秦 炎，楊曉莉，2*，徐 郁，范小剛

(1.湖北民族學(xué)院 理學(xué)院，湖北 恩施 445000；2.湖北民族學(xué)院科技學(xué)院，湖北 恩施 445000)

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土家織錦顏色在不同照明體下的主波長(zhǎng)和色純度

秦 炎1，楊曉莉1，2*，徐 郁1，范小剛1

(1.湖北民族學(xué)院 理學(xué)院，湖北 恩施 445000；2.湖北民族學(xué)院科技學(xué)院，湖北 恩施 445000)

表征顏色的色品值中，主波長(zhǎng)和色純度的優(yōu)點(diǎn)是能給人以具體的印象，通過分析在6種不同標(biāo)準(zhǔn)照明下織錦顏色信息的主波長(zhǎng)和興奮純度的表現(xiàn)，從物理測(cè)量和視覺感知相結(jié)合的角度，以最佳色彩穩(wěn)定性和最小色差為依據(jù)，獲得差異性最小的一組主波長(zhǎng)與色純度值作為表征織錦顏色的常用色品值數(shù)據(jù)庫(kù).利用分光測(cè)色計(jì)獲取西蘭卡普織錦典型顏色樣本的光譜反射比數(shù)據(jù)，并通過理論計(jì)算，得出樣本色在常用的6種標(biāo)準(zhǔn)照明體下的主波長(zhǎng)與色純度.選用變異系數(shù)來評(píng)價(jià)樣本集的綜合色差值指數(shù)和色彩穩(wěn)定性指數(shù)，并結(jié)合色品圖的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)97.1%的典型樣本色在標(biāo)準(zhǔn)照明體D50下的主波長(zhǎng)和色純度表征值與其他照明體的表征值差異最小，選用標(biāo)準(zhǔn)照明體D50下的主波長(zhǎng)與色純度的數(shù)字信息用以描述西蘭卡普的典型顏色色度信息最為理想，與觀察者感知顏色印象差異性最小.

土家織錦；主波長(zhǎng)；興奮純度；色差；變異系數(shù)

土家織錦在土家語(yǔ)中叫“西蘭卡普”(xilan ka pu)，“西蘭”意為鋪蓋，“卡普”意為花，“西蘭卡普”是以面紗為經(jīng)，多色的絲紗或者毛線為緯，采用“通經(jīng)暗緯，反面挖花”的手法，在原始的木制織機(jī)上反面挑織而成的民間工藝品.土家錦因其種類繁多，造型奇特，編制精湛，被譽(yù)為中國(guó)民族民間四大名錦之首，并于2006年被列入國(guó)家第一批非物質(zhì)文化遺產(chǎn)名錄.傳統(tǒng)的土家織錦全部用植物、礦物等染料手工染色，色彩華麗璀璨.土家語(yǔ)顏色詞的程度表達(dá)方式分為重疊式和附加式兩種，因此土家族人民采用原級(jí)、比較級(jí)和最高級(jí)的語(yǔ)言方式來描述其顏色[1].這種方式導(dǎo)致人們無法準(zhǔn)確的描述織錦的顏色信息.如何將顏色轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量描述土家西蘭卡普的顏色信息，避免顏色傳遞的過程中顏色信息表達(dá)的失真，又同時(shí)能使顏色信息獲取者直觀的感受到顏色是論文需要解決的問題.近年來采用數(shù)字化技術(shù)手段保護(hù)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)成為趨勢(shì)，而土家族非物質(zhì)文化遺產(chǎn)在數(shù)字化方面的應(yīng)用主要集中在普查工作中大量文字和音像資料的儲(chǔ)存，以及后期整理研究工作中成果的數(shù)字化儲(chǔ)存[2]，前人在對(duì)西蘭卡普的研究中以圖案和紋樣居多[3-7]，對(duì)其色彩的研究幾乎是一片空白.其次，在文物保護(hù)和保存的研究工作中，文物顏色的記錄近來更熱衷于用多光譜信息來記錄顏色信息，它主要應(yīng)用于無條件制約的顏色再現(xiàn)應(yīng)用.顏色的本質(zhì)實(shí)際上是不同波長(zhǎng)的光線對(duì)人的眼睛產(chǎn)生的不同的刺激，視網(wǎng)膜上的興奮傳遞到大腦中樞而產(chǎn)生的感覺，是一種心理物理感知量.雖然多光譜信息能夠包含顏色信息，但是人們無法利用它進(jìn)行口頭上的顏色傳遞，無法快速直觀的讀出和感受到多光譜記錄背后隱含的顏色信息.在西蘭卡普色度值記錄和顏色傳遞的過程中，既希望能夠用數(shù)字量準(zhǔn)確的記錄下顏色的物理測(cè)量信息，又希望能夠讓人們能從這種記錄方式直觀的感受到顏色的心理感覺信息.主波長(zhǎng)和色純度值來表示顏色，其優(yōu)點(diǎn)在于這種表示方法能讓人參考光譜色給人以具體的印象，能表明一種顏色的色調(diào)及飽和度的大致情況.因此，本文利用采集的多光譜信息轉(zhuǎn)換為主波長(zhǎng)和興奮純度描述西蘭卡普顏色信息的方法，對(duì)西蘭卡普的顏色信息進(jìn)行記錄和傳遞.并討論這種色度值記錄方法在環(huán)境光源下的影響，給博物館及其他展示場(chǎng)合的光源配備對(duì)人的感知影響分析提供一定的數(shù)據(jù)參考.

圖1 西蘭卡普典型顏色色卡樣品Fig.1 The typical color sample ofXilankapu

圖2 樣本色的光譜反射率Fig.2 Spectral reflectance of samples

1 樣品制備

從相關(guān)的歷史文獻(xiàn)記錄[8-10]及與本地土家織錦藝人的交流探討后，最終確定圖1中的35種顏色樣本為西蘭卡普的典型顏色.樣本由有著30余年紡織經(jīng)驗(yàn)的“西蘭卡普”國(guó)家級(jí)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的優(yōu)秀傳承人用傳統(tǒng)木織機(jī)，以毛藍(lán)色棉線為經(jīng)，黑色棉線為緯，采用“通經(jīng)斷緯”的方式紡織成4 cm×4 cm的色塊，并將民間藝人口述的顏色信息記錄下來，標(biāo)注在圖1中各樣本色塊上.在樣本的制備與顏色名稱確定的過程中發(fā)現(xiàn)，民間藝人對(duì)色塊的顏色描述模棱兩可，需要與其它顏色相近的色塊對(duì)比，然后在顏色詞前加表程度的詞語(yǔ)來區(qū)分兩種顏色相近的色塊(如5號(hào)大紅和19號(hào)棗紅，23號(hào)海藍(lán)和28號(hào)淺藍(lán)等)，并且會(huì)因?yàn)椴煌说牟煌?jīng)驗(yàn)而無法對(duì)顏色進(jìn)行準(zhǔn)確交流，更無法準(zhǔn)確的記錄和傳達(dá)顏色信息.

2 數(shù)據(jù)獲取

實(shí)驗(yàn)中采用日本Konica Minolta公司生產(chǎn)的型號(hào)為CM-2300d的分光測(cè)色計(jì)測(cè)量光譜數(shù)據(jù)，獲取樣品中35種樣本色在360～740 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜反射率信息，每隔10 nm采集一個(gè)樣點(diǎn).為避免底線對(duì)樣本顏色信息的影響，選用各樣本色的純色線團(tuán)進(jìn)行測(cè)量.該設(shè)備以氙燈為光源，由氙燈發(fā)出的光線在積分球的內(nèi)表面發(fā)生散射，均勻的照亮樣品，由樣品表面反射出的與表面法線呈8度角的光線被樣品測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)接收，積分球中散射的光線被光源監(jiān)控系統(tǒng)接收并導(dǎo)向傳感器，兩組光線中波長(zhǎng)在360 nm到740 nm范圍內(nèi)的光線分別被分成10 nm間距的波長(zhǎng)分量，并且各個(gè)分量的光強(qiáng)度的相應(yīng)信號(hào)被輸出到模擬處理電路，通過使用樣品測(cè)量系統(tǒng)與光源監(jiān)控傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)光譜特性的輕微波動(dòng)和光源強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)償.在測(cè)量中通過測(cè)量?jī)纱吻笃骄姆椒p小隨機(jī)噪聲引起的測(cè)量誤差；選取SCE(specular component excluded)模式,即排除鏡面反射光的方法下的測(cè)量數(shù)據(jù)，避免鏡面反射的影響.圖2為各樣本色的光譜反射率曲線.

圖3 顏色主波長(zhǎng)和補(bǔ)色波長(zhǎng)的確定Fig.3 The determination of dominant wavelength and complementary wavelength

3 理論分析

通過儀器測(cè)得的光譜反射率，計(jì)算出各樣本色的三刺激值及色品坐標(biāo)，進(jìn)一步通過Matlab編程計(jì)算出各樣本色的主波長(zhǎng)與興奮純度.由于顏色的主波長(zhǎng)的興奮純度跟照明體有關(guān)，所以選用6種常用標(biāo)準(zhǔn)照明體(A，C,D50,D55，D65，D75)[11]，分別計(jì)算出各樣本色在每種照明體下的主波長(zhǎng)與興奮純度，然后通過每種樣本色在6種照明體下的色差比較，選擇使樣本色的色彩穩(wěn)定性最好的照明體所對(duì)應(yīng)的那組主波長(zhǎng)和興奮純度用以描述各樣本色的顏色信息.

根據(jù)分光測(cè)色計(jì)測(cè)得的樣本色在360 nm到740 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，以10 nm為間隔的各個(gè)波段的光譜反射率，通過以下公式計(jì)算出各樣本色的三刺激值[12]:

(1)

Φ(λ)稱為顏色刺激函數(shù)，即進(jìn)入人眼產(chǎn)生顏色感覺的光能量.

Φ(λ) =ρ(λ)·S(λ)

(2)

ρ(λ)為物體的光譜反射比；S(λ)為照明光源的相對(duì)光譜功率分布.

由式(1)計(jì)算出物體顏色的三刺激值后，由式(3)計(jì)算出物體的色品坐標(biāo)[12]：

(3)

每種顏色在色品圖上都有一組色品坐標(biāo)與之對(duì)應(yīng)，每個(gè)色品點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的主波長(zhǎng)和色純度[12-13].

一種顏色S1的主波長(zhǎng)(dominant wavelength)，指的是某一種單色光刺激的波長(zhǎng),用符號(hào)λd表示.這種單色光刺激按一定比例與一種規(guī)定的無彩色刺激相加混合，能匹配出顏色S1.這種無彩色刺激在色品圖上的位置稱為白點(diǎn)，以O(shè)表示.

但是，并不是所有的顏色都有主波長(zhǎng),色品圖中連接白點(diǎn)和光譜軌跡兩端點(diǎn)所形成的三角形區(qū)域內(nèi)各色品點(diǎn)都沒有主波長(zhǎng).因此引入補(bǔ)色波長(zhǎng)(complementary wavelength)這個(gè)概念.用以表示用主波長(zhǎng)區(qū)域的顏色，一種顏色S2的補(bǔ)色波長(zhǎng)是指某一種單色光刺激的波長(zhǎng)，此波長(zhǎng)的光譜色與適當(dāng)比例的S2相加混合，能匹配出某一種規(guī)定的無彩色刺激(白光).補(bǔ)色波長(zhǎng)用符號(hào)λc表示.

興奮純度(excitation purity)是用CIEx10-y10色品圖上兩個(gè)線段的長(zhǎng)度比率來表示的.第一線段是由白點(diǎn)到樣品點(diǎn)的距離OS1(見圖3)，第二線段是由白點(diǎn)到主波長(zhǎng)點(diǎn)的距離OL.如果以符號(hào)Pe表示興奮純度，則Pe=OS1/OL；對(duì)補(bǔ)色波長(zhǎng)的點(diǎn)：Pe=OS2/OP.一種顏色的興奮純度表示了主波長(zhǎng)的光譜色被白光沖淡的程度，實(shí)質(zhì)上是表示了主波長(zhǎng)光譜色的三刺激值在樣品三刺激值中所占的比值.可用下面公式表示：

(4)

式(4)中，Xλ，Yλ，Zλ為主波長(zhǎng)光譜色的三刺激值,X10,Y10,Z10為樣品色的三刺激值.

Pe也可用色品坐標(biāo)來計(jì)算:

(5)

式(5)中,x10,y10為樣品的色品坐標(biāo)；xn，yn為白點(diǎn)的色品坐標(biāo)；xd，yd為光譜軌跡上(主波長(zhǎng)時(shí))或連接光譜兩端的直線紫紅軌跡上(補(bǔ)色波長(zhǎng)時(shí))的色品坐標(biāo).

4 數(shù)據(jù)分析與討論

4.1 主波長(zhǎng)與興奮純度的數(shù)值比較

鑒于織物色彩表征與再現(xiàn)過程中照明體種類的多樣性，織物顏色的主波長(zhǎng)和興奮純度會(huì)因選用的照明體的不同而出現(xiàn)不同的結(jié)果，因此通過Matlab編程計(jì)算出了樣本色在6種常用標(biāo)準(zhǔn)照明體下的主波長(zhǎng)與興奮純度的數(shù)值[14-15].圖4給出6種常用照明體下每種樣本色主波長(zhǎng)與興奮純度的對(duì)比.

(a)主波長(zhǎng) (b)補(bǔ)色波長(zhǎng) (c)興奮純度圖4 樣本色在不同照明體下的主波長(zhǎng)、補(bǔ)色波長(zhǎng)和興奮純度對(duì)比Fig.4 The dominant wavelength，complementary wavelength and excitation purity of sample under different illuminant

由圖4(a)，4(b)可以看出，雖然一部分樣品顏色因?yàn)閳D的比例的關(guān)系，主波長(zhǎng)幾乎重合，差距不明顯，但仍然有主波長(zhǎng)差距較大的樣品色，如3號(hào)樣品色在照明體A下只有補(bǔ)色波長(zhǎng)，而在其余光源下都有主波長(zhǎng)，21號(hào)樣品色只有在照明體D75下有主波長(zhǎng)，在其余照明體下只有補(bǔ)色波長(zhǎng).由圖4(c)看出，每種樣本色在不同照明體下的興奮純度差距明顯.

4.2 色品圖分析

為了選取使樣本色的穩(wěn)定性最好的那種照明體所對(duì)應(yīng)的主波長(zhǎng)與色純度，應(yīng)以多種照明體變換條件下樣本色的綜合恒常性為依據(jù).將使樣本色的色彩穩(wěn)定性最好的照明體記為參考照明體.圖5給出35種樣本色在6種照明體下的色品分布.

(a)照明體A；(b)照明體C；(c)照明體D50；(d)照明體D55；(e)照明體D65；(f)照明體D75圖5 樣本色在不同照明體下的色品分布Fig.5 The chromaticity diagram of the sample under different illuminant

由圖5中的色品分布可知，照明體A下的色品分布相對(duì)較集中，整體偏右，與其它5種照明體下的分布差距明顯，不適宜作參考照明體.其余5種照明體下的色品分布相似，需進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)來確定參考照明體.

為此，采用CIE 1976 LAB色差公式[16-17]，分別計(jì)算出樣本色在照明體C,D50,D55，D65，D75下與其它5種照明體下的色差值，用以評(píng)價(jià)每種樣本色的色彩恒常性.CIE1976L*a*b*均勻色空間的三維坐標(biāo)L*，a*，b*的計(jì)算公式如下：

(6)

式(6)中，

(7)

其中X10，Y10，Z10為顏色樣品的三刺激值；Xn，Yn，Zn為指定的白色刺激的三刺激值.

4.3 色差對(duì)比分析

CIE 1976L*a*b*均勻色空間中求兩個(gè)顏色的色差公式為：

(8)

(a) (b) (c)

(d) (e)(a)C和其余照明體；(b)D50和其余照明體；(c)D55和其余照明體；(d)D65和其余照明體；(e)D75和其余照明體圖6 樣本色在不同照明體下的色差Fig.6 Color differences of sample between different illuminant

圖7 樣本色在各照明體下的變異系數(shù)對(duì)比Fig.7 CV of sample under different illuminant

圖6給出了樣本色在某種選定照明體與其余5種照明體下的色差對(duì)比，用以衡量樣本色在照明體C,D50,D55,D65,D75下的色彩恒常性.由圖可看出樣本色在每種照明體下的色彩恒常性確有差異，其樣本的整體差異性采用變異系數(shù)來評(píng)價(jià).

變異系數(shù)(coefficient of variation，CV)是反應(yīng)總體各單位觀察值的差異程度或離散程度的指標(biāo)[18].當(dāng)需要比較兩組數(shù)據(jù)離散程度大小的時(shí)候，如果兩組數(shù)據(jù)的測(cè)量尺度相差太大，或者數(shù)據(jù)量綱的不同，直接使用標(biāo)準(zhǔn)差來進(jìn)行比較不合適，此時(shí)就應(yīng)當(dāng)消除測(cè)量尺度和量綱的影響，而變異系數(shù)可以做到這一點(diǎn)，它是標(biāo)準(zhǔn)差與其平均數(shù)的比.即:

(9)

CV雖然沒有量綱，但是按照其均數(shù)大小進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，這樣就可以進(jìn)行客觀比較了.因此，可以認(rèn)為變異系數(shù)是反映數(shù)據(jù)離散程度的絕對(duì)值.其數(shù)據(jù)大小不僅受變量值離散程度的影響，而且還受變量值平均水平大小的影響.

由圖7可得，每種樣本色在除照明體A外的5種照明體下對(duì)應(yīng)5個(gè)變異系數(shù)中，10號(hào)樣本色變異系數(shù)的最小值在照明體C下取得，其余34種樣本色的變異系數(shù)均在照明體D50下取得最小值.

通過對(duì)每種樣本色變異系數(shù)的比較發(fā)現(xiàn)，除了10號(hào)樣本色在照明體C下的變異系數(shù)最小外，其余34種樣本色均在照明體D50下的變異系數(shù)最小，有97.1%的樣本色在照明體D50下的色彩穩(wěn)定性最好，故應(yīng)選用照明體D50為參考照明體.表1為35種樣本色在照明體D50下的主波長(zhǎng)與興奮純度.

表1 樣本色在照明體D50下的主波長(zhǎng)(補(bǔ)色波長(zhǎng))與興奮純度Tab.1 Dominant wavelength(complementary wavelength) and excitation Purity of sample under illuminant D50

5 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)分析35種樣本色在6種常用標(biāo)準(zhǔn)照明體下的色品值在色品圖上的分布以及樣本色在6種常用標(biāo)準(zhǔn)照明體之間的色差值，對(duì)于有紋理的紡織品樣本色的主波長(zhǎng)與興奮純度在標(biāo)準(zhǔn)照明體D50下具有最小的相對(duì)色差性，其感知顏色的穩(wěn)定性和色差值最接近6種常用照明下色度值計(jì)算結(jié)果的平均水平，故選用標(biāo)準(zhǔn)照明體D50下的主波長(zhǎng)與興奮純度用以描述土家織錦的典型顏色信息最為理想.

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責(zé)任編輯：時(shí) 凌

Dominant Wavelength and Color Purity of Tujia Brocade Color under Different Illuminants

QIN Yan1，YANG Xiaoli1，2*，XU Yu1，F(xiàn)AN Xiaogang1

(1.School of Science，Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China;2.Science and Technology College of Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China)

Dominant wavelength and excitation purity can make specific impression on observers when they are used to represent chromaticity.From the perspective of combining physical measurement with visual perception,the dominant wavelength and excitation purity of Tujia Brocade color were analysed under six kinds of illuminants.Based on the best color stability and the minimum color difference,we get a set of dominant wavelength and excitation purity as the frequently-used chromaticity database to describe Tujia brocade color.The color spectral reflectance of Xilankapu was acquired by a spectrophotometer,and the dominant wavelength and excitation purity of every color sample was calculated under 6 kinds of standard illuminant. After comparing coefficient of variation and referring to the distribution of color samples in the chromaticity diagram under different illuminants,the result shows that 97.1% of typical color samples perform minimum difference when it is under illuminant D50. Therefore,using the dominant wavelength and excitation purity under illuminant D50 to describe the typical color information for Xilankapu is the best model,and there is minimum difference with observer′s impression.

Tujia brocade；dominant wavelength；excitation purity；color difference；coefficient of variation

2016-10-31.

湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃指導(dǎo)性項(xiàng)目(B2015109)；湖北民族學(xué)院科技學(xué)院科研課題(KJZ201607)；湖北民族學(xué)院科技學(xué)院校級(jí)重點(diǎn)教學(xué)研究項(xiàng)目(KJY201402)；湖北民族學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(2015Z002).

秦炎(1994- )，男，碩士生，主要從事應(yīng)用光學(xué)研究;*

楊曉莉(1982- )，女，博士生，講師，主要從事多光譜技術(shù)及顏色科學(xué)方面的研究.

1008-8423(2016)04-0402-06

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2016.12.010

O432.2

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