基于GemDialogue色卡研究光源对绿松石颜色的影响

王雪丁

中国地质大学（北京）珠宝学院，北京 100083

前 言

绿松石是最古老的有色玉石品种之一，经中外考古学研究证实，其应用历史最早可追溯至距今6000年左右的新石器时代，其价值体现于文学、政治和艺术，在不同的文化与社会背景中广受欢迎[1]。中国一直是绿松石的重要产源，矿区主要分布在湖北和安徽两省。湖北绿松石矿产于构造破碎带中，与富铜和磷的黑色含碳硅质板岩有关，以郧县云盖寺、郧西和竹山三处矿区资源最好，其最大特征表现为丰富的颜色[2]；安徽马鞍山绿松石产于次生硫化物富集带中，以致密块状、脉状等习性产出，多为高品质蓝色绿松石[3]。除此之外，新疆[4]、陕西、河南等地也有绿松石产出。

绿松石属于由六种同型端元矿物组成的绿松石族，是一种含水的铜铝磷酸盐矿物，因存在复杂的类质同象而呈现出较宽泛的颜色范围[5]。化学组成、晶体结构、结构致密性和吸附水含量，是决定和影响绿松石颜色的主要内因[6]。铜和铁元素的含量差异是导致“绿松石颜色”色调变化的重要因素，蓝色绿松石富含铜、铝元素，而绿色绿松石（铁绿松石）富含铁元素[7]。通过分析不同种类和价态金属离子的晶格占位，可以更好理解绿松石的呈色机制，即晶体场理论和电荷转移[8,9]。此外，绿松石具有一定孔隙度和吸附性，结构致密性一般。吸附水含量的增加会使绿松石颜色饱和度加深，明度增强，甚至出现轻微的色调偏移[10,11]。

观察者对于宝石体色的颜色感知依赖于显色环境的影响。显色环境包括显色光源、显色背景、显色照度和显色氛围四个方面。近年来，关于显色环境对宝石颜色影响的对比研究涉及翡翠[12,13]、橄榄石[14-16]、碧玺[17]和蓝宝石[18]，且引用了相关的色度学研究方法。CIE 1976 L*a*b*均匀色空间作为颜色定量表征的基础，具有良好的色彩均匀性，使得颜色的视觉距离和色坐标的欧几里得距离成正比，且充分符合人眼感知红绿方向视觉色差尺度小于黄蓝方向的主观规律[19]。基于此色空间，引入目前最符合人眼色知觉的CIE DE2000色差公式，计算不同标准照明体对同一体色绿松石的理论色差，便于更好地量化分析光源色温对于绿松石颜色的影响[20]。同时参考我国翡翠、红宝石和蓝宝石的颜色分级标准[21]，选择GemDialogue色卡作为本次实验绿松石的标准比色工具。GemDialogue色卡是得到美国宝石协会（AGTA）认可、可用于描述宝石颜色的官方比色工具。该色卡采用的表色体系以色调分明的色标、具有不同灰度和透明度的色罩、纯色均匀的色带为三要素，通过不同饱和度的色标色带与不同灰度的色罩色带的综合叠加来表征颜色[22,23]。考虑到天然绿松石表面的花纹和杂质会对实验控制变量产生消极影响，因而通过收集大量绿松石颜色数据，从GemDialogue色卡中筛选出与之相匹配的色带，在扩大样本容量的同时增加测色实验稳定性。

基于CIE 1976 L*a*b*均匀色空间，选择三种常用的标准照明体D65、F2和A为变量光源，在标准光源箱中对GemDialogue色卡进行颜色采集，通过CIE DE2000色差公式分析不同光源下“绿松石颜色”指数的特征规律并对比其异同。

1 材料与实验

1.1 样本选取

选取GemDialogue色卡中与绿松石颜色相匹配的色标，即B2G（蓝绿色）、G2B（绿蓝色）、CYAN（青色）、B（蓝色）、P2B（紫蓝色）共五张色标；为模拟绿松石表面常见黑灰色、棕色斑杂的特点，选择黑灰色透明色罩、黑白不透明色罩和棕色透明色罩；将色罩与五张色标进行叠加，增大颜色样本数量。

选择105块天然抛光绿松石素面样品，颜色纯净均匀，属于蓝色—绿色过渡品种，表面无铁线和花纹。对样品进行颜色测试，而后以所得绿松石的颜色参数范围为参考，筛选GemDialogue色卡中与绿松石颜色相匹配的组合色带，用于探讨光源对“绿松石颜色”的影响。

1.2 测试条件

颜色指数测定采用爱色丽X-Rite SP62便携式分光测色仪，选取CIE 1976 L*a*b*均匀色空间，在标准光源箱内采用积分球收集样本表面的反射信号，测试条件为：反射采样模式，包含镜面发射设置；标准照明体D65、F2和A；2°标准测试视角；测量范围为400～700nm，测量时间<2.5s，波长间隔为10nm，电压为220V，电流为50Hz。

充分考虑宝石实验室、博物馆和商铺等展示环境，选取三种常用的标准照明体作为本文研究的变量光源：① D65光源：色温6504K，国际标准人工日光光源，色度学领域常用光源；② F2（CWF）光源：色温4150K，冷白荧光灯，商铺柜台常用照明光源；③ A光源：色温值2856K，色度学领域常用光源，橱窗常用照明光源。

1.3 CIE 1976 L*a*b*均匀色空间

用于颜色定量分析的CIE 1976 L*a*b*均匀色空间，由二维平面色品坐标a*、b*和纵向坐标明度值L*组成，a*轴的正负端分别代表红色和绿色，b*轴的正负端分别代表黄色和蓝色，而颜色的彩度值C*和色调角h°可由色品值a*和b*计算得到，换算公式[19]如下：

本文选用国际照明委员会最新推出的CIE DE2000（ΔE00）色差公式，用以计算不同光源下的“绿松石颜色”色差。该公式不仅包含有明度差、彩度差和色调差的加权函数，更加入了色调差和彩度差的交叉项和改善中性灰色色差预测能力的函数项。相较于缺乏视觉均匀性的CIE LAB（ΔE*ab）色差公式，ΔE00可以更好地表现绿色、蓝色区域的精细色差[24]。CIE DE2000色差公式[20]如下：

其中ΔL’、ΔC’和ΔH’分别指两组颜色参数的明度差、彩度差和色调差；RT转换函数用于解决蓝色区域彩度和色调角之间的互相作用；SL、SC和SH位置函数用于校正CIE LAB色差中缺乏的视觉均匀性；KL、KC和KH为实验环境的校正参数，本文选用评价色差可察觉性更优的CIE DE2000（1:1:1）。

1.4 色卡测试实验设计

基于CIE1976 L*a*b*均匀色空间，对GemDialogue色卡中包含蓝色的五张色标进行测试。每张色标和色罩均包含十条色带，在完成色标色带的测试之后，将色标色带放置在色标上面并依次与每张色罩的10条色带进行叠加测试，最终每张色标测试的色带总数为310条。每条测试可得到5项颜色参数，即明度值L*、色品值a*和b*、彩度值C*和色调角h°。基于三种标准光源，每张色标所测试得到的颜色参数总数为310×5×3=4650个，五张色标总测试结果为4650×5=23250个（表1）。

表1 色卡测试工作量Table 1 The test items of GemDialogue color chip

2 结果讨论

2.1 色卡颜色指数分析

在D65光源下，五张色标的颜色三维分布如图1-a所示，随色带值由100至10的变化，色标色带的明度值逐渐增大而彩度值逐渐减小，色品值a*、b*由分散状态逐渐转为聚集。五张色标的色调角如图1-b所示，B2G和G2B色标的色调角随色带值增大而减小，呈明显的线性负相关；CYAN和B色标的色调角随色带值增大而增大，呈明显的线性正相关；P2B色标的色调角范围最大，且色调角随色带值减小而减小，逐渐由紫蓝色向绿色调过渡；五张色标的色调角在色带低值区混合重叠，进一步说明GemDialogue表色体系中色标色调的变化存在一定的不均匀性。

图1 a—五张蓝色相关色标的颜色三维分布图；b—色标色带与色调角关系图Fig.1 a—the Three -dimensional color distribution of five blue-related color codes b—the relationship between color band to hue angle

不同色罩与色标叠加所得的组合色带与色标色带相比，明度值均明显降低。B2G以绿色为主，色带明度值与色带值（x）呈线性负相关，经拟合可得关系式L*=86.67-0.27x (R2=0.9976)；色带明度值受黑灰透明色罩影响最大，棕色透明色罩影响次之，黑白不透明色罩影响最小，且高明度色带（即色带值10、20）受影响程度更为明显，极值差最大；色带彩度值随色带值增大而增大，指数关系为C*=84.11exp(-x/60.58)+90.55(R2=0.9926)；整体受黑灰透明色罩的影响最大，黑白不透明和棕色透明色罩对其彩度值影响次之，其中低彩度色带受棕色透明色罩影响较小，高彩度色带受黑白不透明色罩影响较小且颜色极差变化随色带值增大而增大（图2）。

B色标以蓝色为主，其色带明度值与色带值呈线性负相关，即L*=83.04-0.36x(R2=0.9809)；叠加色罩后明度值明显减小，且棕色透明色罩的影响最大；色带彩度值随色带值增大而增多，其指数关系为C*=9.56x0.38(R2=0.9651)；色带彩度值随黑白不透明和黑灰透明色罩的叠加而减小，且对低彩度色带的影响最大，但未改变色带彩度随色标色带值增大而增大的基本规律；然而，低彩度色标色带（色带值10）在叠加棕色透明色罩后的彩度均值高于色带，且极差增大，而中、高彩度色标色带在叠加棕色透明色罩后表现为彩度的减小，整体彩度随色标色带值的增大而减小，与色带在不叠加色罩时的基本规律相反。基于减色混合原理可知，棕色透明色罩反射了可见光中的橙色与黄色，蓝色透明色标会吸收可见光中的红色、橙色、黄色，低彩度的蓝色色带对可见光的吸收少于棕色透明色罩的反射，叠加后的色带彩度值被色罩反射的黄色增多，表现为彩度值的增大；而高彩度的蓝色色带对可见光的吸收多于棕色透明色罩的反射，互补色的中和使得色带彩度值减小（图3）。

图2 B2G色标在三种色罩叠加下的明度值（a）和彩度值（b）箱式图Fig.2 Lightness (a) and chroma (b) of B2G code superimposed with three color masks

图3 B色标在三种色罩叠加下的明度值（a）和彩度值（b）箱式图Fig.2 Lightness (a) and chroma (b) of B2G code superimposed with three color masks

2.2 光源对GemDialogue色卡色品值的影响

参考国家标准GB/T 36169-2018《绿松石分级》[25]可知，绿松石颜色以蓝色、蓝绿色、绿蓝色和绿色为主，通过实测105块天然绿松石样本的颜色参数得到其色调角h°∈(174，282)，以此筛选得到GemDialogue色卡中与绿松石颜色匹配的 952 组色带，颜色范围 L*∈(25.64，84.58)，C*∈(15.07，72.41)和 h°∈(174.98，280.59)。

样本在不同光源下表现出的色差主要是由光源的相对光谱功率分布、色温以及显色指数决定的。D65光源的相对光谱功率分布曲线在绿、黄、红区比较均匀，最高峰出现在蓝绿区；F2光源的相对光谱功率分布曲线在440nm、550nm和580nm处呈尖锐峰，且相对光谱功率分布曲线较为曲折；A光源的相对光谱功率分布曲线非常均匀，具有较好的显色性，在可见光的红区辐射最强。将CIE 1976 L*a*b*均匀色空间分析不同光源下952组“绿松石颜色”的颜色参数表示在图4中，可见三种光源下“绿松石颜色”的色品值a*、b*在色品图中呈近似扇形，主要分布于第三象限；D65光源与F2光源下绿松石色的色品值范围相似，色调角范围较宽；以D65光源为参照，F2光源下“绿松石颜色”的色品值向第四象限延伸，由于F2光源在紫区存在高能量辐射，使得蓝色样本色调向蓝紫色偏移，且彩度增大；A光源下“绿松石颜色”的色品值向负值方向延伸，绝对值|a*|和|b*|增大而表现为彩度增加，由于A光源在红区存在高能量辐射，红色调对绿色和蓝色的中和使得样本的色调角范围减小。

图4 GemDialogue色卡在三种光源下色品图Fig.4 The chromaticity diagram of GemDialogue color chip under three light sources

2.3 光源对明度值的影响

分别计算GemDialogue色卡中“绿松石颜色”色带在D65与F2光源和D65与A光源下的明度差值，记为ΔL*1和 ΔL*2。以色调角为横坐标、两种光源下的样本明度差为纵坐标进行分析（图5-a），绝大多数样本的明度差大于零，说明在D65光源下绝大多数样本的明度值会高于F2和A光源下的样本明度值；不同色调样本的明度差变化趋势相同，说明光源对样本明度的影响不会受到样本自身色调的干扰。这一现象与光源色温有关，“绿松石颜色”主要包含绿色调和蓝色调，D65光源（6504K）色温较高，使得光源辐射亮度更高，自身接收和反射的光更多，在视觉上体现为更明亮。

2.4 光源对彩度值的影响

分别计算GemDialogue色卡中“绿松石颜色”色带在D65与F2光源和D65与A光源下的彩度差值，记为ΔC*1和 ΔC*2。以色调角为横坐标、两种光源下的样本彩度差为纵坐标进行分析（图5-b），不同色调样本的彩度值受三种光源的影响不同。绿色—蓝色系列色带的彩度值在D65光源下更高；在F2光源下，随色调角增加（h°＞225），蓝色、紫蓝色色带表现更鲜艳，彩度值更高；进一步对比A光源和D65光源下的样本彩度，大多数中高彩度样本在A光源下的彩度值更高，色彩更鲜艳，其中蓝色色带ΔC*2最大，说明“绿松石蓝”受A光源影响最为显著；极少数蓝色低彩度色标色带在叠加了棕色透明色罩的高彩度色带时出现明显的偏色现象，在有色光源A下表现出极低的彩度，即ΔC*2＞0，因而会在图5中以尖锐柱形图形式存在。

图5 不同光源下的样本明度差（a）和彩度差（b）Fig.5 Lightness difference (a) and chroma difference (b) of samples under three light sources

2.5 色差定量分析

色差可以定量反应样本在不同光源下的颜色差异，色差越大则表示人眼越容易分辨出光源的影响。以D65光源下五张色标颜色为参考值，采用CIE DE2000色差公式分别计算其与F2和A光源下的色标色差（记为ΔE001和ΔE002），并用 Photoshop软件模拟五张色标在D65光源、F2光源和A光源下的均值颜色（表2）。总体上，色温较低的A光源与D65光源间的颜色差异更为显著（ΔE002>ΔE001）；随色带值从100到10，样本的明度值逐渐增加而彩度值减小，色差逐渐减小，即低明度高彩度的色带受光源影响更为敏感。

表2 三种不同光源下色标色带的理论色差ΔE00Table 2 The color difference (ΔE00) of color codes under three light sources

如图6所示，对比分析D65光源和F2光源，CYAN色标色带与色差的拟合曲线变化平缓且均值最小，而G2B色标色带值与色差的拟合曲线增幅较大且均值最大；进一步对比分析D65光源和A光源，G2B色标色带值与色差的拟合曲线增幅较小且均值最小，与B2G色标十分接近，而B色标色带值与色差的拟合曲线增幅较大、变化陡峭且均值最大。结果表明，不同色调的“绿松石颜色”受到三种光源的影响具有一定差异，“绿松石蓝”在A光源下具有较高的色彩分辨率，可以明显区别于D65光源；而“绿松石绿”在F2光源下具有较高的色彩分辨率，可以明显区别于D65光源。

图6 不同光源之间色差值与色带值的拟合关系Fig.6 The fitting relationship between color difference to color band’s value under different light sources

3 结论

基于CIE 1976 L*a*b*均匀色空间，本文分析了GemDialogue色卡中五张蓝色相关色标的颜色指数特征，筛选出与天然绿松石颜色相匹配的952条色带，并引入CIE DE2000色差公式进一步分析D65光源、F2光源和A光源对“绿松石颜色”色带的显色影响，结论如下：

(1) GemDialogue色卡中各色标的明度值与色带值呈线性负相关，彩度值与色带值呈指数正相关，不同色标的色调角范围存在混合重叠，说明该色卡的色调变化存在一定的不均匀性；黑灰透明色罩对所有色标明度值影响最大，叠加使色带变暗；棕色透明色罩对色标彩度影响最大，使得绿色调色标的彩度值整体减少，蓝色调色标的低值色带彩度增加而高值色带彩度减小。

(2) D65光源在蓝绿区的高能辐射使得“绿松石颜色”色带的明度值更高而彩度值居中，无偏色现象，与日光下的人眼感知色彩一致。

(3) F2光源由于紫区的高能辐射，使得“绿松石颜色”中紫蓝色（h°>225）色带彩度值高于D65光源下的值，而绿—蓝系列色带的彩度值低于D65光源下的值，且蓝色色带向紫色调轻微偏移。

(4) A光源下大多数中高彩度色带会较D65光源下更为鲜艳，彩度更高，但极少数低彩度样本与之相反，且A光源对蓝色的彩度加强更为明显；由于红区的高能辐射对“绿松石颜色”中的绿、蓝色调存在一定的中和作用，因而表现为整体色调角范围的减小。

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