博物館LED照明的顯色質量對繪畫作品的視覺影響

翟其彥 ，羅 明,2

(1.浙江大學現(xiàn)代光學儀器國家重點實驗室，浙江 杭州 310027；2.利茲大學設計學院，利茲 LS29JT，英國)

博物館LED照明的顯色質量對繪畫作品的視覺影響

翟其彥1，羅 明1,2

(1.浙江大學現(xiàn)代光學儀器國家重點實驗室，浙江 杭州 310027；2.利茲大學設計學院，利茲 LS29JT，英國)

彩色繪畫作品常用來研究博物館LED照明的顯色質量。近幾年來，我們設計執(zhí)行了一系列相關的心理物理實驗，對照度、色溫、顯色性(色彩保真度)以及色域大小和形狀不同的LED照明進行了研究，數(shù)據結果與國際其他研究團隊相關成果進行了比較。博物館照明的最適宜色溫可總結為 3 000 K 至 4 000 K 之間。照明的色彩保真度和色域都對畫作的視覺效果有顯著的影響。光譜可調的照明方式成為趨勢。

博物館照明；LED 照明；顯色質量；照度；相關色溫；顯色性；色域

引言

LED光源以節(jié)能環(huán)保、光譜可控等傳統(tǒng)鹵素燈、熒光燈無法比擬的優(yōu)異特性，在博物館照明中得到了廣泛的推廣，成為極具潛力的新一代博物館、美術館照明光源。自2010年以來，國際學術范圍內關于LED照明應用在博物館中的顯色質量問題的實驗和討論頻出，博物館LED照明的可行性得到了一定的驗證[1]。LED照明由于其光譜多樣可調， 其照度、色溫、色品、顯色性、保真度、色域大小、色域形狀等指標均可以分別優(yōu)化，光色質量難以規(guī)范和量化，影響實際應用中對彩色物體照明時色彩還原的質量[2]；而當照明對象為文物或藝術展品時，其顯色質量的影響更加敏感。最直接的佐證是國際標準委員會的現(xiàn)行顯色性標準CIE-Ra的計算方法[3]已經不適應LED光譜特性[4]；通過特殊的優(yōu)化方法，實際顯色效果較差的LED光譜也可以達到很高的Ra指數(shù)，對工業(yè)的規(guī)范造成了一定困擾。本文將介紹作者所在實驗室自2012年以來關于博物館LED照明顯色質量的一系列心理物理實驗及其結論，以及近年來國際范圍內的相關研究結果，從學術討論的角度為新一代博物館照明應用標準提供有效的建議和理論支持。

1 LED照明的顯色質量

1.1 定義

在LED照明廣泛應用之前，照明光源的顯色性(Colour Rendering)定義為彩色樣品在此光源下的顏色與在標準光源(黑體輻射或者日光)下的色差[3]，其色差越小，顯色性越好；也就是說物體顏色越接近日光下的效果，光源的顯色性越好。根據這個定義，國際照明委員會(CIE)推薦使用的顯色性指數(shù) CIE-Ra即為100減去8個選定標準色樣在測試光和標準光下的色差[3]。光譜多變的LED照明的廣泛使用使得CIE-Ra及其補充顯色指數(shù)R9～R15都不再適應工業(yè)應用[4]，各國研究人員開始探討新的評價LED照明光源顯色質量的方法。這些評價方法主要分為三種[2，5]：保真性(Colour Fidelity)、色域大小(Colour Gamut Size)、記憶色(Memory Colour)。保真性的評價方法與原有的顯色性指數(shù)類似，很多研究在 CIE-Ra的基礎上擴充了計算使用的樣品集并更換了計算色差的均勻色彩空間和色差公式。這些研究[6]最終促使北美照明協(xié)會(IES)和國際照明委員會的 TC1-90 技術委員會推出了新的顯色性(保真性)指數(shù)IES-TM30-Rf，這個指數(shù)現(xiàn)被推薦和 CIE-Ra并行使用。新的指數(shù)比CIE-Ra計算較復雜但較為合理，在可見光譜范圍內能更好地反映照明光源真實的視覺顯色質量。

由于LED的光譜特性，單一的保真性指數(shù)并不能完全體現(xiàn)光源的顯色特性。目前，CIE TC1-91 技術委員會開始著手制定更廣泛的多維度的顯色質量參數(shù)。其中光源的色域是一個重要的可測量特征。照明光源的色域(Colour Gamut)指的是不同色調(Hue)的彩色樣品在測試照明光源下的顏色在某個色彩空間里圍成的平面(或立體)的區(qū)域；對于同樣的彩色物品，光源色域面積(體積)越大，顯色就越鮮艷。色域大小指數(shù)在大部分研究中的計算方法為色樣在測試光源下的色域與在測試光源下的色域的比值(百分比)[6]。然而除了大小以外，色域的形狀對光源真實的顯色質量也有很大影響[2]，后文將詳細描述這些效應。CIE TC1-91 技術委員會關注的另一種計算方法是記憶色(Memory Colour)，原理是將常見果蔬等日常熟悉物品的顏色作為參考衡量光源的顯色質量[7]，其計算方法與保真性類似，本文不再贅述。

在對一般物體色的照明品質評價中，評價這些顯色質量參數(shù)和視覺的匹配程度。在大量實驗中，研究人員使用了很對心理物理詞條來進行主觀評價，例如“舒適”、“自然”等[8]。較一致的觀點是，這些主觀評價指標可以總結為三個維度：“自然度”(Naturalness)、“喜好度”(Preference)、“鮮艷度”(Colourfulness)[9]；在博物館LED照明應用中又可以總結為兩個維度：“清晰度”(Visibility)，“暖度”(Warmth)。通過整理這些維度下的視覺實驗數(shù)據，我們可以測試各個顯色質量參數(shù)的優(yōu)劣[10]。

1.2 影響博物館LED照明顯色質量的物理參數(shù)

從博物館(或美術館，下從簡省略)的功能出發(fā)考慮，一般有三項基本功能需要對照明的光色質量提出較高要求：一是展覽功能，其要求照明對展品達到一個較高的清晰度(Visibility)，這個要求和照明的照度、保真度、色域均有關系；二是對文物或藝術品的保存維護功能，這需要照明對目標物品的光致?lián)p傷達到最低，而傳統(tǒng)光源(如鹵素燈、熒光燈)中的紫外和紅外光譜成分是危害最大的，相比之下LED光源則可以較方便地調控光譜以減少有害波段；三是研究教育功能，例如修護師或文物研究者在工作臺環(huán)境下的照明需求，需要照明達到最大的保真度。作者所在實驗室近年來通過一系列實驗證明，影響博物館LED照明顯色質量的光譜特性參數(shù)，除了上述保真度指數(shù)(顯色性指數(shù))和色域(色域大小和形狀)相關指數(shù)以外主要還有有照度和色溫(或者描述為光源的色品)。

2 博物館LED照明中照度與色溫的舒適區(qū)域

發(fā)表于1941年的Kruithof舒適度區(qū)域[11]是照明領域最早的色溫和照度舒適度實驗結果，結論為低照度的低色溫光源和高照度的高色溫光源被認為是舒適的照明(見圖1)。這是一組年代非常久遠的實驗數(shù)據，長期以來受到不少質疑和抨擊，但是其實驗方法非常有借鑒意義，即以CCT(相關色溫)和照度為坐標定義一個舒適區(qū)域；這也是近年來流行的一種表示照度和色溫匹配關系的方法。

美術畫作因為其色彩豐富程度較高，常用來作為相關實驗的樣品。作者所在室驗室(浙江大學羅明教授研究組)在2012年至2015年之間先后進行了若干心理物理實驗[12-13]，尋找博物館LED照明對美術畫作最適宜的照度和色溫(色品)。在一個模擬美術館的環(huán)境中我們通過多通道LED混光系統(tǒng)進行照明，設置了了三個照度水平、五個色溫水平、三個顯色性水平和兩個Duv(光源色品在CIE1960色品圖上離開黑體輻射線的最短距離)水平。我們使用中國美院學生習作的六幅水粉和油畫為樣品，邀請二十四名被試參與這些實驗。結果表明，照度越高被試的大部分評價都越好，但是照度200 lx至800 lx評價提升不明顯；與此同時，很多評價指標是隨著色溫的升高而下降的，大部分的被試偏愛低色溫的照明條件，3 000 K 至 4 000 K是一個比較受喜歡，或者視覺舒適度比較高的色溫區(qū)間，會讓人感覺到畫面更加的舒適和明亮。另外，當光源的Duv為負值時，評價值要略微好于黑體輻射線上的光源；也就是說略微比同色溫的黑體輻射光源偏粉紅的光源被被試給予了更高評價。結果表明所有的評價指標可以歸結為兩個維度：“清晰度”(Visibility)和“暖度”(Warmth)；前者表征了被試在觀察時候的視覺舒適程度，和色溫、照度均有關系，200 lx以下時照度的提升對“清晰度”的提升有很大幫助；后者與視覺的色調或紋理質感有關，受色溫影響大。

同樣時期，臺灣科技大學的研究者分別在特制燈箱和真實美術館里進行了兩組類似的實驗[14]，得到了類似的“清晰度”和“暖度”的結論；日本東京科技大學的相關實驗[15]得到“清晰度”和“質感”兩個維度，和我們的結果吻合。而在歐洲，匈牙利一個研究組做了大量相關實驗[16]，尋找博物館LED照明的最適宜參數(shù)條件，他們發(fā)現(xiàn)保證畫作顯色效果的最佳色溫是5 500 K，適宜照度為200 lx，而被試最喜好的色溫時4 200 K。另一個葡萄牙研究組[17]的結論則為色溫 5 700 K。近年，另一個國內研究[18]使用了較多種類的畫作作為樣品，發(fā)現(xiàn)針對一般日常彩色物品最被喜好的色溫約在4 500 K左右，而針對文物或藝術品則在 3 500 K 至 4 000 K 之間。以上實驗結果證明東西方對色溫喜好性有明顯差異。亞洲較喜好軟色溫，歐美喜好偏冷的色溫甚至自然日光的色溫。

綜合上述國內外實驗結果，博物館LED照明的照度不適合低于200 lx，在不考慮光致?lián)p傷的前提下，200 lx至400 lx較為合適；但由于對光致?lián)p傷敏感的文物不適宜在過高曝光下展出，實際應用中可以犧牲“清晰度”，降低照度，“清晰度”的損失和照度的降低正相關。博物館LED照明的適宜色溫和照度、展品內容、觀眾文化背景等都有關系。根據這個照度和色溫舒適區(qū)域的理論[13，19]，照度200 lx至800 lx，色溫3 000 K 至6 000 K 都是實際可選范圍(見圖1)。綜合考慮到國內大部分藝術展品類型和照度限制，色溫控制在 3 000 K 至 4 000 K 之間較為合理。博物光照明燈具可依文化、區(qū)域、畫種不同具有可調性。

圖1 Kruithof舒適度區(qū)域(無陰影區(qū)域)和綜合國內外研究結果的博物館照明照度和色溫舒適區(qū)域(方框)Fig.1 The Kruithof pleasing area (unshaded area) and the comfort zone for museum lightings concluded from worldwide researches(rectangles)

3 博物館LED照明的色彩保真度和色域

3.1 實驗

為了研究LED照明的保真度和色域對繪畫作品的視覺影響，我們使用多通道LED混光照明系統(tǒng)進行了一個心理物理實驗。五幅中國藝術家的繪畫作品被依次放置于特制的燈箱中，它們分別為一幅靜物油畫、一幅肖像油畫、一幅風景油畫、一幅風景水彩畫和一幅人物水彩畫。燈箱的照明一共有十五種，它們被分為三組不同色溫(3 500 K，4 500 K，5 700 K)，組內的每一個照明的CCT、Duv、照度等基本參數(shù)都一致；每個色溫小組里至少一個高保真度大色域的照明、一個高保真度小色域的照明、一個一個低保真度大色域的照明、一個低保真度小色域的照明(4 500 K的小組里保真度有高、中、低三個水平)。另外，在4 500 K的小組中，還有兩個高保真度和色域大小都幾乎一致但色域形狀不同的照明；圖2左側的照明光源是黃藍(紫)方向長軸的橢圓色域，使黃藍(紫)顏色的彩度得到擴展而紅綠方向的顏色變得不鮮艷；圖2右側的照明光源則相反，其為紅綠方向長軸的橢圓，使得紅綠的顏色的彩度得到提高而黃藍顏色彩度下降。在這里，我們使用IES-TM30-Rf(以下簡寫為Rf)作為保真度的表征指數(shù)，使用IES-TM30-Rg(以下簡寫為Rg)作為色域大小的表征指數(shù)，使用IES-TM30中的色樣在CAM02-UCS[20]中的區(qū)域平均色域形狀作為照明光源色域形狀的表征[6]。

總計14名被試參與到實驗中，他們對每個色溫適應一分鐘后，按隨機順序兩兩對比組內的每個照明對每幅畫作的視覺效果，并不斷的選出更喜好的一個照明。每個照明被選擇的頻率被換算為統(tǒng)計學上的標準分(z-score)，通過比較不同參數(shù)的照明之間的標準分數(shù)大小，我們可以知道這些參數(shù)對繪畫作品的視覺影響。

3.2 結果與討論

通過統(tǒng)計分析，實驗得到以下一些結論：①對于三副油畫作品，被試喜歡色域略大的照明而不夸張失真；②實驗中除了風景水彩畫，對其余四幅畫被試都更傾向選擇高保真度的照明；③被試對油畫樣品的判斷一致性比對水粉畫更高；④照明的色域形狀對水粉畫有很大的視覺影。為了更清晰地了解照明色域改變對畫作視覺效果的影響，我們使用光譜輻射度計測量了每幅畫畫面上的代表顏色區(qū)域在不同實驗照明下的顏色，并將其計算到CAM02-UCS顏色空間中。可以發(fā)現(xiàn)，對于實驗中使用的風景水彩畫，照明色域形狀不同對其顏色的改變比照明色域大小和保真度的改變還要大，并超出了人眼恰可見色差的兩倍以上；這表明，不同的顯色質量參數(shù)包括色域形狀在內，對畫感覺都會有顯著改變，這和其他學者關于色域形狀的研究結論吻合[21]；在博物館LED照明應用中僅靠保真度指標(如CIE-Ra或Rf)和色域大小指標(如Rg)，不能完全表征照明的顯色質量；照明的色域形狀顯著影響了繪畫作品的畫面顏色，應該引入相關參數(shù)來表征色域形狀的變化。

圖2 實驗中使用的保真度(Rf)和色域大小(Rg)幾乎一致但色域形狀不同的兩個照明光源，IES-TM30色樣在其照明下的顏色在CAM02-UCS中的呈現(xiàn)的色域形狀；圖中圓形為參考光源的基準色域Fig.2 Two lightings in the experiment with similar colour fidelity (Rf) and colour gamut size (Rg) but different gamut shapes (Colour samples of IES-TM30 in CAM02-UCS); The circles on the figure are the baseline of the colour gamut based on reference light sources

4 對博物館LED照明規(guī)范的建議

近年來國內博物館掀起照明更新?lián)Q代的熱潮，LED的使用帶來了很多不規(guī)范的問題。為了使國內博物館能更科學地應用LED照明，這里從顯色質量方面為相關規(guī)范提出建議，也為今后國內和國際相關標準的更新提供參考：①博物館LED照明的照度遵循保護優(yōu)先的準則[22]，在無須考慮曝光保護的前提下高于200 lx的照明效果更好；②博物館LED照明的色溫根據展品和文化背景設定，最適宜的范圍是3 000 K至4 000 K之間；③博物館LED照明的保真性推薦使用Rf進行計算，展名照明的Rf值應該保證大于90；④博物館LED照明的色域屬性應逐步加入考慮，可以使用Rg進行色域大小的表征，輔助判斷照明的顯色質量；⑤未來的博物館照明，應可針對參觀者、作者、畫種等文化背景的光譜可調式照明系統(tǒng)。

致謝： 感謝中國美院的宋建明教授和臺灣科技大學為實驗提供畫作樣品；感謝國家博物館的艾晶女士為我們提供實地調研考察的機會。

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How Colour Qualities of LED Lightings in A Museum Affect the Visual Impacts of Paintings

ZHAI Qiyan1， LUO Ming1,2

(1.StateKeyLaboratoryofModernOpticalInstrumentation,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027China; 2.SchoolofDesign,LeedsUniversity,LeedsLS29JT,UK)

Colorful paintings were widely used to study the colour quality of museum LED lightings. Several psychophysical experiments were conducted in recent years, to study the colour appearance and the observer preference on paintings under LED lightings with various illuminance levels, colour temperatures, colour fidelity levels, and sizes and shapes of colour gamut. The results were compared with other researchers’ worldwide. The optimal colour temperature for museum lightings was found to be very culture dependent. In Asia, it was found between 3 000 K and 4 000 K. The colour fidelity and the colour gamut of LED lightings have significant effect on the visual perception on painting. It all points toward a spectrum tunable lighting system for illuminating fine art paintings.

museum lighting; LED lighting; colour quality; illuminance; CCT; colour fidelity; colour gamut

TM923.01

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.04.003