CN113670442B - 用于中国彩绘文物照明光源的显色指数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及文物保护和色度学测量交叉技术领域，为实现通过得到的视觉色差数据证明中国彩绘文物显色性评价方法的可靠性和必要性。为此，本发明采取的技术方案是，用于中国彩绘文物照明光源的显色指数计算方法，步骤如下：采用不同的光源和色样对所述文物进行照射，由测试者对照射情况进行打分，得到每位被试对每种色样在不同光源下的还原效果的排序，得到最好与最坏还原效果下的视觉色差，作为色差变化的边界，通过获得各中间排序光源之间的色差变化幅度，得到中间排序光源的视觉色差值；利用皮尔森相关系数r得到各理论色差与视觉色差之间的相关性，以此评判各颜色空间的优劣。本发明主要应用于文物保护和色度学测量场合。

Description

用于中国彩绘文物照明光源的显色指数计算方法

技术领域

本发明涉及文物保护和色度学测量交叉技术领域，更具体的说，涉及一种馆藏文物显色性的评价方法及系统。

背景技术

1.背景

在所有的建筑类型中，博物馆因其独特的使用功能和厚重的历史底蕴而极具特殊性。在博物馆中保存和展陈的中国彩绘文物是世界文化遗产的重要组成部分，是中华文明的实物鉴证，具有艺术和历史价值，具备代表性，因此以中国馆藏文物为例进行博物馆照明光源的研究是可行且必要的。

虽然目前已有多种可以表征光谱对物体颜色呈现效果的方法，即显色性评价方法。但是，一方面，博物馆环境中灯光照度较低，人眼对颜色的分辨能力降低，对光源显色性的要求也会发生相应的变化；另一方面，中国馆藏文物颜色样本与目前几种显色性评价方法中所使用的通用颜色样本的差距较大。所以，理论上，目前的几种显色性评价方法并不适用于评价光源对中国彩绘文物的显色性，需要结合博物馆的特殊环境和中国彩绘文物的特殊颜色组成，得到具有针对性的显色性评价方法。

2.目前与本申请最接近的现有专利如下：

(1)适用于中国脆弱文物照明的LED光谱调节方法(专利号：CN201811190394.6)该发明公开了一种适用于中国脆弱文物照明的LED光谱调节方法。为得到不同类型中国脆弱文物照明分别所应采用的最低损伤光谱，提出适用于中国脆弱文物照明的LED光谱调节技术。在满足观赏要求的前提下,实现不同脆弱文物的最低照明损伤。为此,采取的技术方案是,适用于中国脆弱文物照明的LED光谱调节方法,首先根据被照物的材料特点选择该类文物的最适宜光谱功率分布SPD,进而在LED控制器中输入该SPD；当更换照明对象时,根据新被照物材料特点选择其最适宜SPD,进而在LED控制器中将光谱调节为新的SPD,满足观赏要求的条件下实现对于新被照物的最低照明损伤。

该发明旨在使用现有CIE显色性评价方法，运用显色指数CRI对光谱进行筛选，并未对显色性评价方法做进一步研究。然而CIE具有检验色样饱和度不高、不具代表性，表达颜色空间不够均匀等问题，不能有效评价光源的显色性，尤其是评价光谱不连续的光源。

(2)照明光源显色性评价方法和装置(专利号：CN201811483507.1)该发明公开了照明光源显色性评价方法和装置,包括：获取色样的光谱数据和色度值；将色样的光谱数据和色度值通过色貌模型,得到色貌参数；将色貌参数通过聚类算法,得到初始聚类色样集；对初始聚类色样集内的所有色样进行光谱数据降维,得到降维光谱数据；对降维光谱数据进行光谱聚类, 得到降维光谱聚类集；将降维光谱聚类集中心作为代表色样,得到优化色样集；根据优化色样集得到光源显色指数；该照明光源显色性评价方法和装置是针对印刷品照明光源建立的典型颜色样本集,色样代表性强,同时降低了计算量,可以普遍适用于印刷品照明光源显色性评价。

该发明适用于印刷品照明光源，色样选自印刷色彩管理中的标准色标，且色样优化是针对于不同型号的印刷机，不适用于中国馆藏文物的显色性评价。

3.目前与本申请最接近的研究如下：

(1)《古建筑彩画照明用光源显色性评价方法研究》(王文亚，天津大学天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室)提出高显色指数的光源有时也并不能营造出彩画夜景的良好效果,很大程度上是由于CRI-Ra在计算显色性时采用了代表颜色的色彩表现来衡量光源的显色能力,使评价结果不是特别准确；此外,CRI-Ra在计算时仅考虑了色彩保真,即在显色能力评价上也不全面。为此,对现有显色性评价方法进行了梳理,并根据古建筑彩画夜景设计要求,从中选出了适用于彩画照明的评价方法,最后根据彩画标准色样的颜色特征进一步选出了能准确评价彩画照明用光源的方法,为彩画照明设计选用光源提供了科学依据。

该研究仅对现有显色性评价方法进行了梳理，并选择了相对较适合彩画照明用光源显色性的评价方法，没有对其进行改进创新。

综上所述，目前尚未发现有关于“中国馆藏文物的显色性评价”方面的成果。在此背景下，本发明提出一种能够用于中国彩绘文物照明光源的显色指数计算方法。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在获得光源光谱对中国馆藏文物代表性色样的还原特性，提出适用于中国馆藏文物的显色性评价方法，并且采用一种较为客观的视觉色差获取方法，通过得到的视觉色差数据证明中国彩绘文物显色性评价方法的可靠性和必要性。为此，本发明采取的技术方案是，用于中国彩绘文物照明光源的显色指数计算方法，步骤如下：采用不同的光源和色样对所述文物进行照射，由测试者对照射情况进行打分，得到每位被试对每种色样在不同光源下的还原效果的排序，得到最好与最坏还原效果下的视觉色差，作为色差变化的边界，通过获得各中间排序光源之间的色差变化幅度，得到中间排序光源的视觉色差值；

以获得的视觉色差值作为标准，比较几种既有颜色空间的均匀性，利用皮尔森相关系数 r得到各理论色差与视觉色差之间的相关性，以此评判各颜色空间的优劣；

利用光源对颜色的还原性表征光源的显色性，用Rfc指标表征，由于博物馆中光源照度和色温较低，所以参照光源采用传统的普朗克辐射体；根据评判各颜色空间的结果选择颜色空间，在其中利用各颜色的欧式距离作为颜色的色差；色适应变换公式采用所选择的颜色空间配套的色适应变换公式；评价色样选择具有代表性的检验色样；最后根据可接受色差变化范围，得到公式(2)，将色差值转化为显色指标Rfc值：

R_fc＝100-6.29ΔE_c (2)

式中，ΔEC为计算色差值。

具体步骤如下：

1)、实验装置为两个紧邻的灯箱，左侧可生成相关色温在2000K-20000K之间，显色指数CIE Ra在0-100之间，Duv在-0.02-0.02之间的任意光源光谱，且可保证在颜色质量不变的基础上亮度可调；右侧内置2856K的卤钨灯作为CIE A标准光源，灯箱功率可调，在灯箱被照面上实现不同的照度分布，选用灰色吸光布粘贴在两灯箱内壁，保证两边灯箱的颜色一致，在标准光源下L*a*b*色坐标为(39.7,2.7,1.1)，同时吸光材质可以有效的避免反射光对照射效果的影响；

2)、选择标准A光源作为参照光源，标准光源灯箱中的参照光源实测为2886K，样品位置照度被设置为48.5lx；在光谱可调灯箱中模拟了一个标准A照明体，利用光谱可调灯箱生成了色温和照度与参照光源一致，显色性Rf分别为96、89、86、81、75、70、66的七种光源作为待比较光源；

3)、从红、黄、青三个色系中选取具有代表性的中国彩绘文物样本，共八种：红色系中选择赭石、朱砂、胭脂三种颜色，黄色系中选择石黄、雄黄、绢三种颜色，青色系中选择石绿、石黄两种颜色，采用打印宣纸对所选色彩进行打印，对打印出的色样利用PR670光谱辐射度计进行色样颜色信息的测试，最后在标准A光源下测得八种色样的Jab色坐标，为了让人眼更容易适应颜色的变化，用灰色背景布对色样进行覆盖，每种颜色留半径为2cm的圆形进行视看，保证观察者从视看位置看到色样处的视角为4°；

4)、根据每种检验色样的色坐标各准备一组待选择色样，利用RGB体系，分别以R或G 或B一个维度每次增加或减少1个单位，每个方向共变化20个单位生成新的周边颜色，不同的颜色由于RGB三刺激值所处位置不同，每个维度的变化程度也不同，所以它们的变化单位并没有完全相同，但都在20个单位左右，把生成的颜色打印在宣纸上，用PR670测量生成颜色的CIEXYZ三刺激值，并转化为CIECAM02空间中的Jab色坐标，在CIECAM02这一较为均匀的色空间中进行选择排布，以每个检验色样为中心，在其附近选择六个颜色方向：一个方向上的颜色混合后仍可生成该方向上的颜色，每个方向上按照CIECAM02色差从小到大的顺序选取四个颜色得到待选择色样，打印获得的色样颜色坐标存在偏差，所以在每个方向上选取的四个颜色与检验色样的色差并不是等距分布的，需在后期进行转化，每种检验色样对应一个待选择色样样板，每个样板上有6*4＝24种色样，根据颜色变化方向、色差变化从小到大的顺序排布在一张A4大小的白纸上，待选择色样样板也由灰色背景布进行覆盖，每个色样处减制半径为2cm的圆口进行4°视角的视看；

5)、为获取各检验色样在不同光源下相比于标准光源的有效视觉色差数据，实验分为三步：

(1)在光谱可调灯箱中比较1-7号待评价光源下各色样相比较于0号标准光源的变化程度，采用两两循环比较的方式，为判断每名被试结果的准确性，每种色样的排序结束，选择出三种光源进行重复实验，根据被试的实验结果和实验时的感受选择重复实验光源。对8 种色样比较结束后，第一步实验完成；

(2)第二步实验旨在找到每个被试者认为排序最好和最差的光源下相比于标准光源下每种色样的色差值，采用两个灯箱，左侧为光谱可调灯箱，右侧为标准A光源灯箱，将检验色样放置于光谱可调灯箱下，对应检验色样的待选择色样放置在标准光源灯箱下，安排被试坐在两灯箱中间，对两侧的色样进行同时视看，在待选择色样中找到待评价光源下色样的位置，可以选择两色样之间的位置，由此获得每种色样的偏色范围；

(3)第三步获得中间色差值：首先划定5个色差变化幅度，色差变化幅度单位分别为1、2、3、4、5；接下来按照被试的排序对光源进行播放，要求被试对感受到的幅度尺度进行1-5 分的评分，6组打分结果为相加为最好、最坏还原性色差的差值，用实验中所获差值对幅度单位赋予量值，即可得到各中间排序光源的色差值；

6)、以实验中获得的视觉色差值作为标准，比较几种既有颜色空间的均匀性，包括CIEU*V*W*色空间、CIELAB色空间、CIELUV色空间、CIECAM02均匀色空间，根据各色样的光谱反射率计算出各光源下，各颜色在这几种颜色空间中的色坐标，从而计算出7种光源下相对于标准光源下颜色的计算色差值，色差值用欧氏距离表征，并且计算出7种光源下色差值的平均值，利用皮尔森相关系数r得到各理论色差与视觉色差之间的相关性，以此评判各颜色空间的优劣。皮尔森相关系数的结果如表8所示：

表8各颜色空间与视觉色差的相关性

根据表中的结果可知，CIECAM02空间中用欧式距离计算出的色差值与视觉色差值相关性是最大的，也就说明使用CIECAM02空间对人眼感知的色差的预测效果是最好的，所以颜色空间选择CIECAM02色空间，在其中利用各颜色的欧式距离作为颜色的色差；色适应变换公式采用CIECAM02空间配套的CAT02色适应变换公式；评价色样选择实验中使用的8种具有代表性的检验色样；最后根据可接受色差变化范围，得到下式，将色差值转化为显色指标Rfc值：

R_fc＝100-6.29ΔE_c

式中，ΔEC为计算色差值。

本发明的特点及有益效果是：

(1)本发明所提出一种博物馆文物显示性评价方法，即检验色样为8种中国彩绘文物代表性色样、参照光源为普朗克辐射体、颜色空间为CIECAM02、色适应变换公式为CAT02，一个表征光源对颜色的还原性的显色性指标R_fc

(2)通过比较本研究提出的用于中国彩绘文物照明光源的显色指数计算方法和既有显色性评价方法，中国彩绘文物显色性计算方法表现出明显的优势，相比于既有最好的显色性评价方法TM-30R_f仍有5.7％的提升。

(3)本发明可为博物馆照明标准的修订提供基础。

综上所述，在对中国彩绘文物照明光源进行显色性的评价时，应采用本发明的专用显色性评价方法，能够大幅提显色评价准确性，进而提升博物馆绘画观赏体验，具有重大的社会效益。

附图说明：

图1是CIECAM02空间色样在标准A光源下的分布图。

图2是检验色样图。

图3是部分待选择色样。

(a)Cinnabar (b)Stone yellow

(c)Azurite。

图4是第一步和第三步实验场景。

图5是第二部实验场景。

图6是流程图。

具体实施方式

1实验装置

实验装置为两个紧邻的灯箱，左侧为11通道光谱可调的LED Cube(千明)，灯箱尺寸为 38cm*50cm*55cm，通过该灯箱的控制系统，可生成相关色温在2000K-20000K之间，显色指数CIE Ra在0-100之间，Duv在-0.02-0.02之间的任意光源光谱，且可保证在颜色质量不变的基础上亮度可调；右侧为标准光源灯箱(三恩时)，灯箱尺寸为68cm*51cm*55cm，内置6500K荧光灯作为CIE D65标准光源、2700K的卤钨灯作为CIE F标准光源和2856K 的卤钨灯作为CIE A标准光源，灯箱功率可调，可在灯箱被照面上实现不同的照度分布。两灯箱高度一致，但是宽度和深度略有不同，由于在实验过程中观察者的视线集中于两灯箱相邻的区域，所以灯箱宽度和深度尺寸的不一致性并不对观察者的判断产生影响。

选用灰色吸光布粘贴在两灯箱内壁，保证两边灯箱的颜色一致，在标准光源下L*a*b*色坐标为(39.7,2.7,1.1)，同时吸光材质可以有效的避免反射光对照射效果的影响。

2实验光源

博物馆环境中采用的照明光源要求低色温、低照度，所以实验中选择标准A光源作为参照光源。标准光源灯箱中的参照光源实测为2886K，样品位置照度被设置为48.5lx；在光谱可调灯箱中模拟了一个标准A照明体，编号为0，另外，利用光谱可调灯箱生成了色温和照度与参照光源一致，显色性Rf分别为96、89、86、81、75、70、66的七种光源作为待比较光源，它们的具体参数如表1所示。

表1实验光源照明参数

3实验色样

(1)检验色样

检验色样是显色性评价方法中的一个关键因素，显色性即为光源对颜色的显现特性，不同光源对不同颜色的显现能力和效果是不同的，所以准确地选择需要评价的颜色是必要的。中国馆藏文物的色彩遵循传统的五行论，分为黑、白、红、黄、青五个色系。由于黑、白为非彩色，这里从红、黄、青三个色系中选取具有代表性的中国馆藏文物样本，共八种。红色系中选择赭石、朱砂、胭脂三种颜色，黄色系中选择石黄、雄黄、绢三种颜色，青色系中选择了石绿、石黄两种颜色。材质会对人的视觉感知造成影响，为模拟真实的书画型中国馆藏文物(中国传统书画在中国馆藏文物中最具有代表性且存量最大)，采用宣纸对所选色彩进行打印。由于打印会造成一定的误差，所以对打印出的色样利用PR670光谱辐射度计进行色样颜色信息的测试，最后在标准A光源下测得八种色样的Jab色坐标见表2，其在CIECAM02空间中的分布如图1所示。为了让人眼更容易适应颜色的变化，用灰色背景布对色样进行覆盖，每种颜色留半径为2cm的圆形进行视看，保证观察者从视看位置看到色样处的视角为4°, 如图2所示。

表2标准A光源下色样在CIECAM02空间中的色坐标

(2)待选择色样

在实验中根据每种检验色样的色坐标各准备一组待选择色样，在Photoshop中利用RGB 体系，分别以R或G或B一个维度每次增加或减少1个单位，每个方向共变化20个单位生成新的周边颜色(不同的颜色由于RGB三刺激值所处位置不同，每个维度的变化程度也不同，所以它们的变化单位并没有完全相同，但都在20个单位左右)。把生成的颜色打印在宣纸上，用PR670测量生成颜色的CIEXYZ三刺激值，并转化为CIECAM02空间中的Jab色坐标。在CIECAM02这一较为均匀的色空间中进行选择排布，以每个检验色样为中心，在其附近选择六个颜色方向(一个方向上的颜色混合后仍可生成该方向上的颜色)，每个方向上按照CIECAM02 色差从小到大的顺序选取四个颜色得到待选择色样。打印获得的色样颜色坐标存在偏差，所以在每个方向上选取的四个颜色与检验色样的色差并不是等距分布的，需在后期进行转化。每种检验色样对应一个待选择色样样板，每个样板上有6*4＝24种色样，根据颜色变化方向、色差变化从小到大的顺序排布在一张A4大小的白纸上。待选择色样样板也由灰色背景布进行覆盖，每个色样处减制半径为2cm的圆口进行4°视角的视看。如图3所示。

4实验人员

在天津大学招募6名学生作为被试，3男3女，年龄均在22-27岁之间，平均值为23.9岁，标准偏差为1.4岁。他们都通过了Ishihara视觉检测，可以作为被试。在实验开始前，对他们进行颜色变化方式的讲解和训练，让他们熟悉待选择试样的颜色变化。

5实验方法

为获取各检验色样在不同光源下相比于标准光源的有效视觉色差数据，本实验分为三步：

(1)在光谱可调灯箱中比较1-7号待评价光源下各色样相比较于0号标准光源的变化程度，采用两两循环比较的方式，首先比较1、2号光源下的检验色样相比于0号光源的变化程度(在表3中用(01,02)表示)，用灯箱控制器以0号、1号、0号、2号、0号的顺序对光源进行播放，要求被试盯住灰色背景布围住的圆形色样部分，对1、2号光源下相比于0号的变化程度做出判断，得到1>2或1<2的结果，如果被试在一次播放后不能做出判断，则进行再次播放，直到被试能够做出确定的判断。为对7种光源的颜色还原能力排序，需对7种光源进行循环比较，比较顺序和方式如表3所示。为判断每名被试结果的准确性，每种色样的排序结束，选择出三种光源进行重复实验，根据被试的实验结果和实验时的感受(实验过程中当被试很难判断某种色样在某两种光源下的变化时，要求被试进行记录)选择重复实验光源。对8种色样比较结束后，第一步实验完成。每进行一次播放后，被试休息10秒，对每种色样循环判断完毕后，被试休息2分钟。每位被试经历21种循环*8种色样*每次循环平均需要2次播放＝336次播放，大概用时90分钟。实验场景如图4所示。

表3循环比较顺序和方式

(2)通过第一步实验分别获得照射8种检验色样时，7种光源显色性的排序，但是由于人眼对不同颜色的敏感程度不同，光源对不同颜色的显现能力也不同，所以需要获得在7种光源照射下每种检验色样的变化范围。第二步实验旨在找到每个被试认为排序最好和最差的光源下相比于标准光源下每种色样的色差值。采用两个灯箱，左侧为光谱可调灯箱，右侧为标准A光源灯箱，将检验色样放置于光谱可调灯箱下，对应检验色样的待选择色样放置在标准光源灯箱下，安排被试坐在两灯箱中间，对两侧的色样进行同时视看，在待选择色样中找到待评价光源下色样的位置，可以选择两色样之间的位置。由此获得每种色样的偏色范围。整个过程大概需要40分钟。实验场景如图5所示。

(3)虽然在第一步中对各光源下颜色的还原效果进行了排序，在第二步中对各光源下颜色的变化范围进行了界定，但是还需要知道排序中间位置各光源对颜色的还原差距，比如，被试1评价胭脂色样时，得到光源对胭脂色样的还原性排序为1>3>2>5>4>7>6，1号光源下对应的待选择色样色差为1.4，7号光源下对应的色差为8.5，但是中间3、2、5、4、7号光源相对于0号光源的视觉色差值不明。因此采用如下方法获得中间色差值：首先划定5个色差变化幅度，色差变化幅度单位分别为1、2、3、4、5；接下来按照被试的排序对光源进行播放，比如按照1号被试对胭脂色样的排序，光源播放方式为0、1、0、3、0、2、0、5、0、4、0、7、0、6，多次进行播放，前两遍使被试熟悉色差变化幅度，看到0、1、0、3后，在第一步中得到的3比1相对于0的变化幅度大的基础上，被试能够感受到03相比于01的幅度增大尺度，接下来，再播放到0、2，又能感受到02(2光源下相比于0光源下色样颜色的变化) 相比于03的幅度增大尺度，在看过两遍后，被试就对幅度变化尺度有了概念，接下来，播放第三遍，同时要求被试对感受到的幅度尺度进行1-5分的评分，比如03相比于01的变化幅度尺度极小，是感受到的几种幅度中最小的，则打为1分，而最大的打为5分；打分结束后，打分结果为1、1、3、3、4、4，则1+1+3+3+4+4＝16为最好、最坏还原性色差的差值，对于被试1对胭脂色样的结果，该差值为8.5-1.4＝7.1，用实验中所获差值对幅度单位赋予量值，即可得到各中间排序光源的色差值。整个过程大概需要40分钟。第三步实验场景和第一步相同。

为防止视觉疲劳，三步实验分为三天进行。

6数据处理

(1)视觉色差结果

通过第一步实验，得到每位被试对每种色样在7种光源下的还原效果的排序，通过第二步实验，得到最好与最坏还原效果下的视觉色差，作为色差变化的边界，在第三步中，通过获得各中间排序光源之间的色差变化幅度，得到中间排序光源的视觉色差值。

为判断各被试表现的一致性和实验的准确性，利用各视觉色差结果的标准化残差平方和(STRESS)来表征观察者内差异和观察者间差异，STRESS的计算方法如公式1所示，其值越小代表两组数据之间的差距越小，为0时代表两组数据完全相同，30代表两组数据之间的差异度为30％。观察者内差异，代表观察者实验结果的重复性，指同一观察者在同一观察条件下所获结果的一致性；观察者间差异，代表每名观察者的实验结果之间的相关性。根据实验中所获数据对观察者内差异和观察者间差异进行了计算，结果如表4所示。根据计算结果可知，本次实验的观察者内差异的STRESS值的范围为12-20，平均值为15；观察者间差异的 STRESS值的范围为15-22，平均值为18，说明本次实验中观察者的重复性和准确性较好，实验结果可靠。因此，可对6位观察者的视觉色差结果取平均值得到7种光源对8种色样的视觉色差值，如表5所示。

其中，

式中，Xi和Yi分别为被比较两组数据中的第i个值，f为尺度缩放因子，用于将两组数据归化到同一范围。

表4表征观察者内与观察者间差异的STRESS值

表5种光源对8种色样的视觉色差值

(2)比较颜色空间

以实验中获得的视觉色差值作为标准，比较几种既有颜色空间的均匀性，包括CIEU*V*W* 色空间、CIELAB色空间、CIELUV色空间、CIECAM02均匀色空间。根据各色样的光谱反射率计算出各光源下，各颜色在这几种颜色空间中的色坐标，从而计算出7种光源下相对于标准光源下颜色的计算色差值(用欧氏距离表征)，并且计算出7种光源下色差值的平均值。利用皮尔森相关系数r(Pearson Correlation Coefficient)得到各理论色差与视觉色差之间的相关性，以此评判各颜色空间的优劣。皮尔森相关系数的结果如表所示。

表6各颜色空间与视觉色差的相关性

根据表6中的结果可知，CIECAM02空间中用欧式距离计算出的色差值与视觉色差值相关性是最大的，也就说明使用CIECAM02空间对人眼感知的色差的预测效果是最好的。

7用于中国彩绘文物照明光源的显色指数计算方法

用于中国彩绘文物照明光源的显色指数计算采用如下方法：利用光源对颜色的还原性表征光源的显色性，用Rfc指标表征。由于博物馆中光源照度和色温较低，所以参照光源采用传统的普朗克辐射体；根据6中的结果，CIECAM02色空间对视觉色差的预测是最好的，所以颜色空间选择CIECAM02色空间，在其中利用各颜色的欧式距离作为颜色的色差；色适应变换公式采用CIECAM02空间配套的CAT02色适应变换公式；评价色样选择实验中使用的8种具有代表性的检验色样；最后根据可接受色差变化范围，得到公式2，将色差值转化为显色指标 Rfc值。

R_fc＝100-6.29ΔE_c (2)

式中，ΔEC为计算色差值。

8比较显色性评价方法

在本节中对获得的用于中国彩绘文物照明光源的显色指数计算方法进行预测性能的评价。通过比较几种既有显色性评价方法与视觉色差的相关性以比较各显色性评价方法的性能。由于显色性评价指标值(显色指数)是通过将计算色差值数学转换为百分制得到的，这里为进行对色差的比较，也采用各显色性评价方法中显色指数经数学转换前的理论色差值进行比较。利用皮尔森相关系数r得到的比较结果如表7所示。结果显示本研究中获得的中国脆弱文物显色性评价方法的性能远优于既有的显色性评价方法。相比于传统方法中最优的TM-30Rf， Rfc的预测性能提升了5.7％，如公式3所示。

(0.92-0.87)/0.87×100％≈5.7％ (3)

表7各显色性评价方法与视觉色差的相关性

根据表7中的比较结果可知，用于中国彩绘文物照明光源的显色指数计算方法的表现远优于其他几种被比较方法，在对中国彩绘文物照明光源进行显色性的评价时，应采用专用的显色性评价方法。

本发明步骤如下：

1、实验装置为两个紧邻的灯箱，左侧可生成相关色温在2000K-20000K之间，显色指数CIE Ra在0-100之间，Duv在-0.02-0.02之间的任意光源光谱，且可保证在颜色质量不变的基础上亮度可调；右侧内置2856K的卤钨灯作为CIE A标准光源，灯箱功率可调，可在灯箱被照面上实现不同的照度分布。选用灰色吸光布粘贴在两灯箱内壁，保证两边灯箱的颜色一致，在标准光源下L*a*b*色坐标为(39.7,2.7,1.1)，同时吸光材质可以有效的避免反射光对照射效果的影响。

2、博物馆环境中采用的照明光源要求低色温、低照度，所以实验中选择标准A光源作为参照光源。标准光源灯箱中的参照光源实测为2886K，样品位置照度被设置为48.5lx；在光谱可调灯箱中模拟了一个标准A照明体。利用光谱可调灯箱生成了色温和照度与参照光源一致，显色性Rf分别为96、89、86、81、75、70、66的七种光源作为待比较光源。

3、中国馆藏文物的色彩遵循传统的五行论，分为黑、白、红、黄、青五个色系。由于黑、白为非彩色，这里从红、黄、青三个色系中选取具有代表性的中国彩绘文物样本，共八种。红色系中选择赭石、朱砂、胭脂三种颜色，黄色系中选择石黄、雄黄、绢三种颜色，青色系中选择了石绿、石黄两种颜色。为模拟真实的书画型中国馆藏文物，采用打印宣纸对所选色彩进行打印。由于打印会造成一定的误差，所以对打印出的色样利用PR670光谱辐射度计进行色样颜色信息的测试，最后在标准A光源下测得八种色样的Jab色坐标。为了让人眼更容易适应颜色的变化，用灰色背景布对色样进行覆盖，每种颜色留半径为2cm的圆形进行视看，保证观察者从视看位置看到色样处的视角为4°。

4、在实验中根据每种检验色样的色坐标各准备一组待选择色样，在Photoshop中利用 RGB体系，分别以R或G或B一个维度每次增加或减少1个单位，每个方向共变化20个单位生成新的周边颜色(不同的颜色由于RGB三刺激值所处位置不同，每个维度的变化程度也不同，所以它们的变化单位并没有完全相同，但都在20个单位左右)。把生成的颜色打印在宣纸上，用PR670测量生成颜色的CIEXYZ三刺激值，并转化为CIECAM02空间中的Jab色坐标。在CIECAM02这一较为均匀的色空间中进行选择排布，以每个检验色样为中心，在其附近选择六个颜色方向(一个方向上的颜色混合后仍可生成该方向上的颜色)，每个方向上按照CIECAM02色差从小到大的顺序选取四个颜色得到待选择色样。打印获得的色样颜色坐标存在偏差，所以在每个方向上选取的四个颜色与检验色样的色差并不是等距分布的，需在后期进行转化。每种检验色样对应一个待选择色样样板，每个样板上有6*4＝24种色样，根据颜色变化方向、色差变化从小到大的顺序排布在一张A4大小的白纸上。待选择色样样板也由灰色背景布进行覆盖，每个色样处减制半径为2cm的圆口进行4°视角的视看。

5、为获取各检验色样在不同光源下相比于标准光源的有效视觉色差数据，实验分为三步：

(1)在光谱可调灯箱中比较1-7号待评价光源下各色样相比较于0号标准光源的变化程度，采用两两循环比较的方式。为判断每名被试结果的准确性，每种色样的排序结束，选择出三种光源进行重复实验，根据被试的实验结果和实验时的感受(实验过程中当被试很难判断某种色样在某两种光源下的变化时，要求被试进行记录)选择重复实验光源。对8种色样比较结束后，第一步实验完成。

(2)第二步实验旨在找到每个被试认为排序最好和最差的光源下相比于标准光源下每种色样的色差值。采用两个灯箱，左侧为光谱可调灯箱，右侧为标准A光源灯箱，将检验色样放置于光谱可调灯箱下，对应检验色样的待选择色样放置在标准光源灯箱下，安排被试坐在两灯箱中间，对两侧的色样进行同时视看，在待选择色样中找到待评价光源下色样的位置，可以选择两色样之间的位置。由此获得每种色样的偏色范围。

(3)第三步获得中间色差值：首先划定5个色差变化幅度，色差变化幅度单位分别为1、 2、3、4、5；接下来按照被试的排序对光源进行播放，要求被试对感受到的幅度尺度进行1-5 分的评分，6组打分结果为相加为最好、最坏还原性色差的差值，用实验中所获差值对幅度单位赋予量值，即可得到各中间排序光源的色差值。

6、以实验中获得的视觉色差值作为标准，比较几种既有颜色空间的均匀性，包括CIEU*V*W*色空间、CIELAB色空间、CIELUV色空间、CIECAM02均匀色空间。根据各色样的光谱反射率计算出各光源下，各颜色在这几种颜色空间中的色坐标，从而计算出7种光源下相对于标准光源下颜色的计算色差值(用欧氏距离表征)，并且计算出7种光源下色差值的平均值。利用皮尔森相关系数r(Pearson Correlation Coefficient)得到各理论色差与视觉色差之间的相关性，以此评判各颜色空间的优劣。皮尔森相关系数的结果如表8所示。

表8各颜色空间与视觉色差的相关性

根据表中的结果可知，CIECAM02空间中用欧式距离计算出的色差值与视觉色差值相关性是最大的，也就说明使用CIECAM02空间对人眼感知的色差的预测效果是最好的。所以颜色空间选择CIECAM02色空间，在其中利用各颜色的欧式距离作为颜色的色差；色适应变换公式采用CIECAM02空间配套的CAT02色适应变换公式；评价色样选择实验中使用的8种具有代表性的检验色样；最后根据可接受色差变化范围，得到公式4-2，将色差值转化为显色指标Rfc 值。

R_fc＝100-6.29ΔE_c

式中，ΔEC为计算色差值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于中国彩绘文物照明光源的显色指数计算方法，其特征是，步骤如下：采用不同的光源和色样对所述文物进行照射，由测试者对照射情况进行打分，得到每位被试对每种色样在不同光源下的还原效果的排序，得到最好与最坏还原效果下的视觉色差，作为色差变化的边界，通过获得各中间排序光源之间的色差变化幅度，得到中间排序光源的视觉色差值；

以获得的视觉色差值作为标准，比较几种既有颜色空间的均匀性，利用皮尔森相关系数r得到各理论色差与视觉色差之间的相关性，以此评判各颜色空间的优劣；

利用光源对颜色的还原性表征光源的显色性，用Rfc指标表征，由于博物馆中光源照度和色温较低，所以参照光源采用传统的普朗克辐射体；根据评判各颜色空间的结果选择颜色空间，在其中利用各颜色的欧式距离作为颜色的色差；色适应变换公式采用所选择的颜色空间配套的色适应变换公式；评价色样选择具有代表性的检验色样；最后根据可接受色差变化范围，得到公式(2)，将色差值转化为显色指标Rfc值：

R_fc＝100-6.29ΔE_c (2)

式中，ΔEC为计算色差值。

2.如权利要求1所述的用于中国彩绘文物照明光源的显色指数计算方法，其特征是，具体步骤如下：

1)、实验装置为两个紧邻的灯箱，左侧可生成相关色温在2000K-20000K之间，显色指数CIE Ra在0-100之间，Duv在-0.02-0.02之间的任意光源光谱，且可保证在颜色质量不变的基础上亮度可调；右侧内置2856K的卤钨灯作为CIE A标准光源，灯箱功率可调，在灯箱被照面上实现不同的照度分布，选用灰色吸光布粘贴在两灯箱内壁，保证两边灯箱的颜色一致，在标准光源下L*a*b*色坐标为(39.7,2.7,1.1)，同时吸光材质可以有效的避免反射光对照射效果的影响；

2)、选择标准A光源作为参照光源，标准光源灯箱中的参照光源实测为2886K，样品位置照度被设置为48.5lx；在光谱可调灯箱中模拟了一个标准A照明体，利用光谱可调灯箱生成了色温和照度与参照光源一致，显色性Rf分别为96、89、86、81、75、70、66的七种光源作为待比较光源；

3)、从红、黄、青三个色系中选取具有代表性的中国彩绘文物样本，共八种：红色系中选择赭石、朱砂、胭脂三种颜色，黄色系中选择石黄、雄黄、绢三种颜色，青色系中选择石绿、石黄两种颜色，采用打印宣纸对所选色彩进行打印，对打印出的色样利用PR670光谱辐射度计进行色样颜色信息的测试，最后在标准A光源下测得八种色样的Jab色坐标，为了让人眼更容易适应颜色的变化，用灰色背景布对色样进行覆盖，每种颜色留半径为2cm的圆形进行视看，保证观察者从视看位置看到色样处的视角为4°；

4)、根据每种检验色样的色坐标各准备一组待选择色样，利用RGB体系，分别以R或G或B一个维度每次增加或减少1个单位，每个方向共变化20个单位生成新的周边颜色，不同的颜色由于RGB三刺激值所处位置不同，每个维度的变化程度也不同，所以它们的变化单位并没有完全相同，但都在20个单位左右，把生成的颜色打印在宣纸上，用PR670测量生成颜色的CIEXYZ三刺激值，并转化为CIECAM02空间中的Jab色坐标，在CIECAM02这一较为均匀的色空间中进行选择排布，以每个检验色样为中心，在其附近选择六个颜色方向：一个方向上的颜色混合后仍可生成该方向上的颜色，每个方向上按照CIECAM02色差从小到大的顺序选取四个颜色得到待选择色样，打印获得的色样颜色坐标存在偏差，所以在每个方向上选取的四个颜色与检验色样的色差并不是等距分布的，需在后期进行转化，每种检验色样对应一个待选择色样样板，每个样板上有6*4＝24种色样，根据颜色变化方向、色差变化从小到大的顺序排布在一张A4大小的白纸上，待选择色样样板也由灰色背景布进行覆盖，每个色样处减制半径为2cm的圆口进行4°视角的视看；

5)、为获取各检验色样在不同光源下相比于标准光源的有效视觉色差数据，实验分为三步：

(1)在光谱可调灯箱中比较1-7号待评价光源下各色样相比较于0号标准光源的变化程度，采用两两循环比较的方式，为判断每名被试结果的准确性，每种色样的排序结束，选择出三种光源进行重复实验，根据被试的实验结果和实验时的感受选择重复实验光源，对8种色样比较结束后，第一步实验完成；

(2)第二步实验旨在找到每个被试者认为排序最好和最差的光源下相比于标准光源下每种色样的色差值，采用两个灯箱，左侧为光谱可调灯箱，右侧为标准A光源灯箱，将检验色样放置于光谱可调灯箱下，对应检验色样的待选择色样放置在标准光源灯箱下，安排被试坐在两灯箱中间，对两侧的色样进行同时视看，在待选择色样中找到待评价光源下色样的位置，可以选择两色样之间的位置，由此获得每种色样的偏色范围；

(3)第三步获得中间色差值：首先划定5个色差变化幅度，色差变化幅度单位分别为1、2、3、4、5；接下来按照被试的排序对光源进行播放，要求被试对感受到的幅度尺度进行1-5分的评分，6组打分结果为相加为最好、最坏还原性色差的差值，用实验中所获差值对幅度单位赋予量值，即可得到各中间排序光源的色差值；

6)、以实验中获得的视觉色差值作为标准，比较几种既有颜色空间的均匀性，包括CIEU*V*W*色空间、CIELAB色空间、CIELUV色空间、CIECAM02均匀色空间，根据各色样的光谱反射率计算出各光源下，各颜色在这几种颜色空间中的色坐标，从而计算出7种光源下相对于标准光源下颜色的计算色差值，色差值用欧氏距离表征，并且计算出7种光源下色差值的平均值，利用皮尔森相关系数r得到各理论色差与视觉色差之间的相关性，以此评判各颜色空间的优劣，皮尔森相关系数的结果如表8所示：

表8各颜色空间与视觉色差的相关性

根据表中的结果可知，CIECAM02空间中用欧式距离计算出的色差值与视觉色差值相关性是最大的，也就说明使用CIECAM02空间对人眼感知的色差的预测效果是最好的，所以颜色空间选择CIECAM02色空间，在其中利用各颜色的欧式距离作为颜色的色差；色适应变换公式采用CIECAM02空间配套的CAT02色适应变换公式；评价色样选择实验中使用的8种具有代表性的检验色样；最后根据可接受色差变化范围，得到下式，将色差值转化为显色指标Rfc值：

R_fc＝100-6.29ΔE_c

式中，ΔEC为计算色差值。