中國(guó)畫顏料色彩褪變研究

牟竟曉　焦智偉　陳雙雙　陳慧超

摘 要 在歷史長(zhǎng)河中，人類創(chuàng)造了許多燦爛的藝術(shù)文化，壁畫是其中一種重要的藝術(shù)表現(xiàn)形式。流傳至今的壁畫具有珍貴的考古價(jià)值和文化價(jià)值，然而在長(zhǎng)久保存過(guò)程中，自然環(huán)境（潮濕、高溫、光照、灰塵）或人為保護(hù)不當(dāng)造成壁畫顏料出現(xiàn)不同程度的老化和褪變。本項(xiàng)目擬從壁畫顏料的光譜數(shù)據(jù)分析入手，綜合運(yùn)用顏色科學(xué)、數(shù)字圖像處理、材料學(xué)等專業(yè)知識(shí)，以顏料老化實(shí)驗(yàn)為手段，建立顏料老化的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB軟件對(duì)古畫顏色老化進(jìn)行了仿真模擬，旨在獲取褪變色古畫在不同時(shí)期的光譜信息，達(dá)到還原古畫的原始色貌，以及指導(dǎo)專業(yè)人員對(duì)其進(jìn)行實(shí)際顏色修復(fù)等目的。

關(guān)鍵詞 壁畫 顏料 褪變規(guī)律 顏料老化模型

0引言

（1）研究背景。

彩繪書畫是我國(guó)傳統(tǒng)文化長(zhǎng)河中的璀璨明珠，記載了我國(guó)各個(gè)時(shí)期的文化特色，是我國(guó)傳統(tǒng)文化不可多得的瑰寶。然而，隨著光陰的流逝，環(huán)境的變遷，彩繪書畫在保存的過(guò)程中也受到了不同程度的損壞。因此，對(duì)于彩繪書畫的保護(hù)，也面臨著相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題。注重彩繪書畫褪變與復(fù)原研究，是當(dāng)前保護(hù)彩繪書畫的首要任務(wù)。本文旨在通過(guò)老化實(shí)驗(yàn)等步驟，建立顏色褪變模型，得出壁畫作品的顏色褪變規(guī)律，進(jìn)而為壁畫作品的虛擬修復(fù)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，這對(duì)壁畫作品的保護(hù)與修復(fù)具有重要意義。

（2）國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。

不論世界上哪個(gè)國(guó)家，哪種文明，繪畫在其文明史上都有著舉足輕重的地位。中國(guó)有彩繪書畫，外國(guó)有油畫，蛋彩畫。但是無(wú)論哪一種繪畫方式，都無(wú)法避免褪色與變色的問(wèn)題。因此，為了保護(hù)文化遺產(chǎn)，國(guó)內(nèi)國(guó)外都進(jìn)行了大量研究。目前的彩繪書畫虛擬修復(fù)技術(shù)按照數(shù)據(jù)采集方式可大致分為兩種類型，一種是通過(guò)普通數(shù)碼相機(jī)采集畫作的表面顏色信息，再利用一些計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，主要重點(diǎn)集中于研究對(duì)顏色的修復(fù)，例如Soo-chang Pei通過(guò)增強(qiáng)飽和度調(diào)整褪色顏料來(lái)翻新圖像；另一種方法便是基于多光譜和色度學(xué)理論，這種方法通過(guò)計(jì)算顏料的光譜性質(zhì)來(lái)獲得畫作所用顏料的顏色，可以避免同色異譜現(xiàn)象。

（3）研究意義。

以敦煌壁畫428窟《薩埵那太子舍身飼虎圖》為例，由第一張圖片我們可以看到原本色彩豐富的壁畫經(jīng)過(guò)歲月的洗禮后變得破舊不堪，失去了作品的完整性。第二張和第三張分別為常書鴻、張大千兩位老一輩藝術(shù)家的臨摹復(fù)原圖，從圖像中可以看出，由于原圖破損嚴(yán)重加上畫家對(duì)畫的理解不同致使臨摹圖也出現(xiàn)了很大的差異。我們研究的目的就是使圖像還原為原來(lái)的色彩，通過(guò)虛擬修復(fù)使修復(fù)后的圖像更加接近作品的原貌。

1影響顏色褪變的因素

1.1溫度

溫度是彩繪書畫保存過(guò)程中，最基本的環(huán)境因素。當(dāng)溫度與環(huán)境中的其他諸如空氣等的因素結(jié)合時(shí)，其作用會(huì)使彩繪書畫發(fā)生物理作用和化學(xué)反應(yīng)，這會(huì)給彩繪書畫造成嚴(yán)重的影響。彩繪書畫的顏料在自然環(huán)境中起化學(xué)反應(yīng)，這就意味著彩繪書畫受到損害，它的速度與溫度有關(guān)。溫度每提高十?dāng)z氏度，彩繪書畫的老化速率會(huì)增加一倍。對(duì)于彩繪書畫，溫度變化引起的“熱脹冷縮”，以及吸收或者揮發(fā)水分后引起的“濕脹干縮”，都會(huì)造成彩繪書畫不同程度的結(jié)構(gòu)性疲勞破壞，另外，溫度的急劇變化引起的彩繪書畫的過(guò)分干燥或高濕度亦會(huì)造成彩繪書畫的損壞。

1.2濕度

在高濕的條件下，繪畫顏料及其添加物會(huì)分解變性，首先是顏料及墨中的動(dòng)物膠，由于長(zhǎng)時(shí)間處于潮濕的環(huán)境中，其主要成分膠原蛋白會(huì)被分解成氨基酸。此時(shí)，用于書畫顏料添料的膠質(zhì)就會(huì)失去黏性，繪畫顏料就很容易從畫面上脫落，畫面上的色彩就會(huì)流失，導(dǎo)致顏色的褪變。其次，當(dāng)古書畫所處的環(huán)境濕度非常大時(shí)，真菌生長(zhǎng)非常旺盛，真菌在水的參與下，通過(guò)分解彩繪書畫上的纖維素、蛋白質(zhì)、淀粉等物質(zhì)來(lái)補(bǔ)充養(yǎng)分，進(jìn)行代謝，分泌色素，對(duì)彩繪書畫的顏色帶來(lái)很大影響。

1.3空氣

空氣中的氧氣、氮氧化物、臭氧等有害氣體及顆粒物都會(huì)對(duì)彩繪書畫的顏色變化起到不可忽視的影響。

氧是引起高分子材料老化的關(guān)鍵因素。氧可以造成高分子主鏈的斷裂，使聚合物變粘，加快氧化反應(yīng)的進(jìn)程。

氮氧化物對(duì)顏料老化的影響也特別大，例如NO2，NO2是一種氧化劑，與有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)，引起聚合物如纖維素的降解和顏料的褪色。NO2 與有機(jī)分子反應(yīng)使紙張表面泛黃。又有實(shí)驗(yàn)證明：0.5ppm NO2 能使天然顏料如姜黃素、藤黃、蟲膠染料等和無(wú)機(jī)顏料如雌黃和雄黃發(fā)生明顯變色，使橘黃、懈皮粉、胭脂和靛藍(lán)發(fā)生視覺(jué)上的褪色反應(yīng)。

臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，幾乎能毀壞所有的有機(jī)化合物，尤其是對(duì)顏料的影響。大量天然、合成的染料、顏料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，臭氧對(duì)幾乎大部分的著色劑都表現(xiàn)有不同程度的褪色。

1.4光線

在彩繪書畫保存環(huán)境中，光照也是重要的影響因素。對(duì)彩繪書畫起破壞作用的光線主要是紫外線，它對(duì)彩繪書畫中的有機(jī)成分有分解作用，可以使彩繪書畫中的紙張、文絹老化，發(fā)黃變脆。此外，紫外線還可以在潮濕的環(huán)境中分解空氣中的氧分子，形成初生態(tài)氧。這些初生態(tài)氧一方面可以氧化彩繪書畫文物中的有機(jī)成分；另一方面，在潮濕條件下，可以與彩繪書畫上的水分子結(jié)合成過(guò)氧化氫，使顏料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使文物出現(xiàn)褪色、變色等現(xiàn)象。

1.5顏料

顏料是彩繪書畫褪色的根本原因。顏料對(duì)顏色的影響要從顏料的生產(chǎn)原料和用膠兩方面來(lái)看。

中國(guó)畫顏料的生產(chǎn)原料，包括礦物、植物、動(dòng)物、金銀與化工合成等。顏料的選擇不夠慎重，就易引起變色與褪色。一般來(lái)說(shuō)，一般化學(xué)顏料，比礦物顏料易于變化，因?yàn)榛瘜W(xué)顏料屬于有機(jī)顏料，多來(lái)自于動(dòng)植物和人工合成，容易發(fā)生變質(zhì)、變性，而礦物顏料直接采自礦物原石，其分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，不會(huì)輕易改變。其次，不正確的混色，也會(huì)造成顏色的變色問(wèn)題。如來(lái)自植物的花青。藤黃等在陽(yáng)光下極易褪色；朱砂與含銅的石青相調(diào)，相對(duì)石青的化學(xué)穩(wěn)定性較強(qiáng)，會(huì)改變朱砂的結(jié)構(gòu)，而會(huì)使朱砂變成發(fā)黑的辰砂。

膠是將顏料顏料固定在畫面上的不可缺少的粘劑，在繪畫中有著重大的作用，它能使顏料牢固地附著在畫面上而不脫落，還有增強(qiáng)色澤，使畫面鮮艷明快的效果。如果膠與顏料配比不當(dāng)，會(huì)影響顏料的艷麗與牢固，這樣作品就很難保持久遠(yuǎn)。

2研究?jī)?nèi)容和方法

本文考慮在溫度、濕度和紫外線的影響下，28種壁畫顏料的褪色情況。

首先，以ABS板和亞克力板為板基，動(dòng)物膠為粘結(jié)劑，制作色卡；

第二步，使用cix6測(cè)量光譜反射率、L*、a*、b*、C*、h暗炔問(wèn)⒂胏olor i control軟件將數(shù)據(jù)輸出為Excel形式，完成數(shù)據(jù)測(cè)量與記錄；

第三步，在25℃溫度、60濕度，兩盞紫外線燈的照射的條件下對(duì)色卡進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)，每次老化二十個(gè)小時(shí)，共老化二百四十個(gè)小時(shí)，并重復(fù)數(shù)據(jù)測(cè)量與記錄工作

第四步，導(dǎo)入數(shù)據(jù)，利用Matlab軟件求得L*、c*、h*值，使用多元線性擬合的方法建立顏料老化模型，分析顏色褪變規(guī)律，預(yù)測(cè)特定時(shí)間的L*、c*、h*值。

3實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析

3.1老化實(shí)驗(yàn)概述

在恒溫恒濕紫外線老化箱中，控制溫度為25℃和濕度為60，打開(kāi)紫外燈進(jìn)行照射，28種顏料的色卡每次老化二十小時(shí)，共老化二百四十小時(shí)。用color i control軟件記錄28種顏料老化前后的的光譜反射率、L*、a*、b*、C*、h暗炔問(wèn)⑹涑鑫狤xcel。然后，利用MATLAB編程得L*、c*、h*值，分析得出顏料老化規(guī)律。

3.1.1實(shí)驗(yàn)儀器及軟件

恒溫恒濕紫外線老化箱；積分球式分光光度計(jì)cix6；color i control軟件；MATLAB軟件

3.1.2實(shí)驗(yàn)材料

調(diào)色盤；刮刀；注射器；動(dòng)物膠；502膠；刻刀；尺子；ABS板；亞克力板；刷子；刷子；滴管；壁畫顏料（方解石粉、藤黃、鏡面砂、唐卡綠、雌黃、雄黃、進(jìn)口金、敦煌黃土、二綠粉、二氧化鉛、紅丹、漂凈雄黃、漂凈朱膘、漂凈朱砂、上品古代朱、上品石黃、石黃、特級(jí)岱赭、特級(jí)綠松石、特級(jí)頭青、特級(jí)二青、特級(jí)三青、特級(jí)四青、特級(jí)石綠、特級(jí)深赭、胭脂、赭石、金銀朱、朱砂）

3.1.3實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）制作色卡。

用刻刀在ABS板上刻制1cm？cm的正方形，然后利用502膠水將ABS板和亞克力板粘結(jié)，作為板基。

然后，將顏料放入調(diào)色盤中，用滴管向調(diào)色盤中加入動(dòng)物膠，刮刀混合均勻后涂抹色塊于板基，要求完全遮蓋板基。

通過(guò)上述方法，得到了28種顏料的色卡。將色卡晾干備用，測(cè)量色卡的三刺激值和光譜反射率等參數(shù)。

（2）老化試驗(yàn)。

將制作好的色卡放入恒溫恒濕紫外線老化箱中老化，溫度設(shè)置為25℃，濕度設(shè)置為60，保持兩盞紫外線燈的照射，每次老化20小時(shí)，共老化240個(gè)小時(shí)，每次老化后，用積分球式分光光度計(jì)cix6測(cè)量28種顏料老化前后的的L*、a*、b*值C*、h昂凸餛追瓷瀆剩⒂胏olor i control軟件記錄，將測(cè)量數(shù)據(jù)輸出為Excel。在MATLAB中導(dǎo)入數(shù)據(jù)，編程得L*、c*、h*值，分析得出顏料老化規(guī)律。

3.2顏料老化模型

3.2.1模型選擇

（1）n級(jí)反應(yīng)。

若某一反應(yīng)的反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度的n次方成正比，該反應(yīng)稱為n級(jí)反應(yīng)。n級(jí)反應(yīng)模型為：

（2）阿累尼烏斯模型。

1889年，阿累尼烏斯提出了表示k-t關(guān)系的較為準(zhǔn)確的經(jīng)驗(yàn)方程，向人們揭示出溫度對(duì)反應(yīng)速率影響的實(shí)質(zhì)。阿里尼烏斯模型為：

其中，表示活化能，稱為指前因子或頻率因子，與都是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

3.2.2評(píng)價(jià)參數(shù)

褪色模型擬合效果的好壞主要有以下兩種參數(shù)為依據(jù)：（1）SSE（方差）：越趨于0，說(shuō)明擬合效果越好。（2）R-square（決定系數(shù)）：越趨于1，說(shuō)明擬合效果越好。

3.2.3顏料褪色模型

由于顏料數(shù)量過(guò)多，此文僅列出兩種種有代表性的顏色的建模成果。這兩種顏料包括礦物顏料的三綠和植物顏料的藤黃。

（1）三綠。

三綠的顏料老化模型函數(shù)為：

圖4-1 三綠L*值變化模型

圖4-2 三綠C*值變化模型

圖4-3 三綠h*值變化模型

由圖4-1可以看出，三綠的明度小幅升高，可能是誤差原因。從圖4-2及4-3看出，隨著老化的進(jìn)行，三綠的色度明顯降低，色度角的變化則說(shuō)明三綠從偏黃綠向偏綠方向變化。L*、c*、h*值函數(shù)模型的擬合精度系數(shù)SSE分別為3.609 1.009、和1.569，R-square分別為0.008487、0.9318和0.9661。整體來(lái)看，擬合效果較好，誤差較小。

（2）藤黃。

藤黃的顏料老化模型函數(shù)為：

圖4-4 藤黃L*值變化模型

圖4-5 藤黃C*值變化模型

圖4-6 藤黃h*值變化模型

由圖像4-4可以看出，藤黃的明度呈下降趨勢(shì)。從圖4-5及圖4-6可以看出，隨著老化的進(jìn)行，色度也呈下降趨勢(shì)，色度角的變化說(shuō)明藤黃從偏黃向偏黃紅方向變化。L*、c*、h*值函數(shù)模型的擬合精度系數(shù)SSE分別為0.7513、1.096和0.477，R-square分別為0.9459、0.8281和0.9778。整體來(lái)看，擬合效果較好，誤差較小。

3.3實(shí)驗(yàn)誤差分析

（1）部分顏料色卡制作完成后表面存在明顯顆粒感甚至開(kāi)裂，可能影響顏料的散射特性。

（2）老化箱內(nèi)溫度、濕度存在波動(dòng)，不能保證恒溫恒濕。

（3）測(cè)量?jī)x器的精度問(wèn)題也會(huì)對(duì)所得數(shù)據(jù)存在一定影響。

（4）部分ABS板與亞克力板存在粘結(jié)不牢，可能會(huì)造成顏料相互滲透。

（5）老化時(shí)間相對(duì)較短，實(shí)驗(yàn)存在一定偶然性。

（6）影響老化的因素很多，本次試驗(yàn)僅控制了溫度、濕度等變量，建立的模型與實(shí)際顏料褪變規(guī)律差距較大。

4結(jié)論

依據(jù)研究提出的顏料褪變模型，基于老化實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上成功反映了L*、c*、h*值隨老化時(shí)間的變化規(guī)律，通過(guò)所建立的顏料老化模型可以成功推出顏色在實(shí)驗(yàn)條件下某個(gè)時(shí)期老化后的L*、c*、h*值。

但是實(shí)驗(yàn)與實(shí)際情況不能完全等同，實(shí)驗(yàn)是在恒溫、恒濕、UV光線照射的相對(duì)理想的狀態(tài)的進(jìn)行，而實(shí)際情況中存在諸如溫濕度的變化、空氣成分變化等不確定因素，這些因素都對(duì)顏料的老化有影響。因此本文提出的顏料褪變模型無(wú)法普遍適用于自然老化的彩繪書畫，如果繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，要考慮更多因素，從而提高模型的普適性。本次實(shí)驗(yàn)為今后進(jìn)一步建立顏料褪變模型夯實(shí)了基礎(chǔ)，相信日后能建立出更具普適性的顏料褪變模型。

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：201610446070，項(xiàng)目名稱：基于多光譜技術(shù)的古畫顏色虛擬修復(fù)研究。

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