,分析這些曲線偏離S0的變化,可以找到偏離S0的最突出特征矢量S1和第2個(gè)最突出特征矢量S2,以及第3特征矢量S3和第4特征矢量S4等。一般而言,用特征矢量S1、S2和相應(yīng)的乘數(shù)M1、M2就能很好地符合不同色溫的日光光譜分布[1920](圖1)。

        根據(jù)典型日光理論,不同色溫日光的相對(duì)光譜功率分布公式為:

        1.2日光光譜功率分布與日光色溫

        根據(jù)前文所述理論,不同時(shí)相的日光對(duì)應(yīng)著不同相關(guān)色溫的標(biāo)準(zhǔn)照明體D,也就對(duì)應(yīng)著不同的相對(duì)光譜功率分布。定義典型日光的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于實(shí)測(cè)日光,其相對(duì)光譜功率分布與實(shí)測(cè)日光很相似,和其他標(biāo)準(zhǔn)照明體相比,典型日光的色度點(diǎn)與實(shí)際日光更符合,因此CIE推薦研究時(shí)實(shí)測(cè)日光用典型日光D55(相關(guān)色溫5 503 K)、D65(相關(guān)色溫6 504 K)和D75(相關(guān)色溫7 504 K)來(lái)代替,并盡可能使用典型日光D65。

        從光源的顯色性來(lái)分析,其顯色性是由光源的光譜功率分布決定的[19],連續(xù)光譜的光源具有較好的顯色性。日光是連續(xù)光譜,日光色溫能代表其光譜功率分布,也能反映其顯色性。從色度實(shí)踐的角度而言,研究日光的光譜功率分布意義不大,且有一定的難度。因此一般在日光光源條件下,可用日光色溫來(lái)衡量其顯色性,進(jìn)行色度測(cè)量和分析。

        色溫的感覺(jué)量用MK-1(每兆開(kāi))表示,其計(jì)算公式為[21]:

        106/色溫K=MK-1(2)

        從式(2)可以看出,色溫的感覺(jué)量是由倒數(shù)色溫來(lái)度量的。在實(shí)際測(cè)量中,光源的色溫同樣相差200 K,但其感覺(jué)量就會(huì)有很大不同。例如:5 000 K和5 200 K的2個(gè)光源,色溫感覺(jué)量約為8 MK-1;而2 000 K和2 200 K的光源,色溫感覺(jué)量就約為45 MK-1。為了進(jìn)一步探討日光色溫與色差之間的定量關(guān)系,筆者對(duì)日光色溫及顯色性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

        2日光色溫及顯色性實(shí)驗(yàn)研究

        2.1實(shí)驗(yàn)原理

        根據(jù)實(shí)際測(cè)量,陰天時(shí)日光色溫比較穩(wěn)定,大致處于6 000~7 000 K之間,其與典型日光D65的色溫比較接近,而晴天時(shí)日光色溫在一天中的變化幅度很大,因此著重研究晴天時(shí)日光色溫及其照度的變化情況。跟蹤觀測(cè)晴天一天中正對(duì)太陽(yáng)直射光的標(biāo)準(zhǔn)白板直射面的各項(xiàng)參數(shù),分析一天中日光自身的變化規(guī)律,并在CIEXYZ和CIELab色彩空間中將測(cè)量數(shù)據(jù)與CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體D(典型日光)下的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行色差比較,分析日光色溫變化對(duì)建筑色彩的影響規(guī)律。

        2.2實(shí)驗(yàn)步驟

        在重慶市選擇一個(gè)夏季全晴天(具體測(cè)量日期為2012年8月14日;正午的太陽(yáng)高度角為74°49′;日出和日落分別為6時(shí)21分和19時(shí)33分;日正中天為12時(shí)56分;晝長(zhǎng)13小時(shí)11分;測(cè)量時(shí)間為北京時(shí)間,時(shí)區(qū)為UTC +8),在室外條件下正對(duì)太陽(yáng)直射光垂直放置標(biāo)準(zhǔn)白板,并將一天分為16個(gè)不同時(shí)段,在不同時(shí)間點(diǎn)用PR650亮度色度計(jì)和ST—80C數(shù)字照度計(jì)測(cè)量其直射面的亮度、色度、色溫和照度等,并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

        將測(cè)量數(shù)據(jù)使用AIM_XLA(EXCEL加載宏)進(jìn)行色度計(jì)算和轉(zhuǎn)換,并用Origin 8.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖和分析。為了便于計(jì)算和分析,色差計(jì)算均采用國(guó)際上有代表性的CIEDE2000色差公式。

        2.3晴天日光色溫及照度變化趨勢(shì)分析

        經(jīng)過(guò)測(cè)量,晴天日光亮度、色度、色溫和照度參數(shù)如表1所示。將一天中的日光色溫和水平照度的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到晴天日光色溫及水平照度的變化曲線(圖2)。

        從表1數(shù)據(jù)和圖2晴天日光色溫及水平照度變化圖中可以看出:晴天時(shí),日光色溫基本處于3 500~7 500 K之間,早晨和傍晚日光色溫變化幅度較大,早晨時(shí)日光色溫急速下降,傍晚時(shí)日光色溫急速上升,而在1 d中的大部分時(shí)間(日出3 h之后和日落3 h之前),日光色溫的變化幅度較小,基本穩(wěn)定地保持在一定的水平上(4 300~5 300 K);而日光亮度、水平照度和垂直照度的變化則比較規(guī)律,基本符合太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡,在一天中先上升后下降,其最大值出現(xiàn)在正午前后。

        2.4日光色溫與總色差的關(guān)系研究

        2.4.1CIE XYZ色空間為了定量分析日光色溫變化對(duì)建筑色彩的影響規(guī)律,研究其顯色性,本文分析了不同色溫日光下標(biāo)準(zhǔn)白板的色度數(shù)據(jù),并以CIE推薦的D65(即相關(guān)色溫6 504 K的典型日光)標(biāo)準(zhǔn)照明體作為參照照明體,將觀測(cè)數(shù)據(jù)在CIEXYZ色空間中進(jìn)行色差比較。定義典型日光D65的Y、x、y值分別為0.994、0.3127、0.329[14],那么標(biāo)準(zhǔn)白板的色度值就是其與典型日光D65照明條件下的色彩偏差值。從前文的理論分析可知,光源的光譜功率分布決定了其顯色性,日光是連續(xù)光譜,日光色溫能代表其光譜功率分布,也能反映其顯色性。因此,日光色溫與其顯色性之間必然存在一定的關(guān)系。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)AIM_XLA(EXCEL加載宏)計(jì)算和Origin 8.0軟件分析,得到不同色溫日光與典型日光D65的總色差與兩者色溫差之間的函數(shù)關(guān)系圖(圖3)。

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