CN115640710B

CN115640710B - 一种基于光照保护的文物照明评价和设计系统和方法

Info

Publication number: CN115640710B
Application number: CN202211671541.8A
Authority: CN
Inventors: 党睿; 刘宇星; 刘娓
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2022-12-26
Filing date: 2022-12-26
Publication date: 2023-04-11
Anticipated expiration: 2042-12-26
Also published as: CN115640710A

Abstract

本发明提供了一种基于光照保护的文物照明评价和设计系统和方法，系统包括：文物信息扫描设备，用于获得文物图像信息；光源信息测量设备，用于测量文物表面的光源光谱信息；和交互与计算模块。所述交互与计算模块包括：文物信息输入单元，用于读取所述文物图像信息，并计算所述文物的各材料的曝光面积比例；光源信息输入单元，用于读取所述光源光谱信息；照明评价单元，用于根据所述文物图像信息和所述光源光谱信息，通过光照损伤计算模型计算所述文物的照明损伤值；和照明设计单元，用于根据所述文物表面的光源和所述文物的材料，通过光照损伤计算模型计算所述文物的照明数量推荐值和照明光源推荐色温。

Description

一种基于光照保护的文物照明评价和设计系统和方法

技术领域

本发明涉及文物保护和照明技术的交叉学科的技术领域，更具体地，涉及一种基于光照保护的文物照明评价和设计的系统和方法。

背景技术

照明损伤是造成文物损伤的重要原因，其根源是文物材料吸收光源的光谱能量后发生光化学反应，导致官能团转变或分子键断裂，呈现出褪色、变色或机械性能下降等不可逆的永久性损伤。尤其中国的书画、古籍、染色丝织品等文物，由于材质和工艺特点的特殊性，被国际照明委员会划定为最高光敏感级别展品，具有极强易损性。但由于这类文物具有极高艺术价值和观赏特性，展陈照明不可或缺。因此，无论对于文物保护展陈从业人员，还是对于照明装备生产企业，基于保护目的的照明评价和照明设计方法与工具都是迫切需求的。

当前对于文物照明的评估和设计方法多参考现行标准或技术指南，存在着以下问题：

一、在基础层面，缺乏科学的文物损伤计算理论和工具。决定光损伤程度的因素包括照射强度、照射时间、光源的相对光谱功率分布、被照材料的光谱响应特性，四项因素耦合作用下光化学反应过程非常复杂，而当前理论仅基于文物色差变化规律将以上因素简单组合，无论是损伤判定指标还是计算方法都与实际文物损伤机理与规律相差甚远。

二、在照明损伤风险评估方面，缺乏完整的评估方法与标准。该空白对于实现对文物的预防性保护，及为光源选择和新型光源准入提供判定依据带来障碍。由于每件文物的材料组成独特且复杂，且日渐普及的LED光源光谱构成灵活多变，如何根据珍贵文物的材料构成和材料特性，综合评估光源的光谱组成以及拟采用的照射强度和照射时间对文物造成的损伤是照明评估面临的主要问题。

三、在照明设计指标推荐方面，缺乏精准的照明指标推荐。当前设计多参照标准对光敏感类文物限定固定的照度、照射时间和色温等，但对文物分类不精准且推荐指标粗放。如何根据文物材料构成特点和光源光谱组成，灵活精准地推荐照明数量指标和光源参数是构建新型照明设计指标推荐方法的关键问题。

综上所述，本发明通过光照老化实验，探究典型文物材料光照损伤量化规律，并构建文物材料光照损伤计算模型。基于理论模型，提出文物整体光照损伤无量纲化计算方法、文物照明损伤阈值计算方法等，进一步构建了完整的照明损伤风险评估方法和照明设计指标推荐方法，并构建了文物照明评价和设计系统。实现了针对不同中国传统文物，采用“一事一议”的方式，精确判断照明方案的量化损伤度，并能灵活给出推荐照明指标。为文物预防性保护、光源产品开发和照明方案设计提供依据，为保存中国文化遗产的原真性、避免或减小因不科学照明造成的历史信息遗失的威胁、实现传统文化复兴的国家战略提供科技支撑。

一种基于拉曼光谱分析的文物照明损伤评价方法（公开号：CN108760712A）利用拉曼光谱对文物的照明损伤进行定量分析，选定颜料试件某一拉曼特征峰谱线作为目标谱线，然后选择另一拉曼特征峰谱线作内标谱线，利用公式求得两处拉曼光谱信号的峰强比来计算损伤。对颜料试件进行照射实验，设定标准比对光源，将待测光源损伤度于之对比，得到待测光源对文物的损伤度。但该方法求得的光源损伤仅为与标准光源对比的结果，并不能对任意待测光源的损伤度进行量化评价，且没有给出基材和颜料损伤进行整合分析的方法。

一种评价光源对中国脆弱文物照明损伤度的方法（公开号：CN109870447A）对29种颜料进行10种单色光照射实验后，取每种颜料20个周期色差值的平均值作为该种颜料受照射单色光源辐射的损伤值，得到不同波段的等能单色光对各类材料相对光致损伤值D，针对任意一种文物材料，10种单色光的损伤比例关系，然后通过光谱匹配（任意光源的光谱都可由多个单色光光谱叠加得到）得到不同光源的损伤度，以此进行损伤评价。但该种方法只对颜料进行了实验，且未解决颜料与基材综合评价的问题。

基于主客观实验数据的LED照明质量评价方法及系统（公开号：CN105136432A），包括输入针对发光样本采用预设LED照明评价角度所得的主观实验数据，对每组发光样本的主观得分均值进行统计；对于各组发光样本，以光谱辐射度计测量光谱功率分布，截取可见波长范围的数据，计算客观评价指标；通过多元非线性拟合方法，构建不同发光样本条件下主观得分均值与对应客观评价指标之间的关联性模型；对于待评价的发光样本，以光谱辐射度计测量其光谱功率分布，截取可见波长范围的数据，计算客观评价指标，依据关联性模型得到对应得分估计值，实现光源照明质量的表征。该发明提供了一种具有使用灵活且具有针对性的LED照明质量评价方法，可保障评价准确率，且实施方便。但该发明主要用于评价LED光源的照明质量，不能评价照明对绘画色彩的影响程度。

在恒温恒湿条件下，以10种不同波段窄带光谱作为实验光源、以17种典型彩绘文物颜料作为实验样本开展累积1440 h的照射实验，以240 h为周期测量样本的色彩参数并转换为色差指标。绘制在10种窄带光谱照射下17种颜料的色差随曝光量变化曲线，并拟合得到颜料对光谱的响应函数，代入

，形成彩绘文物照明光源的光谱损伤度评价公式。（赵楷卿,党睿.基于光谱分析的彩绘文物照明光源损伤度评价方法[J].光谱学与光谱分析,2021,41(06):1886-1890）

得到构成白光 LED 光谱的主要单色光对中国传统淡彩绘画色彩的影响规律，以构成白光 LED光谱的 4 种主要单色光作为实验光源，分组照射中国传统淡彩绘画模型试件。根据检测数据绘制主波长、兴奋纯度、亮度 3 个参数随总曝光量积累的衰变曲线，基于曲线分析得到各种淡彩绘画颜料在光照下的色彩衰变规律，并根据实验数据计算得到 4种单色光对绘画色彩主波长的影响关系为 482 nm : 510 nm : 583 nm : 650 nm = 8147 :9067 : 9772 : 9121；对兴奋纯度的影响关系为482 nm : 510 nm : 583 nm : 650 nm =89446 : 85250 : 76895 : 69229；对亮度的影响关系为 482 nm : 510 nm : 583 nm :650 nm = 137 : 238 : 190 : 177。(党睿,刘杰,刘刚,原野.构成白光LED的单色光对中国淡彩绘画色彩的影响[J].发光学报,2017,38(11):1545-1552)

国内外典型博物馆进行现场以书画类等敏感性展品为例对调研成果进行分析研究，说明目前展陈照明在照明方式、照明光源、照度指标方面所存在的问题，为博物馆的文物光照保护提供参考。（党睿、张明宇，基于文物保护的博物馆展陈照明调查研究[J]，照明工程学报，2013，24（3）：18-23）

不同光敏感度展品可承受的最大光照射量不同，目前使用“表面照度”和“总曝光量”两项参数作为照明数量限定指标。（赵建平、肖辉乾、王书晓、罗涛、张滨，博物馆照明设计标准的研究[C].第十届全国建筑物理学术会议论文集，2008）

目前与本申请相关的国家标准为《博物馆照明设计规范》（GB/T 23863-2009），该标准中对于中国传统绘画照明的光源选择相关条文如下：

（1）选择光源时，应在满足文物保护、显色性等要求的条件下，根据光源、灯具及镇流器等的效率、寿命、和价格在进行综合技术经济分析比较后确定。

（2）陈列室宜采用卤素灯、小功率的金属卤化物灯或其他适用的新型光源。

（3）陈列和收藏文物的场所应使用无紫外线光源。

（4）文物陈列室直接照明光源的色温应小于3300K。

（5）对光特别敏感性的展品：织绣品、绘画等照度不高于50lx。

（6）对于中国传统绘画等对辨色要求高的类型，光源一般显色指数（Ra）不应低于90。

然而，该标准对光源的限定不够精确，标准模糊，导致可符合条件的光源的光谱构成差异巨大，而以往的研究表明，不同光谱的光源对于文物损伤有明显差异，因此对中国传统文物的色彩损伤程度也不同。中国传统文物的类型繁多，不同类型文物基材不同，颜料种类也有很大差异，它们对光谱的吸收反射特性不同，且不同作品基材和颜料的暴露比例也大相径庭，但目前标准中并未说明博物馆常用光源对不同类型文物的损伤度情况。

当前标准中给出的相关指标是在对传统光源进行研究的基础上得到，而现在博物馆中使用的照明光源种类渐多，其发光原理和光谱构成与传统光源存在较大差异，对文物材料的损伤程度不明。该标准已经不能适用于日益更新的光源类型，其实际适用性和对文物的损伤度缺乏评判标准，急需一种对各类光源及普适性的损伤评价及照明设计方式。

综上所述，由于目前在中国传统文物保护性照明方面的研究主要是对光照影响文物的机理进行定性描述，同时目前《博物馆照明设计规范》（GB/T 23863-2009）并不能对中国传统文物的保护性照明提供精确指导。

因此，现有技术中亟需基于理论研究且能够量化衡量不同光源光学辐射对中国传统文物的影响及照明设计，利用该方法评价不同光源对文物的损伤程度，并为不同文物选择合适光源和照明指标，从而提升文物的光照保护的技术方案。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了如下技术方案。

一种基于光照保护的文物照明评价和设计系统，包括：

文物信息扫描设备，用于获得文物图像信息；

光源信息测量设备，用于测量文物表面的光源光谱信息；和

交互与计算模块；

所述交互与计算模块包括：

文物信息输入单元，用于读取所述文物图像信息，并计算所述文物的各材料的曝光面积比例；

光源信息输入单元，用于读取所述光源光谱信息；

照明评价单元，用于根据所述文物图像信息和所述光源光谱信息，通过光照损伤计算模型计算所述文物的照明损伤值；和

照明设计单元，用于根据所述文物表面的光源和所述文物的材料，通过光照损伤计算模型计算所述文物的照明数量推荐值和照明光源推荐色温。

所述光源光谱信息包括光源照度、光源照射时间和光源光谱功率分布，所述光照损伤计算模型包括文物材料光照损伤计算模型和文物整体光照损伤计算模型；并且

所述计算所述文物的照明损伤值包括：

将所述文物的各材料曝光面积的比例、光源光谱功率分布、照射强度、照射时间代入所述文物材料光照损伤计算模型，获得所述文物中各材料的光照损伤值；和

将所述文物中各材料的光照损伤值代入所述文物整体光照损伤计算模型，获得所述文物的整体光照损伤值，作为所述文物的照明损伤值。

所述文物材料光照损伤计算模型为：

其中，n为文物的各材料的代号，所述材料包括文物表面相应的颜料或未被颜料覆盖而直接暴露在空气中的相应的基材，n值代表相应的颜料或基材；

D_n表示文物的相应材料的照明损伤值；

f_n(E, t)表示文物材料的照明损伤值在照度E和时间t耦合作用下的变化函数；

P_n(λ)表示文物材料的照明损伤值随光源波长λ的变化函数；

S(λ)表示照射文物材料的光源的相对光谱功率分布；

S₀(λ)为等能白光D55标准光源的相对光谱功率分布；

所述文物整体光照损伤计算模型为：

其中，D为文物的照明损伤值，D₀为颜料或基材的损伤基准，α_n代表文物表面相应的颜料或未被颜料覆盖而直接暴露在空气中的相应的基材的面积占比。

所述照明数量推荐值包括推荐照度值和/或推荐照射时间；

所述计算所述文物的照明数量推荐值包括：

根据文物损伤阈值计算模型，计算所述文物的损伤阈值；

其中，文物损伤阈值计算模型为：

其中，D_THR为所述文物的损伤阈值，α_n代表所述文物的各材料曝光面积比例，D_{THR_n}代表文物中各材料的损伤阈值；所述材料包括文物表面相应的颜料或未被颜料覆盖而直接暴露在空气中的相应的基材；

将所述文物的各材料的种类和各材料的曝光面积的比例α、光源光谱功率分布S(λ)代入；并且

令D=D_THR，并将光源光谱功率分布、所述文物的各材料曝光面积的比例代入文物损伤计算模型，求解照明数量推荐值；

其中，D为文物的照明损伤值。

所述求解照明数量推荐值包括：

输入遍历照度值的求解范围和遍历步长；

根据所述文物的所述损伤阈值和预先设定的照射时间，逐步比较每一照度值下的文物的照明损伤值与所述损伤阈值的损伤差值，进而求得所述损伤差值最小时的最高照度，作为推荐照度值；

所述求解照明数量推荐值还包括：

输入遍历照射时间的求解范围和遍历步长；

根据所述文物的所述损伤阈值和预先设定的照度值，逐步比较每一照射时间间隔后的文物的照明损伤值与所述损伤阈值的损伤差值，进而求得所述损伤差值最小时的最高照射时间，作为推荐照射时间。

所述计算所述文物的照明光源推荐色温包括：

根据光谱拟合原理，对不同波段的窄带光谱分别进行叠加，获得所述不同波段的窄带光谱所能构成的所有的光谱组成形式；

根据色温、色偏差值、显色指数、保真度和色域指标对所有的光谱组成形式进行筛选，获得多组基础光谱；

根据预设的区间步长，对筛选得到的基础光谱按色温进行分区；

根据所述文物的各材料曝光面积的比例，以及预设的拟照射时间和强度，将筛选到的每条光谱代入所述光照损伤计算模型中，分别计算每条光谱对应的光源对所述文物的照明损伤值；根据上述分区，对每个区间的所有光谱对应的光源对所述文物的照明损伤值求平均值，得到各区间对所述文物的平均照明损伤值；和

比较各区间对所述文物的平均照明损伤值，选取最低损伤区间的色温作为照明光源推荐色温。

本申请还提供了以下的技术方案。

一种基于光照保护的文物照明评价和设计方法包括以下步骤：

获得文物图像信息；

测量文物表面的光源光谱信息；

读取所述文物图像信息，并计算所述文物的各材料的曝光面积比例；

读取所述光源光谱信息；和

根据所述文物图像信息和所述光源光谱信息，通过光照损伤计算模型计算所述文物的照明损伤值；和/或

根据所述文物表面的光源和所述文物的材料，通过光照损伤计算模型计算所述文物的照明数量推荐值和照明光源推荐色温。

所述计算所述文物的照明损伤值包括以下步骤：

将所述文物的各材料曝光面积的比例、光源光谱功率分布、照射强度、照射时间代入所述文物材料光照损伤计算模型，获得所述文物中各材料的光照损伤值；

所述照明数量推荐值包括推荐照度值和/或推荐照射时间；

所述计算所述文物的照明数量推荐值包括以下步骤：

根据文物损伤阈值计算模型，计算所述文物的损伤阈值；

其中，文物损伤阈值计算模型为：

其中，D为文物的照明损伤值。

所述计算所述文物的照明光源推荐色温包括以下步骤：

本申请的技术方案与现有技术相比的有益效果是：能够快速检测照明参数、光源光谱、以及文物图像信息，并且能实现对文物中各类材料曝光面积比例的精准计算；能够在读取文物信息和照明信息后直接输入计算机相关计算模块中，实现对文物照明方案损伤度的量化计算，精准评估文物照明方案；能够基于保护目的，以“一事一议”的方式对文物照明数量指标和光源色温个性化推荐，以实现预防性保护的文物照明设计。

附图说明

图1是根据本申请的基于光照保护的文物照明评价和设计系统的硬件构成；

图2 是基于光照保护的文物照明评价和设计系统的整体逻辑示意图；

图3 是交互与计算模块系统的界面分区示意图；

图4 是文物表面材料曝光面积比例计算的流程图；

图5 是D55标准光源的光谱图；

图6是文物材料光照损伤计算模型构建过程示意图；

图7是本申请的实施例中10种波长的窄带单色光源的光谱图；

图8是质基材的损伤值随照度变化的变化率曲线(t=1248 h)；

图9 是遍历法求解推荐照度的流程图；

图10是基于光照保护的文物照明评价和设计系统的实施例。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行说明。

图1示出了本申请的基于光照保护的文物照明评价和设计系统的整体架构，该系统包含文物信息扫描设备，光源信息测量设备，以及交互与计算模块组成。本系统通过读取文物信息和测量光源信息，结合计算机端算法，实现对文物照明光环境的量化评价，以及对文物的定制化照明设计。

整套系统的逻辑结构如图2所示。

所述的文物信息扫描设备用于获取文物表面的二维图像信息，本实施例以一种大幅面艺术品扫描仪为例说明，主要技术参数如下：

类型：非接触式大幅面扫描仪

成像原理：独立封装线性CCD光学成像

光源：LED

光学分辨率：1000 dpi

扫描精度：±0.08%

色彩捕捉：48位彩色，16位灰度

色域空间：sRGB

所述光源信息测量设备用于测量照射文物的光源指标，包含照度以及光源光谱功率分布，本实施例选用CL-500A分光辐射照度计为例说明，主要技术参数如下：

光谱波长范围：360 nm~780 nm

输出波长间隔：1 nm

光谱波长宽度：约10 nm

波长精度：±0.3 nm

测量范围：0.1~100,000 lx

精度：±0.0015 (10～100,000 lx)；±0.002 (5～10 lx)

交互与计算模块搭载包括文物信息输入单元，光源信息输入单元，照明评价单元和照明设计单元。

交互与计算模块搭载在计算机端，并构建图3所示的可视化界面。

如图3所示，为交互与计算模块构建的可视化界面包含信息展示区，用于展示文物信息扫描设备扫描获取的文物图像信息以及测量得到的光源光谱信息；信息输入区，用于读取光源信息测量设备测量的文物和光源信息，或手动载入信息，并计算文物中各材料曝光面积占比；功能区，用于照明评价和照明设计功能交互与实现；以及结果展示区，用于展示照明评价和设计指标推荐结果。

交互与计算模块内容及构建过程

以下将结合图2与图3内容对交互与计算模块进行详细说明。

交互与计算模块包括文物信息输入单元和光源信息输入单元。

文物信息输入单元和光源信息输入单元可视化地搭载到界面的信息输入区。

文物信息输入单元旨在读取文物二维图像，并计算其中各类材料曝光面积占比。通过控制按钮获取与计算机设备直连的扫描仪扫描到的文物图像，或手动上传适用的文物图像。进而，采用像素点色坐标法获取文物中个材料面积占比。计算过程包含如下步骤：

手动选择文物中包含的颜料，采集该目标颜料的色坐标（X，Y，Z），并设置每个色坐标波动范围，即（X±X₀，Y±Y₀，Z±Z₀），以减小计算误差；

遍历所有像素点及其色坐标（X_n，Y_n，Z_n），求出与目标颜料色坐标（X±X₀，Y±Y₀，Z±Z₀）相符的像素点占全部像素点的比例，算法如图4所示；

对所有颜料重复以上操作，获得各颜料占比α₁, α₂, α₃, …, α_i，剩余部分即为基材占比 α_s=1-(α₁+α₂+α₃+…+α_i)。

光源信息输入单元，通过控制按钮获取与计算机设备直连的分光辐射照度计获取文物表面的光源照度E、光源光谱信息S(λ)，另提供手动输入照度E、照射时间t及手动上传光源光谱功率分布文件(.csv、.xlsx等格式)。

照明评价

功能区包含照明评价功能。该功能旨在对已有的文物照明方案做出评价，该系统通过照明评价单元进行量化计算照明对文物的损伤值实现。

照明评价功能将输入区获得的文物中各类材料曝光面积占比α、光源光谱功率分布S(λ)、照射强度E、照射时间t代入核心的文物光照损伤计算模型得到照明方案对文物的损伤值，以实现对照明方案的量化评价。

此外，还内置了D55标准光源光谱S₀(λ)（图5）作为参考，以计算D55光源损伤值并提供对比，更直观表现待测方案的光照损伤度。同时，也可以通过控制指标变量的方法，探究某变量对于文物光照损伤的影响，例如，在输入时保持S(λ)、照射时间t以及照射的文物对象不变，可以通过改变照度E输入，探究照度E对文物光照损伤度的影响。

文物光照损伤计算模型包括文物材料光照损伤计算模型和文物整体光照损伤计算模型。具体内容如下：

文物材料光照损伤计算模型是根据照明指标，对文物中各类材料的光照损伤实现量化计算的数学模型，其具体形式如式1所示。其核心为不同类型材料的“损伤-照度-时间”模型f_n(E, t)和“损伤-波长”模型P_n(λ)，由图6所示方法得到。

（1）

公式（1）中，n为文物材料代号，n值不同对应不同的颜料或基材。D_n表示材料损伤度，为无量纲值，定义为单位能量的标准光源D55在一定照射时间下对颜料的损伤。其中，颜料表现为色彩损伤，用光照前后色差变化表征；基材表现为机械损伤，对于纸质基材，用光照前后氧化指数变化表征；对于绢质基材，用光照前后结晶度变化表征。f_n(E, t)表示材料损伤度在照度E和时间t耦合作用下的变化规律。P_n(λ)表示材料损伤度随光源波长λ的变化规律。

S(λ)表示照射文物材料光源的相对光谱功率分布。S₀(λ)为等能白光D55标准光源的相对光谱功率分布。计算结果D_n为无量纲的统一的色彩损伤或机械损伤。

本申请中的基材包括纸类基材和绢类基材。

本实施例中，图6显示了该计算模型的实验构建过程，具体步骤如下：

S1、在全暗光学实验室的温湿度恒定照明实验箱中进行周期光老化实验，本实施例照射对象为中国传统文物中的典型材料样本，包含基材和颜料：其中，基材包括清代原件纸、绢，颜料包括6种有机颜料及15种无机颜料。

S2、以等能白光D55标准光源（图5）为试验光源研究了照度E和光照时间t耦合下材料的光照损伤f_n(E, t)，设置4项照度梯度（50 lx、100 lx、150 lx、200 lx）。

以10种窄带单色LED光源（如图7，波长λ分别为447 nm、475 nm、500 nm、519 nm、555 nm、595 nm、625 nm、635 nm、658 nm、733 nm）为试验光源研究了波长λ对材料光照损伤的规律P_n(λ)。

S3、测试损伤指标：每个照明周期，分别用傅里叶红外变换光谱仪和分光光度计对基材和颜料进行测试，以量化其损伤程度。如图6所示，分别以氧化指数、结晶度和色差来评价纸质基材、绢质基材和颜料的损伤。

S4、整理分析测试数据，拟合得到材料的“损伤-照度-时间”及“损伤-波长”模型方程f_n(E, t)和P_n(λ)，通过数学整合得到式1所示的文物材料光照损伤计算模型。本实施例中，共包含了2种基材和21种颜料的中国传统文物典型材料的计算模型。

S5、以纸质基材和藤黄（有机颜料）、石墨（无机颜料）为例，得到的模型方程如公式（2）-（7）所示。

纸质基材（材料代号22）：

(2)

(3)

藤黄颜料（材料代号1）：

(4)

(5)

石墨颜料（材料代号21）：

(6)

(7)

图7中示出了选取的10种窄带LED光源的光谱。

文物整体光照损伤计算模型旨在将文物中各类材料的光照损伤经过数学化处理后求和，以对文物整体的光照损伤量化评估，其具体形式如公式（8）所示：

（8）

公式（8）中，α_n代表被照文物表面某颜料（或未覆盖颜料直接暴露的某类基材）的面积占比。D₀为颜料或基材损伤基准，其对于颜料和基材分别定义了固定值。

损伤基准的定义方式如下：

（1）不同基材和颜料的损伤值衡量标准不同，因此给文物整体的照明损伤计算带来困难。而理论上文物损伤无上限，无法通过标定最高值归一化的手段消除数量级差异。因此拟定义损伤基准，通过实际损伤值除以损伤基准获得相对损伤值，消除因衡量标准不同而产生的损伤指标数量级差异，实现不同材料损伤的无量纲化比较。

（2）损伤值通过选择标准光源，将标准光源光谱和限定的照明参数代入式1模型计算获得该光源在限定条件下对文物材料造成的损伤，作为损伤基准。

（3）在本实施例中，由于D55在可见光范围内的光谱功率分布较均匀，各波段比例较为接近，能最大限度消除光谱差异，因此被选作为基准光源。另外，在本实施例中，限定照度值为50 lx，照射时间为100 h，代入式1计算获得各材料的损伤基准值D₀。其中，颜料的损伤基准值由21种中国传统文物典型颜料的损伤值求均值得到。详见表1。

照明设计

所述的功能区包含文物照明设计功能。该功能旨在为设计文物展出时推荐合适的照明条件。包含照明数量指标推荐和照明光源色温推荐两项基本单元，分别获得照明数量推荐值和照明光源推荐色温。

照明数量指标推荐指根据已经选择的光源和被照射文物，结合设展需求，在文物可承受的损伤范围内，推荐合适的推荐照度值E，或推荐照射时间t。

照明数量指标推荐是对文物光照损伤模型的进阶应用，基于式1和式2建立的模型，通过对方程反向求解，推荐合适的照度值E或照射时间t。

即在扫描文物后可获得文物中各类材料的曝光面积比α，测量光源后可获得S(λ)，根据文物中的材料种类可调取对应的f(E, t)函数和P(λ)函数，在确定文物能承受的损伤上限D_THR后，即可反向求解照度E和时间t，这两个未知量根据实际情况知一求一。

因此，求解照明数量指标推荐值的前提是获得文物能承受的损伤上限，即确定损伤阈值D_THR。本实施例提供了一种文物损伤阈值计算模型，如式（9）所示。

（9）

公式（9）中，α_n代表各材料曝光面积比例，D_{THR_n}代表文物中各材料的损伤阈值。

对于颜料，国际照明委员会（CIE）157:2004中提出文物“明显褪色”的评价指标为色差不超过1.6，因此，将颜料损伤阈值确定为1.6。前文所述颜料损伤基准为0.61，则无量纲处理后的颜料相对损伤阈值为2.64。

对于基材，本申请采用了氧化指数变化量和结晶度变化量分别表示纸和绢质基材的损伤，在相关标准中尚未有明确量化规定。本申请将采用如下方式定义损伤阈值：

基材损伤阈值代表其在照明条件下能承受的最大损伤度，可通过限定波长、时间、照度，计算阈值。以纸质基材为例，损伤阈值确定方式如下：

因为D55光源在可见光波段功率分布较均匀，可以消除波长λ差异带来的影响，所以本实施例采用其定义损伤阈值。

在不考虑波长λ影响后，对损伤D影响的物理量仅有照度E和照射时间t，在此情况下研究“损伤-照度-时间”模型f(E, t)即可。

考虑到博物馆开放参观时间及实际布展周期需求，在本实施例中，照射时间t的优先级较高。故先确定时间t，之后再进一步寻找可承受的最高照度E来确定损伤阈值。

当前，中国传统彩绘文物的年平均照射时间为156天，每天平均8小时，合计1248小时，因此，可将时间限定为1248 h，代入纸质基材模型得到f(E, 1248 h)，如图8所示，即在照射时间为1248小时下，损伤度随照度E在0~200 lx的变化。

图中显示，纸质基材损伤随照度的增长呈现“高速-缓慢-高速”的趋势，中间存在一段缓慢增长的“平台期”，“平台期”后损伤又呈现随照度高速增长状态。GB/T 23863《博物馆照明设计规范》推荐对光敏感类文物的照度为50 lx，因此，本实施例选取与照度50 lx处损伤增速相同的点作为“平台期终点”，并作为界定损伤阈值的点。即超过“平台期”后损伤的第二高速增长阶段是不能接受的。

通过计算和比较斜率，“平台期终点”照度为99.8 lx，代入“损伤-照度-时间”模型，计算f(99.8 lx, 1248 h)为0.5511，即损伤阈值为0.5511。前文所述纸质基材损伤基准为0.1527，则无量纲处理后纸质基材的相对损伤阈值为3.61。

与纸质基材同理，可以算出绢质基材的损伤阈值为0.0156，无量纲处理后绢质基材的相对损伤阈值为7.84。

获取损伤阈值后，即可进行照明数量指标推荐，步骤如下：

（1）基本信息读取：通过信息输入系统，获得光源相对光谱功率分布S(λ)、文物的基材颜料种类及面积占比α；

（2）损伤阈值计算：根据损伤阈值计算单元中详述内容，计算文物的损伤阈值；亦可手动输入指定的损伤阈值；

（3）照明数量推荐值求解：令D=D_THR，并将S(λ)、α代入文物损伤计算模型，可实现对照明数量推荐值的求解。共有以下三种模式：模式一、默认地，对于一般文物，代入国内通行年照射时间t₀=1248 h，求出推荐照度值E；模式二、特殊地，对于有展出时间要求的珍贵文物，输入要求的照射时间t，求出推荐照度值E；模式三、特殊地，对于有照度要求的珍贵文物，输入要求的照度E，求出推荐照射时间t。

（4）算法实现：照明数量指标推荐是对照明损伤模型方程的反向求解，由于为高阶方程，直接求解困难，可采用遍历算法简化运算过程。以照度E求解为例，在输入E求解范围和遍历步长后，已知照射时间t和损伤阈值D_THR，可逐步比较每种照度情况的文物的照明损伤值D与损伤阈值差距ΔD，进而求得损伤差值ΔD最小时即适宜的最高照度E。具体算法如图所示，照射时间t求解同理。

照明光源色温推荐

色温是反映光源光谱特点的一项指标，由于光源的光谱复杂多样，本系统仅对光源色温做推荐，推荐满足视觉观赏需求的最低损伤的色温区间。

色温推荐也是对文物光照损伤模型的进阶应用，是对公式（1）与公式（8）模型的正向计算，即直接计算不同色温区间光谱对被照射文物的光照损伤，进而推荐损伤最小的色温。计算步骤如下：

（1）光谱组合：根据光谱拟合原理，对不同波段的窄带光谱分别赋予一定强度，进行叠加，可获得所有的光谱组成形式。本实施例以2 W/m²为步长，上限为12 W/m²，以图7所示的10种窄带光为基础，组合获得6¹⁰组光谱。用户可通过调整步长，改变获得光谱的数量，以实现计算精度的调整。

（2）光谱筛选：综合考虑国内外展示指标体系，根据以下条件对光谱进行进一步筛选：相关色温（2650K≤CCT≤4150K）；色偏差值（︱D_uv︱≤0.0054）；国际照明委员会（CIE）规定的显色指数 CRI（R_a≥90且R₉≥50）；保真度（R_f≥70）；色域指标（R_g≥88，-12%≤R_cs,h1≤15%）。筛选结束后，共获得448488组基础光谱。

（3）光谱分区：对筛选得到的符合条件的光谱按色温进行分区，区间长度可通过用户输入确定。例如，以100 K为步长分区，即分为2650 K~2750 K、2750 K~2850 K、2850 K~2950 K、……、4050 K~4150 K。

（4）损伤计算：根据信息输入系统，获取文物中各材料曝光面积占比，以及根据设展需求输入拟照射时间与强度。将筛选到的每条光谱代入式1与式8模型中，分别计算对文物的整体损伤。根据上述分区，对每个区间的所有光谱损伤结果求均值，得到各色温区间对该文物的平均损伤。

（5）色温推荐：比较各区间对文物的平均损伤值，选取最低损伤区间作为推荐结果。

如图10，本实施例将对本发明的基于光照保护的照明评价和设计系统的应用进行举例说明：

（1）使用大幅面艺术品扫描仪设备扫描，获得文物图像文件。本实施例节选《千里江山图（节选）》图像信息，另存为系统可识别的文件。

（2）使用CL-500A分光辐射照度计，获得光源光谱信息.xlsx文件，获得文物表面照度为50 lx。本实施例所用光源为2900K LED光源。

（3）打开计算机端的交互与计算模块，读取文物图像信息文件，选择并输入主要颜料类型和色坐标，详见表2。

注：石绿在图片中的色彩表现差异较大，因此将石绿颜料分为两种色彩计算后相加。

经运算获得各颜料和基材占比，结果见表3。

（4）读取CL-500A分光辐射照度计获得的光谱S(λ)，照度E=50 lx，并手动输入拟照射时间t=1248 h。

（5）照明评价：在照明评价功能区，点击计算按钮。运算完成后，输出结果。结果显示待测光源的相对损伤度为3.94，D55光源相对损伤度为4.93。

（6）照明设计-照明数量指标推荐：在照明设计功能区选择照明数量指标推荐功能，输入照度E的计算范围为0~300 lx，计算步长为1 lx。点击计算按钮，运算完成后，输出结果。结果显示待测光源的推荐照度小于等于94 lx，推荐年曝光量小于117312 lx·h。

（7）照明设计-光源色温推荐：在照明设计功能区选择光源色温推荐功能，输入光谱叠加精度为2，色温区间100K。点击计算按钮，运算完成后，输出结果。结果显示对该《千里江山图（节选）》的推荐色温区间为3200±50 K。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于光照保护的文物照明评价和设计系统，其特征是，包括：

文物信息扫描设备，用于获得文物图像信息；

光源信息测量设备，用于测量文物表面的光源光谱信息；和

交互与计算模块；

所述交互与计算模块包括：

文物信息输入单元，用于读取所述文物图像信息，并计算所述文物的各材料曝光面积比例；

光源信息输入单元，用于读取所述光源光谱信息；

照明设计单元，用于根据所述文物表面的光源和所述文物的材料，通过光照损伤计算模型计算所述文物的照明数量推荐值和照明光源推荐色温；

所述计算所述文物的照明损伤值包括：

将所述文物中各材料的光照损伤值代入所述文物整体光照损伤计算模型，获得所述文物的整体光照损伤值，作为所述文物的照明损伤值；

所述文物材料光照损伤计算模型为：

D_n表示文物的相应材料的照明损伤值；

f_n(E,t)表示文物材料的照明损伤值在照度E和时间t耦合作用下的变化函数；

P_n(λ)表示文物材料的照明损伤值随光源波长λ的变化函数；

S(λ)表示照射文物材料的光源的相对光谱功率分布；

S₀(λ)为等能白光D55标准光源的相对光谱功率分布；

所述文物整体光照损伤计算模型为：

其中，D为文物的照明损伤值，D₀为颜料或基材的损伤基准，α_n为各材料曝光面积的比例，即文物表面相应的颜料或未被颜料覆盖而直接暴露在空气中的相应的基材的面积占比。

2.根据权利要求1所述的基于光照保护的文物照明评价和设计系统，其特征是，所述照明数量推荐值包括推荐照度值和/或推荐照射时间；

所述计算所述文物的照明数量推荐值包括：

根据文物损伤阈值计算模型，计算所述文物的损伤阈值；

其中，文物损伤阈值计算模型为：

令D＝D_THR，并将光源的相对光谱功率分布S(λ)、所述文物的各材料曝光面积的比例α_n代入文物损伤计算模型，求解照明数量推荐值；

其中，D为文物的照明损伤值。

3.根据权利要求2所述的基于光照保护的文物照明评价和设计系统，其特征是，所述求解照明数量推荐值包括：

输入遍历照度值的求解范围和遍历步长；

所述求解照明数量推荐值还包括：

输入遍历照射时间的求解范围和遍历步长；和

4.根据权利要求1所述的基于光照保护的文物照明评价和设计系统，其特征是，所述计算所述文物的照明光源推荐色温包括：

5.一种基于光照保护的文物照明评价和设计方法，其特征是，包括以下步骤：

获得文物图像信息；

测量文物表面的光源光谱信息；

读取所述光源光谱信息；和

根据所述文物表面的光源和所述文物的材料，通过光照损伤计算模型计算所述文物的照明数量推荐值和照明光源推荐色温；

所述计算所述文物的照明损伤值包括以下步骤：

所述文物材料光照损伤计算模型为：

D_n表示文物的相应材料的照明损伤值；

P_n(λ)表示文物材料的照明损伤值随光源波长λ的变化函数；

S(λ)表示照射文物材料的光源的相对光谱功率分布；

S₀(λ)为等能白光D55标准光源的相对光谱功率分布；

所述文物整体光照损伤计算模型为：

6.根据权利要求5所述的基于光照保护的文物照明评价和设计方法，其特征是，所述照明数量推荐值包括推荐照度值和/或推荐照射时间；

所述计算所述文物的照明数量推荐值包括以下步骤：

根据文物损伤阈值计算模型，计算所述文物的损伤阈值；

其中，文物损伤阈值计算模型为：

令D＝D_THR，并将光源光谱功率分布S(λ)、所述文物的各材料曝光面积的比例α_n代入文物损伤计算模型，求解照明数量推荐值；

其中，D为文物的照明损伤值。

7.根据权利要求5所述的基于光照保护的文物照明评价和设计方法，其特征是，所述计算所述文物的照明光源推荐色温包括以下步骤：