CIE 1976 L*a*b*均匀色空间内变换光源对蓝绿色磷灰石颜色的影响研究

颜麒丞

中国地质大学（北京）珠宝学院，北京 100083

前言

蓝绿色磷灰石作为常见的有色宝石，其颜色是质量评价中的关键因素，颜色评价受光源、背景、观察者等多个因素影响[1]。在CIE 1976 L*a*b*均匀色空间内，固定同一背景，变换实验光源，对蓝绿色磷灰石的明度值、彩度值、色调角进行测试及分析，研究光源对蓝绿色磷灰石颜色的影响，可以在蓝绿色磷灰石的检测中摆脱主观性与模糊性。

为了量化不同标准照明光源对蓝绿色磷灰石颜色的影响，本实验基于国际照明委员会规定的CIE 1976 L*a*b*均匀色空间表色系统开展。该系统将三刺激值XYZ通过相应公式转化为L*a*b*，L*为明度值，数值越高代表样品越明亮，a*、b*值与颜色彩度C*和色调角h°有关[2,3]。本实验选取的实验光源为用于模拟阴天日光的D65光源（相关色温6504K）、用于家庭或商业照明的典型白炽灯A光源（相关色温2856K）以及用于商业与办公机构冷白荧光光源的CWF光源（相关色温4150K）[4,5]。

1 样品选择与实验设计

20颗蓝绿色磷灰石为椭圆刻面琢型，尺寸大小为6.5mm×5mm×4mm 到 7mm×5.5mm×4.5mm，抛光良好，玻璃光泽，通体透明，无肉眼可见包裹体，颜色包括绿蓝色至蓝色，且色调过渡均匀，样品按照宝石色调从蓝绿偏绿到蓝绿偏蓝的过渡顺序编号为1#～20#。

在标准光源箱内，将蓝绿色磷灰石置于标准白色背景板上，变换三种标准照明光源，使用爱色丽X-Rite SP62手持分光光度计，测试样品台面，通过积分球收集样品表面反射信号，对蓝绿色磷灰石的颜色参数L*、C*、h°进行准确测定并记录，实验装置如图1。

测试条件为不包含镜面反射，测量范围为360～750nm，测量时间小于2.5秒，电压为240V，频率50～60Hz，波长间隔10nm。

2 实验结果分析

2.1 光源及样品对磷灰石蓝绿色的影响

宝石本身与实验光源是决定蓝绿色磷灰石颜色的两个互不干扰的独立因素，为确定这两个变量对颜色参数的影响程度，将记录的颜色数据导入SPSS软件，将光源和样品与宝石颜色做无重复双因素方差分析，结果如表1。

表1 双因素方差分析结果Table 1 Two-factor analysis of variance

由表1可知，P（样品L*）=0.356，大于显著性水平P值0.05，即20个磷灰石样品的明度值不存在显著差异；P（样品C*）与P（样品h°）为0.000，小于极显著水平P值0.001，即样品本身的彩度和色调角均存在明显差异；P（光源L*）、P（光源C*）和P（光源h°）均小于0.01，证明当实验光源发生变化时，宝石明度、彩度以及色调角均有显著变化。

在20颗样品中选择6颗样品（1#、5#、8#、12#、16#、20#），将其颜色参数进行颜色模拟如表2。观察表2可直观得出：不同光源下，同一样品的颜色有着明显的区别；同一光源下，不同样品的颜色有着明显的区别，符合双因素方差分析结论。

表2 三种标准光源下蓝绿色磷灰石的颜色模拟Table 2 Color simulation of blue-green apatite under three standard illuminants

光源特定的光谱功率分布影响着光源的显色性，进而影响宝石明度、彩度和色调角等颜色参数[6]，光谱功率分布反映光源在特定的波段内能量的强度与分布情况，若分布曲线在光谱成分中全面均匀、曲线平滑，则光源具有较高的显色性[7,8]。对比D65、A和CWF光源的光谱功率分布理论值[9]（图2）可知，D65光源（色温为6504K）的光谱功率分布曲线最高峰值出现在470～500nm处，在蓝、绿和黄色波段分布较为均匀；A光源（色温为2856K）的光谱功率分布曲线近平滑的直线，上升趋势均匀连续，具有较高的显色性，在红色波段为能量高峰[10]；CWF光源（色温为4150K）的光谱功率分布450nm、540nm及600nm等多处出现锐锋，分布曲折不均匀，各波段能量差异较大[11]。

图2 D65光源、CWF光源与A光源的光谱功率分布Fig.2 Spectral power distribution of D65 light source, CWF light source and A light source.

2.2 变换光源对磷灰石蓝绿色的影响

为进一步探究特定光源对哪一颜色参数的影响最大及影响程度，以及特定颜色参数对哪一实验光源有最敏感的变化，需将颜色参数进行单因素方差分析。

不同的单因素方差分析算法有不同的灵敏度，为使数据获得最优的区分度，需首先对L*、C*、h°三种颜色参数进行方差齐性检验，确定最适合特定颜色参数的单因素方差分析算法。齐性检验结果如表3。

表3 光源对蓝绿色磷灰石颜色的齐性检验Table 3 The homogeneity test of standard illuminants on the color of blue-green apatite

单因素方差分析齐性检验中，若显著指数P＞0.05，则说明该方差为齐性，选择最小显著性差异法LSD（Least—Significant Difference）分析数据，敏感度最优，效果最为显著；若P＜0.05，则方差为非齐性，应该使用Tamhame算法对该参数进行多重分析比较，以获得最明显的数据比对效果[12]。由表3可知，P（明度L*）及P（彩度值C*）均大于显著水平0.05，采用LSD算法分析明度与彩度数据，P（色调角h°）小于显著水平，使用Tamhane算法，三个颜色参数的单因素方差分析结果如表4所示。

表4 不同光源对蓝绿色磷灰石颜色的影响Table 4 The influence of different standard illuminants on the colr of blue-green apatite

由表4可知，在明度值中，PL（D65-CWF）与PL（D65-A）均小于显著水平0.05，变换D65光源至其他两种光源时，具有最显著的差异；PC（CWF-D65）与PC（CWF-A）均小于显著水平0.05，变换CWF光源至其他两种光源时彩度具有最显著的差异；Ph°（D65-A）=0.009小于极显著水平P=0.01，即D65光源变换至A光源时磷灰石色调角差异最大。

2.3 变换光源对明度和彩度的影响

为探究变换实验光源对明度、彩度的具体影响，使用D65光源、CWF光源及A光源照射20颗蓝绿色磷灰石样品，测试得到相应的明度值L*、彩度值C*，整合数据记录如表5，以明度值为横坐标，彩度值为纵坐标，作函数图像（图3）。

表5 三种标准光源下的蓝绿色磷灰石明度及彩度值Table 5 L* and C* of blue-green apatite under three standard illuminants

续表5Continued Table 5

图3 三种标准光源下蓝绿色磷灰石明度—彩度函数关系Fig.3 Blue-green apatite L*-C* function relationship under three standard illuminants

明度—彩度呈明显的负相关性，即明度值越高，彩度值相对越低。一般来说，在明度升高过程中，宝石由暗转明，明亮程度的提高可以观察到更多色彩细节，故彩度提高；明度进一步提高，宝石呈现白亮状态，亮白反射会干扰色彩，使彩度值下降，故总趋势为随着明度升高，彩度先上升后下降。蓝绿色磷灰石在提高明度过程中，由于刻面反射的加强，宝石的白亮状态加强致使彩度降低。

明度表现为L*(D65光源)＞L*(A光源)＞L*(CWF光源)，相比A光源与CWF光源，D65光源在480～500nm的蓝绿色波段处有更高能量，光色中蓝绿色光谱成分较高，作为照明光源照射宝石时，能够增大磷灰石的明度，使蓝绿色磷灰石更加明亮。

彩度值表现为C*（D65光源）＞C*（A光源）＞C*（CWF）光源，蓝绿色磷灰石颜色浅透，为低—中彩度宝石，其彩度值C*与实验光源的光谱功率分布有密切关系，D65光源、A光源的光谱功率分布曲线相对平滑，各个颜色区域变化均匀连续，可以更全面地体现样品的颜色，具有较高的显色指数，对彩度的表达效果更好，所以样品在D65和A光源下的彩度值更高；CWF光源光谱功率分布曲线曲折，能量分布不均匀，不同波段能量差异较大，甚至部分颜色区域存在残缺，致使颜色表现不完整，故显色指数相对较低，样品的彩度相比之下较低。

2.4 变换光源对色调角的影响

色调角可以直观体现标本由绿蓝色至蓝色的过渡变化，将样品色调角数据导入SPSS分析，以样本编号为横坐标，色调角数值为纵坐标，作表6及图4。

表6 三种标准光源下的蓝绿色磷灰石色调角值Table 6 h° of blue-green apatite under three standard illuminants

图4 三种标准光源下的蓝绿色磷灰石色调角值Fig.4 h° of blue-green apatite under three standard illuminants

以蓝绿色为期望颜色，观察图4可得，在CWF光源下，偏绿色系磷灰石样品1#色调角最低，为167.2°，偏蓝色系磷灰石样品20#色调角最高，为237°，对于蓝绿色样品14#、15#、16#，色调角达到 219°～225.4°。CWF 光源在蓝绿色波段480～500nm处能量较低，在450nm附近的蓝色波段和550nm附近的绿色波段具有锐锋，磷灰石的蓝绿体色在受到含有较高蓝色与绿色光谱成分的光线照射时，蓝绿偏绿色的磷灰石视觉效果更绿，蓝绿偏蓝色的磷灰石更蓝，色相偏离期望的蓝绿色。

A光源在橙红区有较高能量，在A光源照射下，偏绿色磷灰石1#色调角值为192.4°，视觉效果上对偏绿色磷灰石还原至蓝绿色有正向作用，但蓝绿色磷灰石14#、15#、16#的色调角值此时达到220.6°～223.6°，该色调角区间下宝石呈现较蓝的视觉效果。

D65光源下，磷灰石色调角范围为171.3°～223.3°，蓝绿色磷灰石 14#、15#、16# 色调角范围为 206.9°～212.4°，在该区间内色调角呈现蓝绿间色，D65在480～500nm的蓝绿色波段为能量峰值，样品受到有较高蓝绿色光谱成分的光线照射时，其色调角受干扰最小，叠加磷灰石体色，可以更明显地呈现磷灰石的蓝绿色。

3 结论

(1) D65光源具有色温较高、光谱功率分布较为均匀连续、光谱能量分布偏向蓝绿频谱的特点，蓝绿色磷灰石在D65光源下L*值最高，C*值较高，且在470～500nm的蓝绿区间处拥有较高能量分布，对绿蓝色—蓝绿色系磷灰石色彩的还原程度最优，适合作为磷灰石表达蓝绿色的照明光源。

(2) CWF光源的光谱功率分布在蓝紫区、黄绿区具有高峰，在蓝绿—绿区为低谷，对蓝绿色磷灰石的色调角有较明显的干扰，该光源下蓝绿色磷灰石的明度不能得到最好的体现；其光谱功率分布曲折、显色性较低也导致了样品的低彩度，故不适合作为蓝绿色磷灰石的照明光源。

(3) A光源色温较低，光谱功率分布均匀平滑，具有高显色性，蓝绿色磷灰石在A光源下明度较低，彩度值较高；色调角方面，A光源模拟白炽灯光源，其能量分布位于橙红区，光线略偏向高波段颜色，对样品蓝绿色存在干扰，不适合作为蓝绿色磷灰石的照明展示光源。