中國古典園林彩畫微環(huán)境監(jiān)測及色彩衰變規(guī)律研究

中國古典園林彩畫微環(huán)境監(jiān)測及色彩衰變規(guī)律研究

劉剛，雒琛，黨睿，王立雄，劉哲，原野

(天津大學 建筑學院，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室，天津 300072)

摘要：為得到微環(huán)境參數(shù)對古建園林彩畫色彩衰變量化影響規(guī)律，以頤和園為樣本，選取頤和園典型彩畫作為研究對象，并開發(fā)微環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，對彩畫所處微環(huán)境信息進行全年實時監(jiān)測，得到溫濕度、風速及照度數(shù)據(jù)。同時，選取頤和園典型彩畫進行周期性測試，提取彩畫色坐標及亮度參數(shù)，并根據(jù)所采集的色彩信息計算出色彩的主波長及興奮純度，并擬合主波長、興奮純度、亮度隨時間的衰變曲線。通過將微環(huán)境測試數(shù)據(jù)與色彩衰變曲線進行對比分析，發(fā)現(xiàn)溫度、濕度、風速對彩畫色彩影響較小，光照是造成彩畫色彩衰變的主要因素，而且光照對彩畫色相、亮度、興奮純度3個參數(shù)的影響程度不同，不同顏色受光照影響變化程度也有較大差異。

關(guān)鍵詞：彩畫；色彩衰變；微環(huán)境；色坐標；亮度

Received:2015-10-23

Foundation item：National Natural Science Foundation of China (No. 51308384); Natural Science Foundation of Tianjin (No. 13JCQNJC07600); Pei Yang Scholar Plan of Tianjin University (0903061014).

Author brief： Liu Gang (1977-), PhD, associate professor, main research interest: building technology science, (E-mail) lglgmike@163.com.

彩畫作為園林建筑的特殊組成部分，不僅呈現(xiàn)出優(yōu)美絢麗的色彩，同時反映著特定歷史時代信息，更能體現(xiàn)中華民族深厚的傳統(tǒng)文化底蘊。但彩畫也是建筑中對環(huán)境變化最為敏感的文物類型之一，極易受到侵蝕與破壞。由于彩畫大都暴露于室外，受溫、濕、風、光等因素影響而出現(xiàn)褪色、開裂、粉化的現(xiàn)象[1]，降低彩畫原真性及古文化遺產(chǎn)價值。

學者們基于微環(huán)境對各類古代繪畫影響問題進行過大量研究工作，敦煌莫高窟作為壁畫寶庫，是研究的重點對象之一。王亞軍等[2]對莫高窟內(nèi)的相對濕度進行了監(jiān)測與分析，發(fā)現(xiàn)相對濕度達到70%以上時，文物的病變速率大于相對濕度較低的時候。Zhai等[3]對利用LED光源進行照明時，照度及色溫對觀察彩畫的影響進行研究，發(fā)現(xiàn)照度對觀察彩畫時舒適度的影響大于色溫。而濕度對彩畫及文物的影響主要為霉變作用[4]。溫度變化會導致壁畫地仗層和顏料層內(nèi)部應力產(chǎn)生變化，導致壁畫開裂[5]。對于風環(huán)境，王旭東等[6]對莫高窟的風化特征進行了研究，發(fā)現(xiàn)莫高窟崖體風化主要為物理風化。博物館中的書畫展品由于對光照的高敏感性，是近年來的另一研究熱點。國際照明委員會技術(shù)報告[7]研究表明，光學輻射與展品蛻變有著明晰的關(guān)系。Pozzi等[8]利用拉曼光譜對油畫中的紅色顏料的成分進行了研究，發(fā)現(xiàn)當溫度達到70℃時就會對顏料產(chǎn)生破壞。北美照明學會技術(shù)報告[9]提出，光照對材料的損害有積累性，并且不同光敏感度展品可承受的最大光照射量不同。Cuttle[10]研究了油畫受到光化學輻射產(chǎn)生褪色和變色的現(xiàn)象。Sun等[10]對如何移除壁畫表面無用的保護材料而不損害表面本身進行了研究，結(jié)果顯示，在使用移除不需要的保護材料時，不能用水溶性的材料。黨睿等[11]用低色溫高顯色性WLED對中國傳統(tǒng)書畫模型的光照影響實驗，得到WLED對書畫色相、飽和度、明度的量化影響規(guī)律。頤和園作為世界文化遺產(chǎn)，擁有中國最為豐富和系統(tǒng)的園林彩畫資源。園中彩畫是清晚期彩畫風格的代表作，可稱作是教科書似的范本，將彩畫推向了一個藝術(shù)高峰[1]。對于光照對彩畫等文物的影響，馬劍等[1]針對天然光照造成清

代皇家古建筑彩畫的褪色、粉化、開裂、脫落等現(xiàn)象，以頤和園彩畫為樣本，采用太陽輻射模擬系統(tǒng)對實體模型進行實驗室天然光照實驗，確定天然光照對彩畫老化程度的影響。黨睿等[12]針對天然光及人工照明對彩畫損害問題，基于現(xiàn)場測量、實驗室實驗、計算機分析等手段，建立了“頤和園彩畫信息數(shù)字化保護與應用系統(tǒng)”，為彩畫修繕及保護提供信息副本。但莫高窟壁畫和中國傳統(tǒng)書畫在所處物理環(huán)境、歷史年代、繪畫基材顏料等均與古建園林彩畫存在較大差異，研究結(jié)論并不能直接用于古建彩畫。天津大學課題組對于彩畫的前期研究主要是基于實驗室光照模擬實驗，而非采用現(xiàn)場數(shù)據(jù)實測方法，同時，研究僅針對光照影響，未涉及溫度、濕度、風等其他物理環(huán)境參數(shù)。

為得到物理環(huán)境參數(shù)對古建園林彩畫色彩衰變量化影響規(guī)律，以頤和園長廊彩畫為研究樣本，利用自行開發(fā)的微環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)獲取彩畫所處位置的全年微環(huán)境氣象數(shù)據(jù)。通過二位色彩亮度計對彩畫進行周期性色彩參數(shù)測試，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后擬合彩畫色彩的主波長、興奮純度、亮度隨時間變化的曲線[12]，通過曲線分析研究色彩衰變特點。將微環(huán)境測試數(shù)據(jù)與彩畫衰變特點進行對比分析，得到物理環(huán)境參數(shù)對古建園林彩畫色彩衰變量化影響規(guī)律。建立古建彩畫保護數(shù)據(jù)庫，根據(jù)得到微環(huán)境數(shù)據(jù)，制定保護措施，避免極端微環(huán)境對彩畫的影響，并根據(jù)彩畫色彩衰變規(guī)律，指導制定彩畫各顏色修復時間及重點修復顏色的方法。

1技術(shù)路線

選取頤和園典型彩畫作為研究對象，自行開發(fā)微環(huán)境監(jiān)測設備，全天連續(xù)監(jiān)測彩畫所處位置的溫度、濕度、風速及照度，得到微環(huán)境隨時間的變化規(guī)律。同時，每隔4個月左右對彩畫進行測試，提取彩畫的色彩信息，并得到主波長、興奮純度及亮度隨時間的變化規(guī)律。對微環(huán)境數(shù)據(jù)及彩畫數(shù)據(jù)進行分析，得到影響彩畫色彩衰變的因素以及彩畫色彩衰變的規(guī)律。

圖1　技術(shù)路線Fig.1　Technical route

2實驗方案

2.1　實驗對象

選取頤和園長廊寄瀾亭西側(cè)彩畫作為研究對象。長廊位于整個頤和園的中心地帶，背靠萬壽山，前對昆明湖，物理環(huán)境極具代表性。同時，長廊匯集了頤和園彩畫的最精華部分，而寄瀾亭作為長廊中點，其西側(cè)彩畫是尺幅最大、繪制最精美、色彩最豐富的蘇式彩畫之一，因此，以它作為研究樣本。

2.2　測試儀器

1)微環(huán)境監(jiān)測設備：自行開發(fā)能夠?qū)崟r監(jiān)測溫度、濕度、風速、照度等物理環(huán)境參數(shù)的建筑物理環(huán)境多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，并已獲得國家發(fā)明專利(專利號：201410557424.8)。該系統(tǒng)具有精度高、體積小、智能化等特點，完全滿足測試要求。

2)彩畫色彩監(jiān)測設備：CA-2000二維色彩亮度計，提取整幅彩畫色彩的色坐標及亮度。彩畫色彩測試均在夜間D65標準光源進行，避免環(huán)境光對色彩影。

2.3　實驗方法

1)物理環(huán)境參數(shù)監(jiān)測。在寄瀾亭西側(cè)彩畫所處位置安裝微環(huán)境監(jiān)測設備，采集頻率為每個參量每1 min采集1組數(shù)據(jù)，自動連續(xù)監(jiān)測溫度、濕度、風速、照度全年信息。所測數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)椒掌鞔鎯Α?/p>

2)彩畫色彩信息監(jiān)測。在夜晚沒有人工光源干擾的的環(huán)境下，將D65標準光源置于彩畫兩側(cè)，照亮彩畫；然后利用二維色彩亮度計對彩畫進行拍照，從照片中提取整幅彩畫顏色的色坐標及亮度值。彩畫測試約每6個月左右進行一次，測試時間分別為：2013年11月29日、2014年5月22日、2014年12月2日、2015年6月3日，共進行4次。

3)數(shù)據(jù)處理。選取彩畫中的典型顏色測點4個。選點的原則為：所選取顏色包含彩畫的主要色調(diào)；分散選點，以評價物理環(huán)境對彩畫色彩的整體影響；取樣點確定后，每次測試均選擇相同的點進行對比研究。獲取測點的色坐標(x，y)及亮度值L后，通過色度學及數(shù)學方法將其轉(zhuǎn)換為主波長、興奮純度、亮度，并擬合3個參數(shù)隨時間周期性衰變曲線。

3實驗數(shù)據(jù)

3.1　微環(huán)境數(shù)據(jù)

微環(huán)境監(jiān)測時段為2013年11月29日到2015年6月3日，溫度、濕度、風速及照度監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時間變壓規(guī)律如圖2所示。

圖2　微環(huán)境隨時間變化曲線圖Fig.2　Micro environmental changes with

3.2　色彩參數(shù)

1)1931色坐標及亮度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)彩畫樣本中4個測點不同周期的CIE1931色彩參數(shù)見表1。

表1　取樣點色坐標及亮度

2)主波長、興奮純度及亮度數(shù)據(jù)。采用色度學和數(shù)學方法將(x,y)、L轉(zhuǎn)換為主波長、興奮純度、亮度進行評價[15]，3個參數(shù)數(shù)據(jù)見表2。

表2　取樣點興奮純度及主波長

3)主波長、興奮純度及亮度曲線。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，擬合主波長隨時間衰變曲線，橫坐標為時間，測試時間分別為：2013年11月29日，2014年5月22日，2014年12月2日，2015年6月3日，共進行4次，見圖3。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，擬合興奮純度隨時間衰變曲線，見圖4。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，擬合亮度隨時間衰變曲線，橫坐標為時間，測試時間分別為：2013年11月29日，2014年5月22日，2014年12月2日，2015年6月3日，共進行4次，見圖5。

圖3　取樣點顏色主波長隨時間變化曲線Fig.3　Curve of dominant

圖4　取樣點顏色興奮純度隨時間變化曲線Fig.4　Curve of excitation

圖5　取樣點顏色亮度隨時間變化曲線Fig.5　Curve of

4數(shù)據(jù)分析

4.1　溫度影響

由圖2可知，彩畫所處位置沒有出現(xiàn)長時間極端高溫或極端低溫的情況，同時,相關(guān)研究表明，當把溫度提高到50 ℃進行老化試驗，其對彩畫影響的程度較光照而言依然較小[4-5]，而且溫度對彩畫的影響主要表現(xiàn)在因熱作用使地仗層內(nèi)部溫度變化不均勻造成彩畫開裂，而非對色彩的影響。因此，溫度并不是造成彩畫色彩衰變的主要因素。

4.2　濕度影響

由圖2可知，彩畫所在環(huán)境并沒有長時間連續(xù)處于極端濕度環(huán)境中，研究表明，濕度對彩畫的不利影響主要為使其發(fā)生霉變，霉菌在適宜的溫濕度下迅速繁殖，從而造成霉菌斑點附著在彩畫上，而非使其褪色變色。因此，濕度亦非是造成彩畫色彩衰變的主要因素。

4.3　風的影響

較強氣流由于風化作用會使彩畫表面發(fā)生粉化，從而造成彩畫褪色。但根據(jù)風環(huán)境測試數(shù)據(jù)，寄瀾亭周圍由于有大量樹木及山體遮擋，在所監(jiān)測到的759 851個風速數(shù)據(jù)中，有755 430個數(shù)據(jù)為0 m/s，占整個數(shù)據(jù)量的99.4%，且在有風情況時其風速基本小于1 m/s，即所測彩畫受風的影響極小，因此，彩畫的色彩衰變主要不是因風所導致。

4.4　光照影響

由圖2可知,彩畫表面日間照度基本在700 lx以上，受光嚴重，基于圖3、圖4、圖5,重點對天然光照影響彩畫色彩衰變規(guī)律進行分析。

1)1號取樣點(黑色)。黑色的色坐標變化較大，從第1周期的(0.329 2，0.365 7)變化到到第4周期的(0.338 9，0.355 9)，隨曝光量增加主波長逐漸由552 nm變化到566 nm，說明黑色色相變化較大，色相逐漸發(fā)黃跡象明顯；前3周期興奮純度隨時間變化呈逐漸遞減的趨勢，第4周期突然上升，說明色彩的純度先逐漸減小再增大，從0.104 1變化到0.071 5，再變到0.102 8，呈波動變化狀態(tài)；黑色的亮度隨時間變化呈逐漸增加趨勢，從1.07變化到2.71，說明其色彩有逐漸發(fā)白的趨勢。而且由于中國古建筑彩畫黑色系顏料主要是由碳元素組成，成品粒子往往是輕、松而極細的黑色粉末，它耐光、耐熱、耐濕、耐化學品，化學性質(zhì)較為穩(wěn)定[15]，黑色顏色變化本應該較小，但測試結(jié)果證明，其變色情況較為嚴重。經(jīng)分析，原因如下：黑色系顏料能夠吸收光譜中各個譜段的光子能量[16]，在天然光條件下，相比于其他顏色，光照對黑色的影響最為明顯，而且太陽光光譜較全，太陽直射能量較大，所以,經(jīng)過長期照射，其色坐標變化較為顯著，有較為明顯的泛黃現(xiàn)象且飽和度有波動變化趨勢。

2)2號取樣點(黃色)。黃色的色坐標從(0.363 1，0.393 0)變化到(0.362 4，0.368 2)，主波長從第1周期到第4周期只從570 nm變化到576 nm，說明色彩逐漸向長波方向偏移，結(jié)合色度圖上，發(fā)現(xiàn)其色彩有逐漸從黃色變成橙色的趨勢；興奮純度隨時間變化呈逐漸減小的趨勢，從0.283 7變化到0.208 3，說明其色彩飽和度逐漸減??；其亮度從3.03變化到5.68，隨時間的變化逐漸減小，說明黃色有逐漸發(fā)白的趨勢。太陽光光譜較完整，由于黃色主要吸收了藍綠光譜的能量，而反射其他顏色的光，所以相對于黑色系顏色，吸收光譜范圍較窄，能量相對較小，所以色彩變化較黑色系顏色偏小。

3)3號取樣點(青色)。色坐標從(0.290 0，0.382 7)變化到(0.301 6，0.388 1)，主波長510 nm變化到522 nm，顏色有逐漸向黃色方向偏移的趨勢。與2號取樣點(黃色)相比，發(fā)現(xiàn)青色雖然主波長偏移了12 nm，比黃色更大，但結(jié)合色度圖發(fā)現(xiàn)青色的色相視覺感受幾乎沒有改變，這主要是由于CIE1931色度圖的顏色空間分布不均勻性，青色比黃色的色差寬容度更高。興奮純度隨時間變化而波動變化，0.126 3變化到0.115 3，其趨勢并不明顯，說明色彩飽和度呈波動變化趨勢；亮度從5.04增加到6.95，說明青色有逐漸發(fā)白的趨勢，相比黃色，青色的亮度變化較小。分析原因如下：變色現(xiàn)象是由于顏料中的分子獲得大于其活化能的能量后，發(fā)生光化學反應而降解所導致，而青色雖獲得了大量輻射，但主要為中、長波，這部分光譜由于光子振動頻率低、能量小，數(shù)量雖大，但能量不強。因此，青色在吸收大量的中、長波輻射后色彩衰變并不明顯。而且，由于青色只吸收了大部分藍綠光及黃紅光，相對于黑色系顏色，青色吸收光譜能量較小，所以，相對色彩變化較黑色系顏色偏小。根據(jù)混色原理，青色是由藍色和綠色混合而成，因此，顏料呈現(xiàn)青色是由于其反射入射光中能量較高的藍、綠光譜而吸收其他波段的光譜，而橙色吸收了能量較高的藍、綠光，所以，青色色彩變化較橙色較小。

4)4號取樣點(橙色)。色坐標從(0.380 5，0.364 2)變化到(0.374 9，0.379 6)，主波長從583 nm變化到576 nm，說明色彩由橙色逐漸向黃色方向偏移；其興奮純度隨時間變化而逐漸增呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，說明其色彩飽和度先增加后減小，從0.249 7變化到0.283 5，再變化到0.274 0，其變化并沒有明顯趨勢。由于2號取樣點(黃色)與4號取樣點(橙色)顏色較為接近，所以黃色主要吸收了藍綠光，顏色變化與黃粉色基本一致，較黑色偏小，比青色變化程度大。

5結(jié)論

1)溫度、濕度、風速對彩畫色彩影響較小，光照是造成彩畫色彩衰變的主要因素。

2)光照對彩畫色相、亮度、興奮純度3個參數(shù)的影響程度不同。根據(jù)研究結(jié)果，1號點(黑色)、2號點(黃色)、3號點(青色)及4號點(橙色)顏色均有泛黃趨勢；4個測點亮度值均隨曝光量增長而呈現(xiàn)加大趨勢，說明光照造成彩畫色彩發(fā)白；興奮純度是表征顏色飽和度的物理量，研究結(jié)果表明，光照使彩畫興奮純度變化趨勢不明顯，黑色、青色、橙色興奮純度呈波動變化，黃色興奮純度略有降低。

3)不同顏色受光照影響變化程度有較大差異，原因主要取決于顏料對太陽光譜的吸收反射特性，黑色衰變現(xiàn)象最為顯著；黃色與橙色顏色衰變程度次之；青色變色程度最小。

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(編輯胡英奎)

Dang Rui (corresponding author), PhD, (E-mail)dr_tju@163.com.

Impact of natural light on the traditional architectural color paintings’ color decay of Chinese classical garden

Liu Gang, Luo Chen,Dang Rui, Wang Lixiong, Liu Zhe, Yuan Ye

(School of Architecture; Tianjin Key Laboratory of Architectural Physics and Environmental

Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, P. R. China)

Abstract:A micro environment monitoring system has been developed to quantify the impact of micro environmental parameters on color decay of color paintings’ at Chinese classical garden. The environment parameters including temperature, humidity, velocity and sunlight in micro environment is a were recorded for the whole year at the Summer Palace. Besides, the color parameters of color painting were recorded periodically. Then fit curve graphs were obtained with dominant wavelength, excitation purity and luminance changed over time. Comparative analysis of micro environmental test data and color decay curve revealed that the temperature, humidity and wind speed has slight impact on the color of color painting, while sunlight is the dominant factor responsible for the color decay of painting. The extents to which the sunlight affect dominant wavelength, excitation purity and luminancewere different.are different on and impact of sunlight on different colors are different.

Key words:color painting;color decay;micro environment;chromaticity coordinate;luminance

通信作者黨睿()，男，博士，(E-mail)drtju@163.com。

作者簡介：劉剛(1977-)，男，博士，副教授,主要從事建筑技術(shù)科學研究，(E-mail)lglgmike@163.com。

基金項目：國家自然科學基金(51308384)；天津市自然科學基金(13JCQNJC07600)；天津大學北洋學者計劃基金(0903061014)。

收稿日期：2015-10-23

中圖分類號：TU113.6

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764(2015)06-0098-08

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2015.06.013