中国古建筑色彩的夜景表现实验研究

张明宇 王立雄 苏晓明

(1.天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072;2.内蒙古工业大学建筑学院，内蒙古呼和浩特 010051)

中国古建筑存在了上千年，人们在长期的审美意识中已经对日间古建筑自身的色彩特征形成了深刻的印象，而夜景中在如何对古建筑色彩进行较好地表达，符合人们对古建筑的认知习惯，即夜景中古建筑的“原真性”。在此方面目前尚无针对性地依据和应用建议。

本文研究计划结合古建筑自身浓厚的色彩特征，并结合照明中常用的光源色彩表现特性进行综合性的夜间色彩表现评价研究，以期在中国古建筑照明应用研究中得到初步研究结论，为古建筑照明合理的色彩表达提供理论依据。

1 中国古建筑色彩特征

1.1 中国古建筑色彩的形成

《营造法式》对中国古建筑的用色有过这样的描述:“色调以蓝、绿、红三色为主，间以墨、白、黄。凡色之加深或减浅，用叠晕之法。其方法亦自唐至清所通用也。”［1］

中国古建筑的色彩不仅仅作为装饰，而首先是基于对建筑基本构件的保护功能需要而存在的，是基于传统建筑采用木构架的基本特点而产生的。其色彩不仅反映着当时人们的艺术欣赏水平和用色的考究程度，而且对于建筑的彩画有着规定和要求，建筑的色彩和彩画，也演变成是建筑等级的表现手段，体现着社会等级制度和建筑文化的内容。其色彩及其描绘的场景已远远超出了视觉和艺术的范畴，从一定意义来说是中国文化的部分载体。在其中统一了色彩表现的美学、文化内涵、建筑的功能属性等诸多要素，成为中国古建筑在世界建筑艺术中的鲜明特色，见图1。

1.2 古建筑各部分构件色彩特征

通过传统建筑色彩的研究文献查阅，得出古建筑各部分色彩分布的基本规律特征:

屋顶色彩中分为:黄色 (尤其是明黄)琉璃瓦、黄绿混合 (剪边)、绿色、绿灰混合、灰色陶瓦。

建筑物墙身色彩:主要有红、绿、棕等色。

构件色彩:

梁枋、斗拱、椽头彩画色调以青、绿为主，间以金、红、黑等色;

柱子:红色、绿色为主。

而上述各部分建筑色彩是作为建筑等级表现而搭配使用的。北京故宫的建筑色彩的搭配就体现了这一点，见图2。在蓝天下用黄琉璃瓦顶搭配青绿色的彩画和大红的宫墙、柱子与门窗，造成了宫殿建筑庄严而又雄伟的总体色彩效果。

图2 故宫建筑色彩形象Fig.2 Imperial Palace color

2 夜景照明技术中的光色

现在，不同光源其基本的色彩表现特性，如色温和光源显色性等，已经有多样化的选择，这些参数也已经成为照明厂商进行产品质量控制和标定产品特性的基本参数。对于古建筑照明来说，探讨其照明效果，不得不将照明光源中的色温、显色性指标纳入进来。色温是衡量光源色的指标，而显色性是衡量光源视觉质量的指标。假若光源色处于人们所习惯的色温范围内，则显色性应是光源质量的更为重要的指标。这是因为显色性直接影响着人们所观察到的物体的颜色。

表1所列的是国际照明委员会 (CIE)推荐的光源基本特征与技术参数指标。

表1 国际照明委员会 (CIE)推荐的光源基本特征与技术参数Table 1 Light source characteristics and technical parameters recommended by the International Commission Illumination(CIE)

通过对不同光源的了解，使用不同光源，既可以达到如实还原建筑本来面貌，也可以实现改变建筑本来的色彩，这是夜间照明区别于日光的重要特征。此外，多种新光源和照明技术的发展，照明的光色使用问题愈来愈突出。不同光源的色温和显色情况不同，古建筑照明中采用，其结果往往使物体失去“真实”的颜色，或效果相去甚远。

3 古建筑夜景色彩表现实验

古建筑上的油饰、彩画一般分布在建筑物的主体立面部分，这一部位由于其丰富的细节成为了人们视看的主视线集中地，成为古建筑色彩组成的最重要表现部分，下面就以古建筑的油饰、彩画的常用颜色作为实验的对象来具体研究。

3.1 实验方案

实验目的:

为在夜景条件下实现彩画的最接近“原真性”的表达，因此本实验中选用与太阳光色和光谱最为接近的D65光源作为实验参照光源，并同时选用了其他12种对比光源。我们将不同光源与彩画、油饰试件在实验室条件下进行一一照明，并对试件进行色坐标测试，通过实验处理并最终计算出不同试件在12种光源下的色差值，借以评价出不同光源类型对不同彩色、油饰试件的表达的差异和优劣。

实验方法:

本文拟采用客观数据测试和主观评价相结合的实验方式进行综合研究。

实验过程如下:

(1)选取实验对象

按照古建筑彩画传统做法制作的古建筑常用具有代表性的色彩实体色块试件和油饰试件。试件尺寸:12cm×12cm×5cm木块。彩画计6块:颜色分别为红色、绿色、蓝 (青)色、黑色、白色、黄色;油饰计7块:颜色分别为红色、绿色、蓝色、黑色、白色、黄色、金色。同时选取了带有青绿色彩画的额枋。试件如图3、图4所示。

(2)选取实验用光源:

通过具有代表性的古建筑照明用光源对模型试件进行照射。光源有:

①小功率陶瓷金属卤化物灯三支。两支35W光源，色温为3000K，显色指数分别为80和90;一支35W光源，色温为6000K，显色指数为90。

②150W2000K高压钠灯一支，显色指数20。

图3 六种彩画、七种油饰试块Fig.3 Six kinds of tempera blocks，seven kinds of ornaments blocks

图4 额枋彩画模型试块Fig.4 The Tempera model block

③荧光灯四支:18W T8三基色荧光灯，色温6500K，显色指数80;18WT8普通荧光灯，色温6500K，显色指数70;14WT5普通荧光灯，色温4200K，显色指数80;14WT5普通荧光灯，色温3000K，显色指数80。

④100W 3000K卤钨灯一支。

⑤典型色温的LED三支 (发光由RGB混合)，包括:3000K、4000K、5500～6000K各一支。

(3)实验方案描述:

在天津大学建筑学院建筑物理实验室内，在全黑条件下进行测试。首先选取实验对比的标准光源D65(18W，6500K)，将其悬吊于测试样品侧前方，距测试样品1m的距离，保证其主光轴直射被测试件。通过 D65对色块试件和额枋照明，使用TOPCON BM-7型色度亮度计测试典型测点的色坐标。TOPCON BM-7型色度亮度计设置在距被测试件2m位置，且垂直于被测试件表面进行测试。测试中BM-7主要选用2°视场瞄准彩画及油饰试件的中心点位置，而额枋试件考虑其上每种颜色所占面积大小不同，BM-7选用0.2°视场进行测试，选取测点为不同色彩部位的中心点位置，再读取色坐标X、Y、Z数值。然后选用实验待选的其余典型实验光源布置在上述位置分别对试件进行照明，测试相同测点的色坐标X、Y、Z数据。通过数据的计算处理，计算出不同光源下同一试块的X、Y、Z与标准光源D65下的色坐标X、Y、Z数据对比所形成的色差值，以确定不同光源对试件色彩的表现差异，最终形成优劣比较。

3.2 数据处理

包括实验的测试数据计算和主观色差阈值判定两部分内容，一方面通过数据计算得到不同试块的光源色彩还原性的色差ΔE指标，另一方面通过主观评价以确定色差ΔE的人眼接受阈值。

(1)色差ΔE的计算

依据《色度学》［3］中给定方法，通过光照实验测出不同试块在不同光源下的色坐标X、Y、Z，并计算不同光源下试块颜色的色差值ΔE。具体计算方法按照该书中的推导和计算方法来进行:

1964年CIE规定了“均匀颜色空间”的标定颜色方法，在均匀颜色空间中，色差的计算可不限于具有相等亮度因数的颜色。 “CIE1964均匀颜色空间”用明度指数W*、色度指数U*、V*坐标系统来表示。

通过对不同颜色试块在不同光源表现下的色差值的分别计算，得出ΔE值。再在同一色块条件下进行对比，ΔE值越小，说明色差越小，光源对该试块的颜色表现越接近真实，也越适于表现该色块。

而对于额枋试件，由于其上色彩主要以青、绿色为主，其余还有适当的金、红、灰蓝等色。这五种颜色在同一光源照射下的不同色彩偏差有所不同，计算ΔE值将取五种色彩偏差的平均值来考量。

(2)色差阈值确定

在以上现场仪器测试实验的过程中，采用实验人员现场主观评价的方法来定性描述色差值的人眼接受幅度，目的是基于色差ΔE值计算值的基础上，在实验条件下，找出人眼在不同光源照射情况下各试块色彩还原性能接受的幅度。

3.3 实验初步结论

3.3.1 不同光源对彩画试件色彩的表现

通过对以上不同光源对古建筑彩画照明表现力测试，计算出ΔE值如表2所示。

表2 不同光源照射下的彩画色块的Δ E值Table 2 TheΔ E value of tempera blocks under different light sources

由表2可以看出，不同光源对彩画的表现中色差各有不同，从六种彩画色块的ΔE平均值来看，各种光源的色差ΔE的平均值均在1以上，个别光源 (如卤钨灯、高压钠灯)的色差值较大。各种光源总体评价排序如下 (按色差表现的好坏排序):三基色荧光灯(18.80.6500) ＞LED光源 (6..5500～6000) ＞普通荧光灯 (18.70.6500) ＞LED光源 (11..4000) ＞三基色荧光灯 (14.80.4000) ＞金卤灯 (35.90.6000) ＞金卤灯 (35.80.3000) ＞普通荧光灯 (14.80.3000) ＞LED光源 (12..3000) ＞金卤灯 (35.90.3000) ＞卤钨灯(100.100.3000) ＞高压钠灯 (150.20.2000)。冷色的荧光灯和LED光源色差较小，也就是说，在彩画表现的总体评价上，采用高色温的荧光灯和LED光源对彩画的还原性相比其他色温和光源类型要好。而三种金卤灯对色彩还原的表现适中，卤钨灯和高压钠灯色彩还原性最差。

3.3.2 不同光源对油饰试件色彩的表现

本文同时测试了不同光源对古建筑油饰试块照明的色差并进行比较。计算出与D65标准光源下的色差ΔE值如表3所示。

表3 不同光源下的油饰色块的Δ E值Table 3 TheΔ E value of ornaments block under different light sources

总体评价:由表3可以看出，不同光源对油饰的表现色差各有不同，从七种油饰色块的色差ΔE平均值来看，除少数光源在1～2之间，ΔE平均值均较大，光源色差反应明显。各种光源总体色彩还原情况如下:普通荧光灯 (18.70.6500) ＞三基色荧光灯(18.80.6500) ＞LED光源 (6..5500～6000) ＞三基色荧光灯 (14.80.4000) ＞LED光源 (11..4000) ＞金卤灯 (35.90.6000) ＞普通荧光灯 (14.80.3000)＞LED光源 (12..3000) ＞金卤灯 (35.80.3000) ＞卤钨灯 (100.100.3000) ＞金卤灯 (35.90.3000) ＞高压钠灯 (150.20.2000)。

在油饰色块表现的总体评价上，按照光源的色温由高至低色差有明显的增加。具体来说，采用高色温的荧光灯和LED光源的色彩还原性相比其他色温和光源类型要好，且荧光灯较LED光源要好，而其中荧光灯中是否为三基色则区别不大。这个结论与彩画试块的实验结果是比较一致的。而三种金卤灯和卤钨灯对色彩还原的表现均较差，高压钠灯色彩还原性最差。

3.3.3 不同光源对额枋 (彩画为主)试件色彩表现

对额枋试件的测试，以青、绿、红、灰蓝色四种彩画颜色和金色油饰颜色这五种色样测量数据来计算色差ΔE值，通过五种颜色的色差ΔE平均值来综合考量每种光源的适宜性。通过计算，色差平均值的计算结果如表4所示。

针对于额枋试件，总体来讲，在采用的12款光源中，均有不小的色差，最小ΔE值为2以上。但是我们也可以从中找出一些基本的规律:

表4 不同光源下的额枋试件的色差Δ E平均值Table 4 The average of Δ E value of Tempera model block under different light sources

(1)高色温的光源相对色彩还原性要好，以高色温的三基色荧光灯和LED光源还原性最好，其次为高色温金卤灯;

(2)在荧光灯中，首选三基色荧光灯，要好于同色温的普通荧光灯;

(3)金卤灯中，色差均较大，色彩还原性不如三基色荧光灯和LED光源。但在选定的三款金卤灯中同类型比较而言，高色温的金卤灯色彩还原性最好，而低色温 (3000K)中，对额枋试件的色彩还原性与光源的显色指数不成正向比例;

(4)在LED光源中，除高色温的色彩还原性好以外，选用的3000K、4000K光源色差均较大，ΔE值在5以上;

(5)卤钨灯和高压钠灯的色差值最大，ΔE值为接近8和10以上的数值，色彩还原性最差，不能正确反映试块颜色。

3.3.4 色差阈值的主观判定

实验测试现场经10名建筑技术科学专业研究人员，对上述实验采用的12种光源照射情况下6种彩画色块、7种油饰色彩还原效果进行评价。采用不明显、较明显、明显三个等级来描述，以确定不同光源的色差描述倾向，并以“不明显”和“较明显”之间的色差值来确定人眼视觉能接受阈值范围。实验中选用的12种光源对13种色块试件分别形成的色差阈值如表5所示。

表5 彩画试块光照色差阈值Table 5 The illumination color difference threshold of tempera block

表6 油饰试块光照色差阈值Table 6 The illumination color difference threshold of ornaments block

表6数值显示，大部分试件光照色差阈值范围在2～3之间，少数有“1”和“4”的数值。由此可以判定，对本次测试中采用的古建筑油饰、彩画试件来讲，大体可确定人眼可明确感受到的色差阈值为3左右。

4 色差测试实验的综合结论

通过测试数据以及现场主观评价，对每种试块色彩还原最好和最差的光源如表7所示。

综合以上，可以形成以下几条基本结论:

(1)除部分试件外，色彩还原性最好的光源绝大多数为高色温光源，以高色温的荧光灯和LED光源还原性最好。几个特例为:

对红色彩画、黄色彩画还原性最好的为三基色荧光灯 (14.80.4000);

对蓝色油饰还原性最好为金卤灯 (35.80.3000)。

表7 对14种试件色彩还原最好和最差光源类型一览表Table 7 The best and the worst color reproductions of 14 kinds of blocks under different light source

(2)金卤灯色差值ΔE较大，色彩还原性不如三基色荧光灯和LED光源;

(3)高压钠灯和卤钨灯色差值ΔE最大，色彩还原性最差;

(4)对6种彩画试块色彩还原性最好的光源均为荧光灯，与是否是三基色荧光灯没有明显区别;

(5)对7种油饰试件色彩还原最好的是三基色荧光灯和高色温LED光源。

(6)通过主观评价，基本确定人眼能接受的色差ΔE阈值为3左右。

［1］唐西娅，尹锷.透析中国古代建筑中的色彩艺术.中外建筑，2007年第11期:38～41.

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