基于CIE 1976 L* a* b*均匀色空间的绿色硅化木颜色定量分级

雷芳芳

(福建船政交通职业学院 土木工程学院，福建 福州 350007)

硅化木是亿万年前树木埋藏地下被二氧化硅替换，并保留木质结构外观的木化石，其颜色丰富多彩。常见的基本色调有白、黑、黄、红、绿五种，其中颜色鲜艳的绿色硅化木具有很高的观赏和收藏价值。

颜色是评定绿色硅化木品质的重要指标，但由于其颜色浓淡、明暗程度各异且分布比较复杂，尤其在同一块硅化木上可以出现不同种类的绿色，因此绿色硅化木的颜色质量评价难度很高，目前只能采用目测法和经验法对其进行主观、定性观察，暂未有客观、定量的评定标准。

根据相关文献显示[1-5]，目前硅化木的研究主要集中在矿物学、宝石学、地球化学特征、沉积环境以及成因等领域，鲜有学者对绿色硅化木颜色进行定量研究。近几年来，随着色度学被广泛地应用于矿物学、宝石学研究中，已有学者采用CIE 1976L*a*b*色度坐标对碧玺、橄榄石、绿色翡翠的颜色进行分级评价[6-8]。本研究参考该方法，基于CIE 1976L*a*b*均匀色空间表色系统，采用测色仪对绿色硅化木颜色进行定量测试，用数字量化颜色来探索颜色定量分级标准，以期为硅化木的质量评价提供参考。

1 样品与实验

1.1 实验设备

采用Color i5测色仪，6 mm测量孔径,通过积分球收集硅化木样品表面的反射信号，测量样品的颜色数据。测试条件：D65标准照明光源(色温为6 504 K)，电压为240 V，频率为50～60 Hz，测量波长范围在360～750 nm内的可见光，测量时间小于2.5 s，波长间隔为10 nm。

1.2 实验样品与方法

本文选用30件已抛光的绿色硅化木样品，表面光滑，玻璃光泽，基本色调均为绿色，颜色明暗和浓淡程度各异，呈黄绿色到暗绿色的颜色外观，样品测色区域内颜色均匀、含杂质少。

在标准光源箱内，使用测色仪对所有样品进行反射测试(不包含镜面反射),测定亮度L*、色品a*、b*等参数值。为了减少检测误差，每件样品在同种环境下均检测3次，并且要求每次差值不超过0.1，最终取其平均值作为该样品的颜色参数数据。

1.3 CIE 1976 L*a*b*均匀色空间

选取CIE 1976L*a*b*均匀色空间定量分析绿色硅化木的颜色，该表色系统是一个三维立体坐标系，由平面色品a*、b*坐标和亮度值L*纵坐标构成，a*坐标的正负端分别代表红色和绿色，b*坐标的正负端分别代表黄色和蓝色[9]，彩度C*和色调角h0通过色品a*和b*计算得到。公式如下：

C*=(a*2+b*2)1/2

(1)

h0=arctan(b*/a*)

(2)

其中：ΔL′、ΔC′和ΔH′分别为样品数据的亮度差、彩度差和色调差；RT为减少蓝色区域色度和色调之间相互作用的转换函数；SL、SC、SH为校正CIE LAB缺乏视觉均匀性的位置函数；KL、KC、KH为实验环境校准参数，在不同领域取值各不相同，本文选取应用于印刷领域的KL=1、KC=1、KH=1以提高色差计算精度[12]。

2 结果与讨论

如图1所示，色品a*∈(-39.56，-8.19),b*∈(5.83，34.52)，色调角h0∈(137.58，150.98),表明样品的颜色主要集中在绿色色域；亮度值L*∈(12.08，60.68)，明亮程度中等偏低；彩度C*∈(11.91，51.94)，分布范围较广。实验测试结果与样品的绿色视觉效果基本一致。

图1 样品的色品图

选取其中一件样品作为标样，其色调角h0较小，为138.48°，彩度值C*最大，为51.94，在所有样品中颜色最浓艳，绿色视觉效果最好。用色差公式CIE DE2000计算其余29件样品与该标样的比对色差，再以色差ΔE00为纵坐标，色调角h0为横坐标，把数据投点到坐标图上(见图2)。

图2 样品的色差和色调角

如图2所示，样品的色差值整体都比较大，根据《色度学》[13]的色差分类，绿色硅化木的色差等级可根据色差值ΔE00划分为四个等级，依次为轻微色差(ΔE00为0.5～1.5)，能感觉到色差(ΔE00为1.5～3)，色差可识别(ΔE00为3～6)，色差大(ΔE00为6～12)，其中与标样比对色差大的样品肉眼观察其颜色较深、较暗。

通过分析色调角h0和色差值ΔE00数据可知，色调角的变化与其色差值的增量无明显关系，说明绿色硅化木的色调变化并不使其产生色差，因此,色调对硅化木绿色变化几乎没有影响。

3 颜色分级讨论

聚类分析法和判别分析法在翡翠颜色分级中已得到验证[14]，因此本文采用相同分析方法对绿色硅化木颜色进行分级。首先选用CIE 1976L*a*b*均匀色空间的L*、a*、b*三个相互独立的颜色参数，通过SPSS统计分析软件对三个参数进行K-Means快速聚类分析，最后结合Fisher判别法分析验证聚类效果，以此客观评价硅化木绿色分级和绿色质量。

3.1 K-Means快速聚类分析

本文选取测试所得的颜色参数进行聚类分析，采用奇数分类方法，尝试将其分为3、5、7类，发现当聚类数为5时，L*、a*、b*的方差分析值Sig值均小于极显著性水平0.001(见表1)，说明将测试数据分成5类的聚类效果最为理想。

表1 绿色硅化木颜色聚类分析方差分析表(5类)

3.2 分类结果的等级划分

在对硅化木绿色聚类统计分为5类后，利用Photoshop绘图软件模拟每个类别的绿色(见表2)。

表2 硅化木绿色分类及颜色模拟

根据表2分类结果可知：硅化木绿色视觉效果最好的是第3类,即阳绿色，其特点是亮度值L*中等偏低，色品值a*、b*最大，彩度值C*也相应最高，此类绿色最浓郁鲜艳；第1类的绿色视觉效果次之，该类亮度值L*略低于第3类，色品值a*、b*和彩度值C*都有所降低，绿色不如第3类鲜艳且黄色色调减弱，属于中绿色；接下来是第2类的颜色，即豆绿色，其特点是亮度值L*是最高的，使得绿色发白、变淡，且色品值a*、b*和彩度值C*都低于第1类，表现为绿色不鲜艳，颜色质量低于第1类；第5类绿色质量更低一些，其亮度值L*、色品值a*和b*均明显低于第2类，彩度值C*也相应下降，此类绿色较暗较深，属于深绿色；第4类的绿色视觉效果最差，即暗绿色，其特点是亮度值L*最低，使得绿色最为灰暗，同时色品值a*、b*和彩度值C*均最小，此类绿色鲜艳程度最差。

根据上述聚类分类结果，把绿色硅化木颜色优劣由好到差按一级至五级的顺序排列，再依据分级结果把颜色质量由高到低分为五个等级，依次为阳绿、中绿、豆绿、深绿、暗绿(见表3)。

表3 绿色硅化木颜色质量等级划分

3.3 Fisher判别分析

采用Fisher判别法对上述快速聚类结果进行反向验证，根据软件分析可得到5个类别的判别函数式。公式如下：

F1=1.789L*-1.358a*+1.628b*-79.993
F2=2.567L*-1.165a*+0.721b*-88.014
F3=1.495L*-1.819a*+2.102b*-99.792
F4=0.157L*-1.012a*+0.293b*-12.751
F5=0.581L*-2.403a*+1.116b*-72.398

将样品颜色参数L*、a*、b*值分别代入各类判别函数中，比较每一个函数式计算所得数值，若其中函数值最大者，说明该样品绿色类别属于这一类。当判别正确率越接近100%，证明快速聚类结果越有效。经计算可知，绿色硅化木样品1～5类的Fisher判别正确率分别为100%、100%、100%、90.91%、100%，30件样品中只有1件被误判，整体判别正确率高达96.67%，达到理想预测精准度，说明采用快速聚类分析将绿色硅化木颜色分为五类是合理可行的。

4 结 论

(1)本文采用的绿色硅化木样品亮度值L*∈(12.08，60.68)，亮度中等偏低，彩度范围广C*∈(11.91，51.94)，色品a*∈(-39.56，-8.19),b*∈(5.83，34.52),色调角h0∈(137.58，150.98),表明样品的基本色调为绿色。

(2)以其中一件样品作为标样，采用色差公式CIE DE2000可将色差分为轻微色差、能感觉到色差、色差可识别、色差大四个等级；通过分析色调角h0和色差值ΔE00数据可知，色调角的变化与其色差值的增量无明显关系，因此色调对硅化木绿色变化几乎没有影响。

(3)通过K-Means快速聚类分析将绿色硅化木颜色分为五级，颜色质量从高到低依次为阳绿、中绿、豆绿、深绿、暗绿，并采用Fisher判别法反向验证其分类是合理可行的。