張明宇 王立雄 蘇曉明

(1.天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072;2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

中國(guó)古建筑存在了上千年，人們?cè)陂L(zhǎng)期的審美意識(shí)中已經(jīng)對(duì)日間古建筑自身的色彩特征形成了深刻的印象，而夜景中在如何對(duì)古建筑色彩進(jìn)行較好地表達(dá)，符合人們對(duì)古建筑的認(rèn)知習(xí)慣，即夜景中古建筑的“原真性”。在此方面目前尚無(wú)針對(duì)性地依據(jù)和應(yīng)用建議。

本文研究計(jì)劃結(jié)合古建筑自身濃厚的色彩特征，并結(jié)合照明中常用的光源色彩表現(xiàn)特性進(jìn)行綜合性的夜間色彩表現(xiàn)評(píng)價(jià)研究，以期在中國(guó)古建筑照明應(yīng)用研究中得到初步研究結(jié)論，為古建筑照明合理的色彩表達(dá)提供理論依據(jù)。

1 中國(guó)古建筑色彩特征

1.1 中國(guó)古建筑色彩的形成

《營(yíng)造法式》對(duì)中國(guó)古建筑的用色有過(guò)這樣的描述:“色調(diào)以藍(lán)、綠、紅三色為主，間以墨、白、黃。凡色之加深或減淺，用疊暈之法。其方法亦自唐至清所通用也?！保?］

中國(guó)古建筑的色彩不僅僅作為裝飾，而首先是基于對(duì)建筑基本構(gòu)件的保護(hù)功能需要而存在的，是基于傳統(tǒng)建筑采用木構(gòu)架的基本特點(diǎn)而產(chǎn)生的。其色彩不僅反映著當(dāng)時(shí)人們的藝術(shù)欣賞水平和用色的考究程度，而且對(duì)于建筑的彩畫(huà)有著規(guī)定和要求，建筑的色彩和彩畫(huà)，也演變成是建筑等級(jí)的表現(xiàn)手段，體現(xiàn)著社會(huì)等級(jí)制度和建筑文化的內(nèi)容。其色彩及其描繪的場(chǎng)景已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了視覺(jué)和藝術(shù)的范疇，從一定意義來(lái)說(shuō)是中國(guó)文化的部分載體。在其中統(tǒng)一了色彩表現(xiàn)的美學(xué)、文化內(nèi)涵、建筑的功能屬性等諸多要素，成為中國(guó)古建筑在世界建筑藝術(shù)中的鮮明特色，見(jiàn)圖1。

1.2 古建筑各部分構(gòu)件色彩特征

通過(guò)傳統(tǒng)建筑色彩的研究文獻(xiàn)查閱，得出古建筑各部分色彩分布的基本規(guī)律特征:

屋頂色彩中分為:黃色 (尤其是明黃)琉璃瓦、黃綠混合 (剪邊)、綠色、綠灰混合、灰色陶瓦。

建筑物墻身色彩:主要有紅、綠、棕等色。

構(gòu)件色彩:

梁枋、斗拱、椽頭彩畫(huà)色調(diào)以青、綠為主，間以金、紅、黑等色;

柱子:紅色、綠色為主。

而上述各部分建筑色彩是作為建筑等級(jí)表現(xiàn)而搭配使用的。北京故宮的建筑色彩的搭配就體現(xiàn)了這一點(diǎn)，見(jiàn)圖2。在藍(lán)天下用黃琉璃瓦頂搭配青綠色的彩畫(huà)和大紅的宮墻、柱子與門(mén)窗，造成了宮殿建筑莊嚴(yán)而又雄偉的總體色彩效果。

圖2 故宮建筑色彩形象Fig.2 Imperial Palace color

2 夜景照明技術(shù)中的光色

現(xiàn)在，不同光源其基本的色彩表現(xiàn)特性，如色溫和光源顯色性等，已經(jīng)有多樣化的選擇，這些參數(shù)也已經(jīng)成為照明廠商進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制和標(biāo)定產(chǎn)品特性的基本參數(shù)。對(duì)于古建筑照明來(lái)說(shuō)，探討其照明效果，不得不將照明光源中的色溫、顯色性指標(biāo)納入進(jìn)來(lái)。色溫是衡量光源色的指標(biāo)，而顯色性是衡量光源視覺(jué)質(zhì)量的指標(biāo)。假若光源色處于人們所習(xí)慣的色溫范圍內(nèi)，則顯色性應(yīng)是光源質(zhì)量的更為重要的指標(biāo)。這是因?yàn)轱@色性直接影響著人們所觀察到的物體的顏色。

表1所列的是國(guó)際照明委員會(huì) (CIE)推薦的光源基本特征與技術(shù)參數(shù)指標(biāo)。

表1 國(guó)際照明委員會(huì) (CIE)推薦的光源基本特征與技術(shù)參數(shù)Table 1 Light source characteristics and technical parameters recommended by the International Commission Illumination(CIE)

通過(guò)對(duì)不同光源的了解，使用不同光源，既可以達(dá)到如實(shí)還原建筑本來(lái)面貌，也可以實(shí)現(xiàn)改變建筑本來(lái)的色彩，這是夜間照明區(qū)別于日光的重要特征。此外，多種新光源和照明技術(shù)的發(fā)展，照明的光色使用問(wèn)題愈來(lái)愈突出。不同光源的色溫和顯色情況不同，古建筑照明中采用，其結(jié)果往往使物體失去“真實(shí)”的顏色，或效果相去甚遠(yuǎn)。

3 古建筑夜景色彩表現(xiàn)實(shí)驗(yàn)

古建筑上的油飾、彩畫(huà)一般分布在建筑物的主體立面部分，這一部位由于其豐富的細(xì)節(jié)成為了人們視看的主視線集中地，成為古建筑色彩組成的最重要表現(xiàn)部分，下面就以古建筑的油飾、彩畫(huà)的常用顏色作為實(shí)驗(yàn)的對(duì)象來(lái)具體研究。

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?

為在夜景條件下實(shí)現(xiàn)彩畫(huà)的最接近“原真性”的表達(dá)，因此本實(shí)驗(yàn)中選用與太陽(yáng)光色和光譜最為接近的D65光源作為實(shí)驗(yàn)參照光源，并同時(shí)選用了其他12種對(duì)比光源。我們將不同光源與彩畫(huà)、油飾試件在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行一一照明，并對(duì)試件進(jìn)行色坐標(biāo)測(cè)試，通過(guò)實(shí)驗(yàn)處理并最終計(jì)算出不同試件在12種光源下的色差值，借以評(píng)價(jià)出不同光源類型對(duì)不同彩色、油飾試件的表達(dá)的差異和優(yōu)劣。

實(shí)驗(yàn)方法:

本文擬采用客觀數(shù)據(jù)測(cè)試和主觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行綜合研究。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:

(1)選取實(shí)驗(yàn)對(duì)象

按照古建筑彩畫(huà)傳統(tǒng)做法制作的古建筑常用具有代表性的色彩實(shí)體色塊試件和油飾試件。試件尺寸:12cm×12cm×5cm木塊。彩畫(huà)計(jì)6塊:顏色分別為紅色、綠色、藍(lán) (青)色、黑色、白色、黃色;油飾計(jì)7塊:顏色分別為紅色、綠色、藍(lán)色、黑色、白色、黃色、金色。同時(shí)選取了帶有青綠色彩畫(huà)的額枋。試件如圖3、圖4所示。

(2)選取實(shí)驗(yàn)用光源:

通過(guò)具有代表性的古建筑照明用光源對(duì)模型試件進(jìn)行照射。光源有:

①小功率陶瓷金屬鹵化物燈三支。兩支35W光源，色溫為3000K，顯色指數(shù)分別為80和90;一支35W光源，色溫為6000K，顯色指數(shù)為90。

②150W2000K高壓鈉燈一支，顯色指數(shù)20。

圖3 六種彩畫(huà)、七種油飾試塊Fig.3 Six kinds of tempera blocks，seven kinds of ornaments blocks

圖4 額枋彩畫(huà)模型試塊Fig.4 The Tempera model block

③熒光燈四支:18W T8三基色熒光燈，色溫6500K，顯色指數(shù)80;18WT8普通熒光燈，色溫6500K，顯色指數(shù)70;14WT5普通熒光燈，色溫4200K，顯色指數(shù)80;14WT5普通熒光燈，色溫3000K，顯色指數(shù)80。

④100W 3000K鹵鎢燈一支。

⑤典型色溫的LED三支 (發(fā)光由RGB混合)，包括:3000K、4000K、5500～6000K各一支。

(3)實(shí)驗(yàn)方案描述:

在天津大學(xué)建筑學(xué)院建筑物理實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，在全黑條件下進(jìn)行測(cè)試。首先選取實(shí)驗(yàn)對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)光源D65(18W，6500K)，將其懸吊于測(cè)試樣品側(cè)前方，距測(cè)試樣品1m的距離，保證其主光軸直射被測(cè)試件。通過(guò) D65對(duì)色塊試件和額枋照明，使用TOPCON BM-7型色度亮度計(jì)測(cè)試典型測(cè)點(diǎn)的色坐標(biāo)。TOPCON BM-7型色度亮度計(jì)設(shè)置在距被測(cè)試件2m位置，且垂直于被測(cè)試件表面進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試中BM-7主要選用2°視場(chǎng)瞄準(zhǔn)彩畫(huà)及油飾試件的中心點(diǎn)位置，而額枋試件考慮其上每種顏色所占面積大小不同，BM-7選用0.2°視場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，選取測(cè)點(diǎn)為不同色彩部位的中心點(diǎn)位置，再讀取色坐標(biāo)X、Y、Z數(shù)值。然后選用實(shí)驗(yàn)待選的其余典型實(shí)驗(yàn)光源布置在上述位置分別對(duì)試件進(jìn)行照明，測(cè)試相同測(cè)點(diǎn)的色坐標(biāo)X、Y、Z數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)的計(jì)算處理，計(jì)算出不同光源下同一試塊的X、Y、Z與標(biāo)準(zhǔn)光源D65下的色坐標(biāo)X、Y、Z數(shù)據(jù)對(duì)比所形成的色差值，以確定不同光源對(duì)試件色彩的表現(xiàn)差異，最終形成優(yōu)劣比較。

3.2 數(shù)據(jù)處理

包括實(shí)驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算和主觀色差閾值判定兩部分內(nèi)容，一方面通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算得到不同試塊的光源色彩還原性的色差ΔE指標(biāo)，另一方面通過(guò)主觀評(píng)價(jià)以確定色差ΔE的人眼接受閾值。

(1)色差ΔE的計(jì)算

依據(jù)《色度學(xué)》［3］中給定方法，通過(guò)光照實(shí)驗(yàn)測(cè)出不同試塊在不同光源下的色坐標(biāo)X、Y、Z，并計(jì)算不同光源下試塊顏色的色差值ΔE。具體計(jì)算方法按照該書(shū)中的推導(dǎo)和計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行:

1964年CIE規(guī)定了“均勻顏色空間”的標(biāo)定顏色方法，在均勻顏色空間中，色差的計(jì)算可不限于具有相等亮度因數(shù)的顏色。 “CIE1964均勻顏色空間”用明度指數(shù)W*、色度指數(shù)U*、V*坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)表示。

通過(guò)對(duì)不同顏色試塊在不同光源表現(xiàn)下的色差值的分別計(jì)算，得出ΔE值。再在同一色塊條件下進(jìn)行對(duì)比，ΔE值越小，說(shuō)明色差越小，光源對(duì)該試塊的顏色表現(xiàn)越接近真實(shí)，也越適于表現(xiàn)該色塊。

而對(duì)于額枋試件，由于其上色彩主要以青、綠色為主，其余還有適當(dāng)?shù)慕?、紅、灰藍(lán)等色。這五種顏色在同一光源照射下的不同色彩偏差有所不同，計(jì)算ΔE值將取五種色彩偏差的平均值來(lái)考量。

(2)色差閾值確定

在以上現(xiàn)場(chǎng)儀器測(cè)試實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，采用實(shí)驗(yàn)人員現(xiàn)場(chǎng)主觀評(píng)價(jià)的方法來(lái)定性描述色差值的人眼接受幅度，目的是基于色差ΔE值計(jì)算值的基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)條件下，找出人眼在不同光源照射情況下各試塊色彩還原性能接受的幅度。

3.3 實(shí)驗(yàn)初步結(jié)論

3.3.1 不同光源對(duì)彩畫(huà)試件色彩的表現(xiàn)

通過(guò)對(duì)以上不同光源對(duì)古建筑彩畫(huà)照明表現(xiàn)力測(cè)試，計(jì)算出ΔE值如表2所示。

表2 不同光源照射下的彩畫(huà)色塊的Δ E值Table 2 TheΔ E value of tempera blocks under different light sources

由表2可以看出，不同光源對(duì)彩畫(huà)的表現(xiàn)中色差各有不同，從六種彩畫(huà)色塊的ΔE平均值來(lái)看，各種光源的色差ΔE的平均值均在1以上，個(gè)別光源 (如鹵鎢燈、高壓鈉燈)的色差值較大。各種光源總體評(píng)價(jià)排序如下 (按色差表現(xiàn)的好壞排序):三基色熒光燈(18.80.6500) ＞LED光源 (6..5500～6000) ＞普通熒光燈 (18.70.6500) ＞LED光源 (11..4000) ＞三基色熒光燈 (14.80.4000) ＞金鹵燈 (35.90.6000) ＞金鹵燈 (35.80.3000) ＞普通熒光燈 (14.80.3000) ＞LED光源 (12..3000) ＞金鹵燈 (35.90.3000) ＞鹵鎢燈(100.100.3000) ＞高壓鈉燈 (150.20.2000)。冷色的熒光燈和LED光源色差較小，也就是說(shuō)，在彩畫(huà)表現(xiàn)的總體評(píng)價(jià)上，采用高色溫的熒光燈和LED光源對(duì)彩畫(huà)的還原性相比其他色溫和光源類型要好。而三種金鹵燈對(duì)色彩還原的表現(xiàn)適中，鹵鎢燈和高壓鈉燈色彩還原性最差。

3.3.2 不同光源對(duì)油飾試件色彩的表現(xiàn)

本文同時(shí)測(cè)試了不同光源對(duì)古建筑油飾試塊照明的色差并進(jìn)行比較。計(jì)算出與D65標(biāo)準(zhǔn)光源下的色差ΔE值如表3所示。

表3 不同光源下的油飾色塊的Δ E值Table 3 TheΔ E value of ornaments block under different light sources

總體評(píng)價(jià):由表3可以看出，不同光源對(duì)油飾的表現(xiàn)色差各有不同，從七種油飾色塊的色差ΔE平均值來(lái)看，除少數(shù)光源在1～2之間，ΔE平均值均較大，光源色差反應(yīng)明顯。各種光源總體色彩還原情況如下:普通熒光燈 (18.70.6500) ＞三基色熒光燈(18.80.6500) ＞LED光源 (6..5500～6000) ＞三基色熒光燈 (14.80.4000) ＞LED光源 (11..4000) ＞金鹵燈 (35.90.6000) ＞普通熒光燈 (14.80.3000)＞LED光源 (12..3000) ＞金鹵燈 (35.80.3000) ＞鹵鎢燈 (100.100.3000) ＞金鹵燈 (35.90.3000) ＞高壓鈉燈 (150.20.2000)。

在油飾色塊表現(xiàn)的總體評(píng)價(jià)上，按照光源的色溫由高至低色差有明顯的增加。具體來(lái)說(shuō)，采用高色溫的熒光燈和LED光源的色彩還原性相比其他色溫和光源類型要好，且熒光燈較LED光源要好，而其中熒光燈中是否為三基色則區(qū)別不大。這個(gè)結(jié)論與彩畫(huà)試塊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是比較一致的。而三種金鹵燈和鹵鎢燈對(duì)色彩還原的表現(xiàn)均較差，高壓鈉燈色彩還原性最差。

3.3.3 不同光源對(duì)額枋 (彩畫(huà)為主)試件色彩表現(xiàn)

對(duì)額枋試件的測(cè)試，以青、綠、紅、灰藍(lán)色四種彩畫(huà)顏色和金色油飾顏色這五種色樣測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算色差ΔE值，通過(guò)五種顏色的色差ΔE平均值來(lái)綜合考量每種光源的適宜性。通過(guò)計(jì)算，色差平均值的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

針對(duì)于額枋試件，總體來(lái)講，在采用的12款光源中，均有不小的色差，最小ΔE值為2以上。但是我們也可以從中找出一些基本的規(guī)律:

表4 不同光源下的額枋試件的色差Δ E平均值Table 4 The average of Δ E value of Tempera model block under different light sources

(1)高色溫的光源相對(duì)色彩還原性要好，以高色溫的三基色熒光燈和LED光源還原性最好，其次為高色溫金鹵燈;

(2)在熒光燈中，首選三基色熒光燈，要好于同色溫的普通熒光燈;

(3)金鹵燈中，色差均較大，色彩還原性不如三基色熒光燈和LED光源。但在選定的三款金鹵燈中同類型比較而言，高色溫的金鹵燈色彩還原性最好，而低色溫 (3000K)中，對(duì)額枋試件的色彩還原性與光源的顯色指數(shù)不成正向比例;

(4)在LED光源中，除高色溫的色彩還原性好以外，選用的3000K、4000K光源色差均較大，ΔE值在5以上;

(5)鹵鎢燈和高壓鈉燈的色差值最大，ΔE值為接近8和10以上的數(shù)值，色彩還原性最差，不能正確反映試塊顏色。

3.3.4 色差閾值的主觀判定

實(shí)驗(yàn)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)10名建筑技術(shù)科學(xué)專業(yè)研究人員，對(duì)上述實(shí)驗(yàn)采用的12種光源照射情況下6種彩畫(huà)色塊、7種油飾色彩還原效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用不明顯、較明顯、明顯三個(gè)等級(jí)來(lái)描述，以確定不同光源的色差描述傾向，并以“不明顯”和“較明顯”之間的色差值來(lái)確定人眼視覺(jué)能接受閾值范圍。實(shí)驗(yàn)中選用的12種光源對(duì)13種色塊試件分別形成的色差閾值如表5所示。

表5 彩畫(huà)試塊光照色差閾值Table 5 The illumination color difference threshold of tempera block

表6 油飾試塊光照色差閾值Table 6 The illumination color difference threshold of ornaments block

表6數(shù)值顯示，大部分試件光照色差閾值范圍在2～3之間，少數(shù)有“1”和“4”的數(shù)值。由此可以判定，對(duì)本次測(cè)試中采用的古建筑油飾、彩畫(huà)試件來(lái)講，大體可確定人眼可明確感受到的色差閾值為3左右。

4 色差測(cè)試實(shí)驗(yàn)的綜合結(jié)論

通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場(chǎng)主觀評(píng)價(jià)，對(duì)每種試塊色彩還原最好和最差的光源如表7所示。

綜合以上，可以形成以下幾條基本結(jié)論:

(1)除部分試件外，色彩還原性最好的光源絕大多數(shù)為高色溫光源，以高色溫的熒光燈和LED光源還原性最好。幾個(gè)特例為:

對(duì)紅色彩畫(huà)、黃色彩畫(huà)還原性最好的為三基色熒光燈 (14.80.4000);

對(duì)藍(lán)色油飾還原性最好為金鹵燈 (35.80.3000)。

表7 對(duì)14種試件色彩還原最好和最差光源類型一覽表Table 7 The best and the worst color reproductions of 14 kinds of blocks under different light source

(2)金鹵燈色差值ΔE較大，色彩還原性不如三基色熒光燈和LED光源;

(3)高壓鈉燈和鹵鎢燈色差值ΔE最大，色彩還原性最差;

(4)對(duì)6種彩畫(huà)試塊色彩還原性最好的光源均為熒光燈，與是否是三基色熒光燈沒(méi)有明顯區(qū)別;

(5)對(duì)7種油飾試件色彩還原最好的是三基色熒光燈和高色溫LED光源。

(6)通過(guò)主觀評(píng)價(jià)，基本確定人眼能接受的色差ΔE閾值為3左右。

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