土家织锦颜色在不同照明体下的主波长和色纯度

秦 炎，杨晓莉，2*，徐 郁，范小刚

(1.湖北民族学院 理学院，湖北 恩施 445000；2.湖北民族学院科技学院，湖北 恩施 445000)



土家织锦颜色在不同照明体下的主波长和色纯度

秦 炎1，杨晓莉1，2*，徐 郁1，范小刚1

(1.湖北民族学院 理学院，湖北 恩施 445000；2.湖北民族学院科技学院，湖北 恩施 445000)

表征颜色的色品值中，主波长和色纯度的优点是能给人以具体的印象，通过分析在6种不同标准照明下织锦颜色信息的主波长和兴奋纯度的表现，从物理测量和视觉感知相结合的角度，以最佳色彩稳定性和最小色差为依据，获得差异性最小的一组主波长与色纯度值作为表征织锦颜色的常用色品值数据库.利用分光测色计获取西兰卡普织锦典型颜色样本的光谱反射比数据，并通过理论计算，得出样本色在常用的6种标准照明体下的主波长与色纯度.选用变异系数来评价样本集的综合色差值指数和色彩稳定性指数，并结合色品图的对比分析，发现97.1%的典型样本色在标准照明体D50下的主波长和色纯度表征值与其他照明体的表征值差异最小，选用标准照明体D50下的主波长与色纯度的数字信息用以描述西兰卡普的典型颜色色度信息最为理想，与观察者感知颜色印象差异性最小.

土家织锦；主波长；兴奋纯度；色差；变异系数

土家织锦在土家语中叫“西兰卡普”(xilan ka pu)，“西兰”意为铺盖，“卡普”意为花，“西兰卡普”是以面纱为经，多色的丝纱或者毛线为纬，采用“通经暗纬，反面挖花”的手法，在原始的木制织机上反面挑织而成的民间工艺品.土家锦因其种类繁多，造型奇特，编制精湛，被誉为中国民族民间四大名锦之首，并于2006年被列入国家第一批非物质文化遗产名录.传统的土家织锦全部用植物、矿物等染料手工染色，色彩华丽璀璨.土家语颜色词的程度表达方式分为重叠式和附加式两种，因此土家族人民采用原级、比较级和最高级的语言方式来描述其颜色[1].这种方式导致人们无法准确的描述织锦的颜色信息.如何将颜色转变为数字量描述土家西兰卡普的颜色信息，避免颜色传递的过程中颜色信息表达的失真，又同时能使颜色信息获取者直观的感受到颜色是论文需要解决的问题.近年来采用数字化技术手段保护非物质文化遗产成为趋势，而土家族非物质文化遗产在数字化方面的应用主要集中在普查工作中大量文字和音像资料的储存，以及后期整理研究工作中成果的数字化储存[2]，前人在对西兰卡普的研究中以图案和纹样居多[3-7]，对其色彩的研究几乎是一片空白.其次，在文物保护和保存的研究工作中，文物颜色的记录近来更热衷于用多光谱信息来记录颜色信息，它主要应用于无条件制约的颜色再现应用.颜色的本质实际上是不同波长的光线对人的眼睛产生的不同的刺激，视网膜上的兴奋传递到大脑中枢而产生的感觉，是一种心理物理感知量.虽然多光谱信息能够包含颜色信息，但是人们无法利用它进行口头上的颜色传递，无法快速直观的读出和感受到多光谱记录背后隐含的颜色信息.在西兰卡普色度值记录和颜色传递的过程中，既希望能够用数字量准确的记录下颜色的物理测量信息，又希望能够让人们能从这种记录方式直观的感受到颜色的心理感觉信息.主波长和色纯度值来表示颜色，其优点在于这种表示方法能让人参考光谱色给人以具体的印象，能表明一种颜色的色调及饱和度的大致情况.因此，本文利用采集的多光谱信息转换为主波长和兴奋纯度描述西兰卡普颜色信息的方法，对西兰卡普的颜色信息进行记录和传递.并讨论这种色度值记录方法在环境光源下的影响，给博物馆及其他展示场合的光源配备对人的感知影响分析提供一定的数据参考.

图1 西兰卡普典型颜色色卡样品Fig.1 The typical color sample ofXilankapu

图2 样本色的光谱反射率Fig.2 Spectral reflectance of samples

1 样品制备

从相关的历史文献记录[8-10]及与本地土家织锦艺人的交流探讨后，最终确定图1中的35种颜色样本为西兰卡普的典型颜色.样本由有着30余年纺织经验的“西兰卡普”国家级非物质文化遗产的优秀传承人用传统木织机，以毛蓝色棉线为经，黑色棉线为纬，采用“通经断纬”的方式纺织成4 cm×4 cm的色块，并将民间艺人口述的颜色信息记录下来，标注在图1中各样本色块上.在样本的制备与颜色名称确定的过程中发现，民间艺人对色块的颜色描述模棱两可，需要与其它颜色相近的色块对比，然后在颜色词前加表程度的词语来区分两种颜色相近的色块(如5号大红和19号枣红，23号海蓝和28号浅蓝等)，并且会因为不同人的不同经验而无法对颜色进行准确交流，更无法准确的记录和传达颜色信息.

2 数据获取

实验中采用日本Konica Minolta公司生产的型号为CM-2300d的分光测色计测量光谱数据，获取样品中35种样本色在360～740 nm 波长范围内的光谱反射率信息，每隔10 nm采集一个样点.为避免底线对样本颜色信息的影响，选用各样本色的纯色线团进行测量.该设备以氙灯为光源，由氙灯发出的光线在积分球的内表面发生散射，均匀的照亮样品，由样品表面反射出的与表面法线呈8度角的光线被样品测量光学系统接收，积分球中散射的光线被光源监控系统接收并导向传感器，两组光线中波长在360 nm到740 nm范围内的光线分别被分成10 nm间距的波长分量，并且各个分量的光强度的相应信号被输出到模拟处理电路，通过使用样品测量系统与光源监控传感器的输出数据进行计算，对光谱特性的轻微波动和光源强度进行补偿.在测量中通过测量两次求平均的方法减小随机噪声引起的测量误差；选取SCE(specular component excluded)模式,即排除镜面反射光的方法下的测量数据，避免镜面反射的影响.图2为各样本色的光谱反射率曲线.

图3 颜色主波长和补色波长的确定Fig.3 The determination of dominant wavelength and complementary wavelength

3 理论分析

通过仪器测得的光谱反射率，计算出各样本色的三刺激值及色品坐标，进一步通过Matlab编程计算出各样本色的主波长与兴奋纯度.由于颜色的主波长的兴奋纯度跟照明体有关，所以选用6种常用标准照明体(A，C,D50,D55，D65，D75)[11]，分别计算出各样本色在每种照明体下的主波长与兴奋纯度，然后通过每种样本色在6种照明体下的色差比较，选择使样本色的色彩稳定性最好的照明体所对应的那组主波长和兴奋纯度用以描述各样本色的颜色信息.

根据分光测色计测得的样本色在360 nm到740 nm波长范围内，以10 nm为间隔的各个波段的光谱反射率，通过以下公式计算出各样本色的三刺激值[12]:

(1)

Φ(λ)称为颜色刺激函数，即进入人眼产生颜色感觉的光能量.

Φ(λ) =ρ(λ)·S(λ)

(2)

ρ(λ)为物体的光谱反射比；S(λ)为照明光源的相对光谱功率分布.

由式(1)计算出物体颜色的三刺激值后，由式(3)计算出物体的色品坐标[12]：

(3)

每种颜色在色品图上都有一组色品坐标与之对应，每个色品点对应一个特定的主波长和色纯度[12-13].

一种颜色S1的主波长(dominant wavelength)，指的是某一种单色光刺激的波长,用符号λd表示.这种单色光刺激按一定比例与一种规定的无彩色刺激相加混合，能匹配出颜色S1.这种无彩色刺激在色品图上的位置称为白点，以O表示.

但是，并不是所有的颜色都有主波长,色品图中连接白点和光谱轨迹两端点所形成的三角形区域内各色品点都没有主波长.因此引入补色波长(complementary wavelength)这个概念.用以表示用主波长区域的颜色，一种颜色S2的补色波长是指某一种单色光刺激的波长，此波长的光谱色与适当比例的S2相加混合，能匹配出某一种规定的无彩色刺激(白光).补色波长用符号λc表示.

兴奋纯度(excitation purity)是用CIEx10-y10色品图上两个线段的长度比率来表示的.第一线段是由白点到样品点的距离OS1(见图3)，第二线段是由白点到主波长点的距离OL.如果以符号Pe表示兴奋纯度，则Pe=OS1/OL；对补色波长的点：Pe=OS2/OP.一种颜色的兴奋纯度表示了主波长的光谱色被白光冲淡的程度，实质上是表示了主波长光谱色的三刺激值在样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为主波长光谱色的三刺激值,X10,Y10,Z10为样品色的三刺激值.

Pe也可用色品坐标来计算:

(5)

式(5)中,x10,y10为样品的色品坐标；xn，yn为白点的色品坐标；xd，yd为光谱轨迹上(主波长时)或连接光谱两端的直线紫红轨迹上(补色波长时)的色品坐标.

4 数据分析与讨论

4.1 主波长与兴奋纯度的数值比较

鉴于织物色彩表征与再现过程中照明体种类的多样性，织物颜色的主波长和兴奋纯度会因选用的照明体的不同而出现不同的结果，因此通过Matlab编程计算出了样本色在6种常用标准照明体下的主波长与兴奋纯度的数值[14-15].图4给出6种常用照明体下每种样本色主波长与兴奋纯度的对比.

(a)主波长 (b)补色波长 (c)兴奋纯度图4 样本色在不同照明体下的主波长、补色波长和兴奋纯度对比Fig.4 The dominant wavelength，complementary wavelength and excitation purity of sample under different illuminant

由图4(a)，4(b)可以看出，虽然一部分样品颜色因为图的比例的关系，主波长几乎重合，差距不明显，但仍然有主波长差距较大的样品色，如3号样品色在照明体A下只有补色波长，而在其余光源下都有主波长，21号样品色只有在照明体D75下有主波长，在其余照明体下只有补色波长.由图4(c)看出，每种样本色在不同照明体下的兴奋纯度差距明显.

4.2 色品图分析

为了选取使样本色的稳定性最好的那种照明体所对应的主波长与色纯度，应以多种照明体变换条件下样本色的综合恒常性为依据.将使样本色的色彩稳定性最好的照明体记为参考照明体.图5给出35种样本色在6种照明体下的色品分布.

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

由图5中的色品分布可知，照明体A下的色品分布相对较集中，整体偏右，与其它5种照明体下的分布差距明显，不适宜作参考照明体.其余5种照明体下的色品分布相似，需进一步分析数据来确定参考照明体.

为此，采用CIE 1976 LAB色差公式[16-17]，分别计算出样本色在照明体C,D50,D55，D65，D75下与其它5种照明体下的色差值，用以评价每种样本色的色彩恒常性.CIE1976L*a*b*均匀色空间的三维坐标L*，a*，b*的计算公式如下：

(6)

式(6)中，

(7)

其中X10，Y10，Z10为颜色样品的三刺激值；Xn，Yn，Zn为指定的白色刺激的三刺激值.

4.3 色差对比分析

CIE 1976L*a*b*均匀色空间中求两个颜色的色差公式为：

(8)

(a) (b) (c)

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

图7 样本色在各照明体下的变异系数对比Fig.7 CV of sample under different illuminant

图6给出了样本色在某种选定照明体与其余5种照明体下的色差对比，用以衡量样本色在照明体C,D50,D55,D65,D75下的色彩恒常性.由图可看出样本色在每种照明体下的色彩恒常性确有差异，其样本的整体差异性采用变异系数来评价.

变异系数(coefficient of variation，CV)是反应总体各单位观察值的差异程度或离散程度的指标[18].当需要比较两组数据离散程度大小的时候，如果两组数据的测量尺度相差太大，或者数据量纲的不同，直接使用标准差来进行比较不合适，此时就应当消除测量尺度和量纲的影响，而变异系数可以做到这一点，它是标准差与其平均数的比.即:

(9)

CV虽然没有量纲，但是按照其均数大小进行了标准化，这样就可以进行客观比较了.因此，可以认为变异系数是反映数据离散程度的绝对值.其数据大小不仅受变量值离散程度的影响，而且还受变量值平均水平大小的影响.

由图7可得，每种样本色在除照明体A外的5种照明体下对应5个变异系数中，10号样本色变异系数的最小值在照明体C下取得，其余34种样本色的变异系数均在照明体D50下取得最小值.

通过对每种样本色变异系数的比较发现，除了10号样本色在照明体C下的变异系数最小外，其余34种样本色均在照明体D50下的变异系数最小，有97.1%的样本色在照明体D50下的色彩稳定性最好，故应选用照明体D50为参考照明体.表1为35种样本色在照明体D50下的主波长与兴奋纯度.

表1 样本色在照明体D50下的主波长(补色波长)与兴奋纯度Tab.1 Dominant wavelength(complementary wavelength) and excitation Purity of sample under illuminant D50

5 结论

通过实验分析35种样本色在6种常用标准照明体下的色品值在色品图上的分布以及样本色在6种常用标准照明体之间的色差值，对于有纹理的纺织品样本色的主波长与兴奋纯度在标准照明体D50下具有最小的相对色差性，其感知颜色的稳定性和色差值最接近6种常用照明下色度值计算结果的平均水平，故选用标准照明体D50下的主波长与兴奋纯度用以描述土家织锦的典型颜色信息最为理想.

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责任编辑：时 凌

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

QIN Yan1，YANG Xiaoli1，2*，XU Yu1，FAN 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.

湖北省教育厅科学研究计划指导性项目(B2015109)；湖北民族学院科技学院科研课题(KJZ201607)；湖北民族学院科技学院校级重点教学研究项目(KJY201402)；湖北民族学院大学生创新创业训练项目(2015Z002).

秦炎(1994- )，男，硕士生，主要从事应用光学研究;*

杨晓莉(1982- )，女，博士生，讲师，主要从事多光谱技术及颜色科学方面的研究.

1008-8423(2016)04-0402-06

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

O432.2

A