翟其彥 ，羅 明,2

(1.浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027；2.利茲大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院，利茲 LS29JT，英國(guó))

博物館LED照明的顯色質(zhì)量對(duì)繪畫作品的視覺影響

翟其彥1，羅 明1,2

(1.浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027；2.利茲大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院，利茲 LS29JT，英國(guó))

彩色繪畫作品常用來(lái)研究博物館LED照明的顯色質(zhì)量。近幾年來(lái)，我們?cè)O(shè)計(jì)執(zhí)行了一系列相關(guān)的心理物理實(shí)驗(yàn)，對(duì)照度、色溫、顯色性(色彩保真度)以及色域大小和形狀不同的LED照明進(jìn)行了研究，數(shù)據(jù)結(jié)果與國(guó)際其他研究團(tuán)隊(duì)相關(guān)成果進(jìn)行了比較。博物館照明的最適宜色溫可總結(jié)為 3 000 K 至 4 000 K 之間。照明的色彩保真度和色域都對(duì)畫作的視覺效果有顯著的影響。光譜可調(diào)的照明方式成為趨勢(shì)。

博物館照明；LED 照明；顯色質(zhì)量；照度；相關(guān)色溫；顯色性；色域

引言

LED光源以節(jié)能環(huán)保、光譜可控等傳統(tǒng)鹵素?zé)?、熒光燈無(wú)法比擬的優(yōu)異特性，在博物館照明中得到了廣泛的推廣，成為極具潛力的新一代博物館、美術(shù)館照明光源。自2010年以來(lái)，國(guó)際學(xué)術(shù)范圍內(nèi)關(guān)于LED照明應(yīng)用在博物館中的顯色質(zhì)量問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)和討論頻出，博物館LED照明的可行性得到了一定的驗(yàn)證[1]。LED照明由于其光譜多樣可調(diào)， 其照度、色溫、色品、顯色性、保真度、色域大小、色域形狀等指標(biāo)均可以分別優(yōu)化，光色質(zhì)量難以規(guī)范和量化，影響實(shí)際應(yīng)用中對(duì)彩色物體照明時(shí)色彩還原的質(zhì)量[2]；而當(dāng)照明對(duì)象為文物或藝術(shù)展品時(shí)，其顯色質(zhì)量的影響更加敏感。最直接的佐證是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的現(xiàn)行顯色性標(biāo)準(zhǔn)CIE-Ra的計(jì)算方法[3]已經(jīng)不適應(yīng)LED光譜特性[4]；通過(guò)特殊的優(yōu)化方法，實(shí)際顯色效果較差的LED光譜也可以達(dá)到很高的Ra指數(shù)，對(duì)工業(yè)的規(guī)范造成了一定困擾。本文將介紹作者所在實(shí)驗(yàn)室自2012年以來(lái)關(guān)于博物館LED照明顯色質(zhì)量的一系列心理物理實(shí)驗(yàn)及其結(jié)論，以及近年來(lái)國(guó)際范圍內(nèi)的相關(guān)研究結(jié)果，從學(xué)術(shù)討論的角度為新一代博物館照明應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)提供有效的建議和理論支持。

1 LED照明的顯色質(zhì)量

1.1 定義

在LED照明廣泛應(yīng)用之前，照明光源的顯色性(Colour Rendering)定義為彩色樣品在此光源下的顏色與在標(biāo)準(zhǔn)光源(黑體輻射或者日光)下的色差[3]，其色差越小，顯色性越好；也就是說(shuō)物體顏色越接近日光下的效果，光源的顯色性越好。根據(jù)這個(gè)定義，國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)推薦使用的顯色性指數(shù) CIE-Ra即為100減去8個(gè)選定標(biāo)準(zhǔn)色樣在測(cè)試光和標(biāo)準(zhǔn)光下的色差[3]。光譜多變的LED照明的廣泛使用使得CIE-Ra及其補(bǔ)充顯色指數(shù)R9～R15都不再適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用[4]，各國(guó)研究人員開始探討新的評(píng)價(jià)LED照明光源顯色質(zhì)量的方法。這些評(píng)價(jià)方法主要分為三種[2，5]：保真性(Colour Fidelity)、色域大小(Colour Gamut Size)、記憶色(Memory Colour)。保真性的評(píng)價(jià)方法與原有的顯色性指數(shù)類似，很多研究在 CIE-Ra的基礎(chǔ)上擴(kuò)充了計(jì)算使用的樣品集并更換了計(jì)算色差的均勻色彩空間和色差公式。這些研究[6]最終促使北美照明協(xié)會(huì)(IES)和國(guó)際照明委員會(huì)的 TC1-90 技術(shù)委員會(huì)推出了新的顯色性(保真性)指數(shù)IES-TM30-Rf，這個(gè)指數(shù)現(xiàn)被推薦和 CIE-Ra并行使用。新的指數(shù)比CIE-Ra計(jì)算較復(fù)雜但較為合理，在可見光譜范圍內(nèi)能更好地反映照明光源真實(shí)的視覺顯色質(zhì)量。

由于LED的光譜特性，單一的保真性指數(shù)并不能完全體現(xiàn)光源的顯色特性。目前，CIE TC1-91 技術(shù)委員會(huì)開始著手制定更廣泛的多維度的顯色質(zhì)量參數(shù)。其中光源的色域是一個(gè)重要的可測(cè)量特征。照明光源的色域(Colour Gamut)指的是不同色調(diào)(Hue)的彩色樣品在測(cè)試照明光源下的顏色在某個(gè)色彩空間里圍成的平面(或立體)的區(qū)域；對(duì)于同樣的彩色物品，光源色域面積(體積)越大，顯色就越鮮艷。色域大小指數(shù)在大部分研究中的計(jì)算方法為色樣在測(cè)試光源下的色域與在測(cè)試光源下的色域的比值(百分比)[6]。然而除了大小以外，色域的形狀對(duì)光源真實(shí)的顯色質(zhì)量也有很大影響[2]，后文將詳細(xì)描述這些效應(yīng)。CIE TC1-91 技術(shù)委員會(huì)關(guān)注的另一種計(jì)算方法是記憶色(Memory Colour)，原理是將常見果蔬等日常熟悉物品的顏色作為參考衡量光源的顯色質(zhì)量[7]，其計(jì)算方法與保真性類似，本文不再贅述。

在對(duì)一般物體色的照明品質(zhì)評(píng)價(jià)中，評(píng)價(jià)這些顯色質(zhì)量參數(shù)和視覺的匹配程度。在大量實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用了很對(duì)心理物理詞條來(lái)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，例如“舒適”、“自然”等[8]。較一致的觀點(diǎn)是，這些主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)可以總結(jié)為三個(gè)維度：“自然度”(Naturalness)、“喜好度”(Preference)、“鮮艷度”(Colourfulness)[9]；在博物館LED照明應(yīng)用中又可以總結(jié)為兩個(gè)維度：“清晰度”(Visibility)，“暖度”(Warmth)。通過(guò)整理這些維度下的視覺實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們可以測(cè)試各個(gè)顯色質(zhì)量參數(shù)的優(yōu)劣[10]。

1.2 影響博物館LED照明顯色質(zhì)量的物理參數(shù)

從博物館(或美術(shù)館，下從簡(jiǎn)省略)的功能出發(fā)考慮，一般有三項(xiàng)基本功能需要對(duì)照明的光色質(zhì)量提出較高要求：一是展覽功能，其要求照明對(duì)展品達(dá)到一個(gè)較高的清晰度(Visibility)，這個(gè)要求和照明的照度、保真度、色域均有關(guān)系；二是對(duì)文物或藝術(shù)品的保存維護(hù)功能，這需要照明對(duì)目標(biāo)物品的光致?lián)p傷達(dá)到最低，而傳統(tǒng)光源(如鹵素?zé)簟晒鉄?中的紫外和紅外光譜成分是危害最大的，相比之下LED光源則可以較方便地調(diào)控光譜以減少有害波段；三是研究教育功能，例如修護(hù)師或文物研究者在工作臺(tái)環(huán)境下的照明需求，需要照明達(dá)到最大的保真度。作者所在實(shí)驗(yàn)室近年來(lái)通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)證明，影響博物館LED照明顯色質(zhì)量的光譜特性參數(shù)，除了上述保真度指數(shù)(顯色性指數(shù))和色域(色域大小和形狀)相關(guān)指數(shù)以外主要還有有照度和色溫(或者描述為光源的色品)。

2 博物館LED照明中照度與色溫的舒適區(qū)域

發(fā)表于1941年的Kruithof舒適度區(qū)域[11]是照明領(lǐng)域最早的色溫和照度舒適度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)論為低照度的低色溫光源和高照度的高色溫光源被認(rèn)為是舒適的照明(見圖1)。這是一組年代非常久遠(yuǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，長(zhǎng)期以來(lái)受到不少質(zhì)疑和抨擊，但是其實(shí)驗(yàn)方法非常有借鑒意義，即以CCT(相關(guān)色溫)和照度為坐標(biāo)定義一個(gè)舒適區(qū)域；這也是近年來(lái)流行的一種表示照度和色溫匹配關(guān)系的方法。

美術(shù)畫作因?yàn)槠渖守S富程度較高，常用來(lái)作為相關(guān)實(shí)驗(yàn)的樣品。作者所在室驗(yàn)室(浙江大學(xué)羅明教授研究組)在2012年至2015年之間先后進(jìn)行了若干心理物理實(shí)驗(yàn)[12-13]，尋找博物館LED照明對(duì)美術(shù)畫作最適宜的照度和色溫(色品)。在一個(gè)模擬美術(shù)館的環(huán)境中我們通過(guò)多通道LED混光系統(tǒng)進(jìn)行照明，設(shè)置了了三個(gè)照度水平、五個(gè)色溫水平、三個(gè)顯色性水平和兩個(gè)Duv(光源色品在CIE1960色品圖上離開黑體輻射線的最短距離)水平。我們使用中國(guó)美院學(xué)生習(xí)作的六幅水粉和油畫為樣品，邀請(qǐng)二十四名被試參與這些實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，照度越高被試的大部分評(píng)價(jià)都越好，但是照度200 lx至800 lx評(píng)價(jià)提升不明顯；與此同時(shí)，很多評(píng)價(jià)指標(biāo)是隨著色溫的升高而下降的，大部分的被試偏愛低色溫的照明條件，3 000 K 至 4 000 K是一個(gè)比較受喜歡，或者視覺舒適度比較高的色溫區(qū)間，會(huì)讓人感覺到畫面更加的舒適和明亮。另外，當(dāng)光源的Duv為負(fù)值時(shí)，評(píng)價(jià)值要略微好于黑體輻射線上的光源；也就是說(shuō)略微比同色溫的黑體輻射光源偏粉紅的光源被被試給予了更高評(píng)價(jià)。結(jié)果表明所有的評(píng)價(jià)指標(biāo)可以歸結(jié)為兩個(gè)維度：“清晰度”(Visibility)和“暖度”(Warmth)；前者表征了被試在觀察時(shí)候的視覺舒適程度，和色溫、照度均有關(guān)系，200 lx以下時(shí)照度的提升對(duì)“清晰度”的提升有很大幫助；后者與視覺的色調(diào)或紋理質(zhì)感有關(guān)，受色溫影響大。

同樣時(shí)期，臺(tái)灣科技大學(xué)的研究者分別在特制燈箱和真實(shí)美術(shù)館里進(jìn)行了兩組類似的實(shí)驗(yàn)[14]，得到了類似的“清晰度”和“暖度”的結(jié)論；日本東京科技大學(xué)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)[15]得到“清晰度”和“質(zhì)感”兩個(gè)維度，和我們的結(jié)果吻合。而在歐洲，匈牙利一個(gè)研究組做了大量相關(guān)實(shí)驗(yàn)[16]，尋找博物館LED照明的最適宜參數(shù)條件，他們發(fā)現(xiàn)保證畫作顯色效果的最佳色溫是5 500 K，適宜照度為200 lx，而被試最喜好的色溫時(shí)4 200 K。另一個(gè)葡萄牙研究組[17]的結(jié)論則為色溫 5 700 K。近年，另一個(gè)國(guó)內(nèi)研究[18]使用了較多種類的畫作作為樣品，發(fā)現(xiàn)針對(duì)一般日常彩色物品最被喜好的色溫約在4 500 K左右，而針對(duì)文物或藝術(shù)品則在 3 500 K 至 4 000 K 之間。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明東西方對(duì)色溫喜好性有明顯差異。亞洲較喜好軟色溫，歐美喜好偏冷的色溫甚至自然日光的色溫。

綜合上述國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)結(jié)果，博物館LED照明的照度不適合低于200 lx，在不考慮光致?lián)p傷的前提下，200 lx至400 lx較為合適；但由于對(duì)光致?lián)p傷敏感的文物不適宜在過(guò)高曝光下展出，實(shí)際應(yīng)用中可以犧牲“清晰度”，降低照度，“清晰度”的損失和照度的降低正相關(guān)。博物館LED照明的適宜色溫和照度、展品內(nèi)容、觀眾文化背景等都有關(guān)系。根據(jù)這個(gè)照度和色溫舒適區(qū)域的理論[13，19]，照度200 lx至800 lx，色溫3 000 K 至6 000 K 都是實(shí)際可選范圍(見圖1)。綜合考慮到國(guó)內(nèi)大部分藝術(shù)展品類型和照度限制，色溫控制在 3 000 K 至 4 000 K 之間較為合理。博物光照明燈具可依文化、區(qū)域、畫種不同具有可調(diào)性。

圖1 Kruithof舒適度區(qū)域(無(wú)陰影區(qū)域)和綜合國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果的博物館照明照度和色溫舒適區(qū)域(方框)Fig.1 The Kruithof pleasing area (unshaded area) and the comfort zone for museum lightings concluded from worldwide researches(rectangles)

3 博物館LED照明的色彩保真度和色域

3.1 實(shí)驗(yàn)

為了研究LED照明的保真度和色域?qū)L畫作品的視覺影響，我們使用多通道LED混光照明系統(tǒng)進(jìn)行了一個(gè)心理物理實(shí)驗(yàn)。五幅中國(guó)藝術(shù)家的繪畫作品被依次放置于特制的燈箱中，它們分別為一幅靜物油畫、一幅肖像油畫、一幅風(fēng)景油畫、一幅風(fēng)景水彩畫和一幅人物水彩畫。燈箱的照明一共有十五種，它們被分為三組不同色溫(3 500 K，4 500 K，5 700 K)，組內(nèi)的每一個(gè)照明的CCT、Duv、照度等基本參數(shù)都一致；每個(gè)色溫小組里至少一個(gè)高保真度大色域的照明、一個(gè)高保真度小色域的照明、一個(gè)一個(gè)低保真度大色域的照明、一個(gè)低保真度小色域的照明(4 500 K的小組里保真度有高、中、低三個(gè)水平)。另外，在4 500 K的小組中，還有兩個(gè)高保真度和色域大小都幾乎一致但色域形狀不同的照明；圖2左側(cè)的照明光源是黃藍(lán)(紫)方向長(zhǎng)軸的橢圓色域，使黃藍(lán)(紫)顏色的彩度得到擴(kuò)展而紅綠方向的顏色變得不鮮艷；圖2右側(cè)的照明光源則相反，其為紅綠方向長(zhǎng)軸的橢圓，使得紅綠的顏色的彩度得到提高而黃藍(lán)顏色彩度下降。在這里，我們使用IES-TM30-Rf(以下簡(jiǎn)寫為Rf)作為保真度的表征指數(shù)，使用IES-TM30-Rg(以下簡(jiǎn)寫為Rg)作為色域大小的表征指數(shù)，使用IES-TM30中的色樣在CAM02-UCS[20]中的區(qū)域平均色域形狀作為照明光源色域形狀的表征[6]。

總計(jì)14名被試參與到實(shí)驗(yàn)中，他們對(duì)每個(gè)色溫適應(yīng)一分鐘后，按隨機(jī)順序兩兩對(duì)比組內(nèi)的每個(gè)照明對(duì)每幅畫作的視覺效果，并不斷的選出更喜好的一個(gè)照明。每個(gè)照明被選擇的頻率被換算為統(tǒng)計(jì)學(xué)上的標(biāo)準(zhǔn)分(z-score)，通過(guò)比較不同參數(shù)的照明之間的標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)大小，我們可以知道這些參數(shù)對(duì)繪畫作品的視覺影響。

3.2 結(jié)果與討論

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)驗(yàn)得到以下一些結(jié)論：①對(duì)于三副油畫作品，被試喜歡色域略大的照明而不夸張失真；②實(shí)驗(yàn)中除了風(fēng)景水彩畫，對(duì)其余四幅畫被試都更傾向選擇高保真度的照明；③被試對(duì)油畫樣品的判斷一致性比對(duì)水粉畫更高；④照明的色域形狀對(duì)水粉畫有很大的視覺影。為了更清晰地了解照明色域改變對(duì)畫作視覺效果的影響，我們使用光譜輻射度計(jì)測(cè)量了每幅畫畫面上的代表顏色區(qū)域在不同實(shí)驗(yàn)照明下的顏色，并將其計(jì)算到CAM02-UCS顏色空間中?？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中使用的風(fēng)景水彩畫，照明色域形狀不同對(duì)其顏色的改變比照明色域大小和保真度的改變還要大，并超出了人眼恰可見色差的兩倍以上；這表明，不同的顯色質(zhì)量參數(shù)包括色域形狀在內(nèi)，對(duì)畫感覺都會(huì)有顯著改變，這和其他學(xué)者關(guān)于色域形狀的研究結(jié)論吻合[21]；在博物館LED照明應(yīng)用中僅靠保真度指標(biāo)(如CIE-Ra或Rf)和色域大小指標(biāo)(如Rg)，不能完全表征照明的顯色質(zhì)量；照明的色域形狀顯著影響了繪畫作品的畫面顏色，應(yīng)該引入相關(guān)參數(shù)來(lái)表征色域形狀的變化。

圖2 實(shí)驗(yàn)中使用的保真度(Rf)和色域大小(Rg)幾乎一致但色域形狀不同的兩個(gè)照明光源，IES-TM30色樣在其照明下的顏色在CAM02-UCS中的呈現(xiàn)的色域形狀；圖中圓形為參考光源的基準(zhǔn)色域Fig.2 Two lightings in the experiment with similar colour fidelity (Rf) and colour gamut size (Rg) but different gamut shapes (Colour samples of IES-TM30 in CAM02-UCS); The circles on the figure are the baseline of the colour gamut based on reference light sources

4 對(duì)博物館LED照明規(guī)范的建議

近年來(lái)國(guó)內(nèi)博物館掀起照明更新?lián)Q代的熱潮，LED的使用帶來(lái)了很多不規(guī)范的問(wèn)題。為了使國(guó)內(nèi)博物館能更科學(xué)地應(yīng)用LED照明，這里從顯色質(zhì)量方面為相關(guān)規(guī)范提出建議，也為今后國(guó)內(nèi)和國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的更新提供參考：①博物館LED照明的照度遵循保護(hù)優(yōu)先的準(zhǔn)則[22]，在無(wú)須考慮曝光保護(hù)的前提下高于200 lx的照明效果更好；②博物館LED照明的色溫根據(jù)展品和文化背景設(shè)定，最適宜的范圍是3 000 K至4 000 K之間；③博物館LED照明的保真性推薦使用Rf進(jìn)行計(jì)算，展名照明的Rf值應(yīng)該保證大于90；④博物館LED照明的色域?qū)傩詰?yīng)逐步加入考慮，可以使用Rg進(jìn)行色域大小的表征，輔助判斷照明的顯色質(zhì)量；⑤未來(lái)的博物館照明，應(yīng)可針對(duì)參觀者、作者、畫種等文化背景的光譜可調(diào)式照明系統(tǒng)。

致謝： 感謝中國(guó)美院的宋建明教授和臺(tái)灣科技大學(xué)為實(shí)驗(yàn)提供畫作樣品；感謝國(guó)家博物館的艾晶女士為我們提供實(shí)地調(diào)研考察的機(jī)會(huì)。

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How Colour Qualities of LED Lightings in A Museum Affect the Visual Impacts of Paintings

ZHAI Qiyan1， LUO Ming1,2

(1.StateKeyLaboratoryofModernOpticalInstrumentation,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027China; 2.SchoolofDesign,LeedsUniversity,LeedsLS29JT,UK)

Colorful paintings were widely used to study the colour quality of museum LED lightings. Several psychophysical experiments were conducted in recent years, to study the colour appearance and the observer preference on paintings under LED lightings with various illuminance levels, colour temperatures, colour fidelity levels, and sizes and shapes of colour gamut. The results were compared with other researchers’ worldwide. The optimal colour temperature for museum lightings was found to be very culture dependent. In Asia, it was found between 3 000 K and 4 000 K. The colour fidelity and the colour gamut of LED lightings have significant effect on the visual perception on painting. It all points toward a spectrum tunable lighting system for illuminating fine art paintings.

museum lighting; LED lighting; colour quality; illuminance; CCT; colour fidelity; colour gamut

TM923.01

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.04.003