水彩顏料反射比的測(cè)定與分析

1、水彩顏料反射比的測(cè)定與分析摘要：隨著人們對(duì)文化遺產(chǎn)越來(lái)越重視，畫作的復(fù)制也備受關(guān)注，但是由于存在同色異譜現(xiàn)象，用傳統(tǒng)的圖像復(fù)制方法所記錄的圖像難于在不同的照明環(huán)境下真實(shí)再現(xiàn)原物的顏色。因此需要建立一個(gè)可以重建目標(biāo)物體表面上各點(diǎn)光譜反射比的方法，盡可能減小同色異譜對(duì)顏色復(fù)制的影響。本文選擇水彩顏料作為被測(cè)物，用美國(guó)x-rite公司的eye-one pro 分光光度儀器測(cè)量出所選12種水彩顏料的反射比。利用光譜反射比求解色度空間中不同顏料的三刺激值，以及計(jì)算在不同紙張介質(zhì)上同種顏料的色差,從而建立顏料光譜特征的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)繪畫藝術(shù)品的數(shù)字化重建起到基礎(chǔ)性鋪墊作用。 關(guān)鍵詞：光譜反射比；色差；色空間；

2、水彩顏料1.引言 當(dāng)前，在世界各國(guó)，保護(hù)祖先留下的文化遺產(chǎn)越來(lái)越受到重視，并且形成了相關(guān)的產(chǎn)業(yè)。由于空氣中大氣污染及一些人為因素，一些珍貴的書畫作品正遭受著損壞，用數(shù)字圖像復(fù)制珍貴的藝術(shù)品已經(jīng)成為顏色科學(xué)工作者的重要工作。由于同色異譜現(xiàn)象，用傳統(tǒng)的圖像復(fù)制方法（2d攝影、錄像、掃描、打印等）所記錄的圖像，難于在不同的照明環(huán)境下真實(shí)再現(xiàn)原物的顏色；采用復(fù)制品展覽時(shí)，由于復(fù)制品所采取的原材料（如顏料，紙張等的不同），同樣存在同色異譜現(xiàn)象。因而近年來(lái)，為了得到更加真實(shí)的顏色復(fù)制，顏色科學(xué)工作者們希望有一個(gè)可以重建目標(biāo)物體表面上各點(diǎn)光譜反射比的方法，使得同色異譜程度盡可能小。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)

3、際顏色科學(xué)領(lǐng)域廣泛開(kāi)展了多光譜成像及其光譜反射比重建理論與技術(shù)的研究，并在實(shí)際系統(tǒng)中得到初步的應(yīng)用。其中英、美、德、法、意、日等國(guó)開(kāi)始對(duì)一些館藏畫作系統(tǒng)地開(kāi)展制作藝術(shù)品電子檔案的研究，利用多光譜成像技術(shù)建立藝術(shù)畫作的電子檔案，目的是獲取拍攝目標(biāo)每個(gè)點(diǎn)的可見(jiàn)光光譜反射比，并對(duì)其外觀顏色高保真地保存、傳遞、和復(fù)。經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)已日趨成熟。但是，目前利用多光譜成像技術(shù)建立藝術(shù)品電子檔案的研究，主要集中在多光譜圖像再現(xiàn)的算法研究上，對(duì)繪畫顏料的光譜特征方面的認(rèn)識(shí)還是空白，也沒(méi)有人研究過(guò)不同紙張上顏料的光譜特征的區(qū)別與特征，因此，本論文通過(guò)測(cè)定顏料光譜的反射比來(lái)建立顏料光譜特征的數(shù)據(jù)庫(kù)。水

4、彩具有便捷、靈活性、隨意性大、傳播快、大眾化等特點(diǎn)，所以實(shí)驗(yàn)選擇水彩顏料作為被測(cè)物，從光譜方面去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行顏料反射比的測(cè)定，分析水彩顏料的特點(diǎn)。2.水彩顏料及cie1931標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)2.1 水彩顏料基本知識(shí) 從顏色的角度來(lái)看，所有物體可以分為兩類：一類是能向周圍空間輻射光能量的自發(fā)光體，即光源，其顏色決定于它所發(fā)出光的光譜成分；另一類是不發(fā)光體，其本身不能輻射光能量，但能不同程度地吸收、反射或透射其上的光能量而呈現(xiàn)顏色，射入人眼的光的光譜分布決定了發(fā)光體或反射和透射物體的顏。而本文研究的水彩顏料為不發(fā)光體。水彩，一般稱為水彩顏料。按特性分為透明水彩和不透明水彩，本文主要研究的是透明水彩。透

5、明水彩透明度高，色彩重疊時(shí)，下面的顏色會(huì)透過(guò)來(lái)。色彩鮮艷度不如彩色墨水，但是著色較深，即使長(zhǎng)期保存也不易變色。市場(chǎng)上，水彩顏料有很多種品牌，本次主要采用國(guó)內(nèi)上海產(chǎn)的馬利牌水彩顏料作為實(shí)驗(yàn)原料。2.2 cie1931標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)色度學(xué)要解決顏色的度量問(wèn)題，首先必須找到外界光刺激與色知覺(jué)量之間的關(guān)系，外界光刺激及顏色的物理測(cè)量、物理量與視覺(jué)知覺(jué)量之間的變換關(guān)系、描述顏色的色空間以及均勻色空間及其色差計(jì)算構(gòu)成色度學(xué)研究的理論基礎(chǔ)。國(guó)際照明委員會(huì)（international commission on illumination，cie）于1931年制定了“匹配函數(shù)”、“cie1931rgb色度系統(tǒng)”、

6、和“cie1931xyz色度系統(tǒng)”，而且將人眼知覺(jué)反應(yīng)加以量化，能夠明確的定義色彩的概。根據(jù)三原色原理，任何一種彩色都可以由三種相互獨(dú)立顏色按不同的比例混合而成。在顏色匹配試驗(yàn)中，用三原色光視覺(jué)匹配所有等能量單色光，得到每個(gè)單色光需要用三原色匹配的大小，這個(gè)大小叫做這個(gè)單色光的三刺激值，也叫光譜三刺激值，也稱為眼色匹配函數(shù)。cie1931rgb使用紅、綠、藍(lán)三基色系統(tǒng)匹配某些可見(jiàn)光譜顏色時(shí)，需要使用基色的負(fù)值，不僅不容易理解，而且使用也不方便。由于任何一種基色系統(tǒng)都可以從一種系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到另外一種系統(tǒng)，因此人們可以選擇想要的任何一種基色系統(tǒng)，以避免出現(xiàn)負(fù)值，而且使用也不方便。1931年國(guó)際照明委員

7、會(huì)采用一種新的顏色系統(tǒng)，叫做ciexyz系統(tǒng)。2.3 cie1931不同色度系統(tǒng)中三刺激值的測(cè)量有了顏色匹配函數(shù)，可以計(jì)算任何進(jìn)入人眼產(chǎn)生顏色感覺(jué)的光能量，即顏色刺激函數(shù)（）的cie色度系統(tǒng)三刺激值x,y,z: （1） （2） （3）式中k叫歸化系數(shù)，目的是為了規(guī)定y值最大為100。如果被測(cè)物體是自發(fā)光物體時(shí)，（）為發(fā)光物體輻射的相對(duì)光譜功率分布；如果被測(cè)物體是非發(fā)光物體時(shí)，（）為透射體透射光譜或反射體反射光譜： （）= （） s（） （4） （）=（）s（） （5） （）=（）s（） （6）式中，（）、（）、（）分別是物體的光譜透射比、物體的光譜輻亮度因數(shù)、物體的光譜反射比；s（）是照明光源

8、的相對(duì)光譜功率分布。式（1）（3）中歸化系數(shù)是這樣確定。對(duì)自發(fā)光物體是將光源的y值調(diào)整到100時(shí)求得；對(duì)于非自發(fā)光物體是將所選標(biāo)準(zhǔn)照明體的y值調(diào)整到100，也就是將完全漫反射物體（）=1和理想透明物體（）=1的y值調(diào)整到100。所以： （7）由以上的式子我們可以計(jì)算得到各種顏料的三基色配色比，從而對(duì)珍貴的藝術(shù)品進(jìn)行數(shù)字圖像的顏色再現(xiàn)。但是在此項(xiàng)工作開(kāi)展之前，我們需對(duì)（6）式中反射比進(jìn)行測(cè)量，一切工作的基礎(chǔ)都要建立在系統(tǒng)地對(duì)顏料反射比測(cè)量的基礎(chǔ)上。2.4 cie1976 l*a*b*均勻色空間及ciede2000色差公式由于前面測(cè)得為不均勻的顏色空間，為了方便比較引入了均勻的cie1976 l*

9、a*b*顏色空間。cie在1976年推薦用于加混色的cieluv顏色空間的同時(shí)，還推薦了主要用于表面色料工業(yè)等減混色（subtractive mixture）的表示和評(píng)價(jià)的cie1976l*a*b*顏色空間，也稱為cielab顏色空間。cielab空間是ciexyz空間的一種非線性變換空間，其計(jì)算公式如下： (8) 式中，x,y,z為顏色樣品的三刺激值；xn,yn,zn為cie標(biāo)準(zhǔn)照明體照射到完全漫反射體上，再經(jīng)過(guò)完全漫反射反射到觀察者眼中的白色刺激的三刺激值。l*代表明度，a*和b*代表色度，代表彩度。ciede2000色差公式如下： (9)式中 (10) 其中i表示x/xn、y/yn或zz

10、n。 （11）式中 (12)其中是樣品對(duì)中兩個(gè)色樣值得算術(shù)平均值。計(jì)算、和： (13)式中 (14)其中下標(biāo)“b”表示樣品對(duì)中的試樣，下標(biāo)“s”則表示標(biāo)樣。計(jì)算ciede2000色差： (15)式中(16)越小說(shuō)明色差越小。3.材料制備與數(shù)據(jù)獲取3.1 12色水彩顏料色卡的制備實(shí)驗(yàn)選取上海產(chǎn)馬利牌12色水彩顏料作為研究對(duì)象，分別為普蘭、檸檬黃、草綠、熟褐、深紅、土黃、朱紅、深綠、青蓮、赭石、煤黑12色。水彩顏料色卡為刷子涂刷在紙張介質(zhì)上再晾干制成，本次選擇三種不同紙張介質(zhì)作為載體，分別為水彩紙、水粉紙、素描紙。3.2 數(shù)據(jù)的獲取實(shí)驗(yàn)共采集了12色水彩顏料在三種紙質(zhì)上的中心波長(zhǎng)從380nm730

11、nm，以10nm為間隔的光譜反射比。為了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，選擇測(cè)一張色卡上的六個(gè)不同點(diǎn)的反射比算取平均反射比畫出不同波長(zhǎng)下的反射比圖像。圖1是12種水彩顏料分別在水彩紙、水粉紙和素描紙上的平均反射比曲線： (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) (j) (k) (l) (m)圖1 12色顏料的光譜反射比曲線figure 1 spectral reflectance of 12 kinds of pigment4.實(shí)驗(yàn)與分析本次使用美國(guó)愛(ài)色麗（x-rite）的eye-one pro 分光光度計(jì)測(cè)出被測(cè)物的反射比，并畫出曲線，進(jìn)行比較。圖1中（m）圖可以發(fā)現(xiàn)不同紙張介質(zhì)

12、的反射比吻合情況不同，其中水彩紙和水粉紙的紙張反射比曲線相差較小，在380nm530nm間吻合程度較好，基本一致，在540nm730nm間出現(xiàn)小范圍波動(dòng)，素描紙與水彩紙和水粉紙的光譜反射比曲線相差較大；其中檸檬黃、深紅、土黃、朱紅、深綠、青蓮、煤黑色在三種紙張介質(zhì)上的反射比吻合情況較好，說(shuō)明三種不同紙張對(duì)以上七種顏色的反射比影響不大；(a)圖顯示普蘭色的光譜反射比波動(dòng)最大，水粉紙和素描紙上的普蘭色反射比曲線基本吻合，其中570nm730nm間吻合情況較好，水彩紙上的普蘭色反射比曲線波動(dòng)大，在380nm570nm間尤其明顯，在450nm處出現(xiàn)峰值，該波長(zhǎng)處水彩紙上普蘭色反射比與水粉紙上普蘭色反射

13、比大約相差為0.15；（c）圖顯示赭石色的光譜反射比曲線中素描紙的曲線和水粉紙的曲線吻合情況較好，但水彩紙曲線與二者的反射比曲線波動(dòng)較大，在550nm730nm間尤其明顯，相差最大的點(diǎn)在730nm處，大約相差0.25。為了定量地比較不同介質(zhì)上的水彩顏料，通過(guò)各顏料樣本的光譜反射比，利用公式（8）（14），計(jì)算出36個(gè)樣本的xyz三刺激值，并轉(zhuǎn)化到cie l*a*b*色度空間，a*代表紅/綠，b*代表黃/藍(lán)，其中a*b*空間分布如圖2：圖2 12色顏料l*a*b*空間色度圖像figure 2 imagies of 12 kinds of pigment in l*a*b*color space上

14、圖中字母所代表的顏色分別為a普蘭；b煤黑；c赭石；d草綠；e熟褐；f深紅；g檸檬黃；h土黃；i白；j朱紅；k深綠；l青蓮。由圖2可以看出，普蘭色在縱坐標(biāo)上的偏差較大，水彩紙上的普蘭色偏黃；而檸檬黃、熟褐、赭石、朱紅、土黃、青蓮色在橫坐標(biāo)上偏差較大其中水彩紙上的赭石、朱紅、土黃以及青蓮偏綠。本文采用ciede2000色差公式（15），由該色差公式計(jì)算出的三種紙張介質(zhì)上水彩顏料的色差列表如下：表1 12種水彩顏料在三種紙張上的色差table 1 the chromatic aberration of 12 kinds of watercolor pigment in three kinds of

15、paper e （水彩水粉） e（水彩素描） e（水粉素描）a普蘭 11.90 14.90 3.32b煤黑 1.04 1.03 0.28c赭石 6.41 5.08 1.92d草綠 4.34 4.87 0.86e熟褐 6.34 3.67 3.88f深紅 1.35 1.65 0.32g檸檬黃 0.95 2.33 1.49h土黃 1.55 1.78 0.64i白 3.81 4.45 0.77j朱紅 4.21 4.38 0.57k深綠 3.74 3.33 0.76l青蓮 0.76 4.05 3.39表2 nbs 單位的色差感覺(jué)table 2 feeling of nbs unit chromatic

16、aberration nbs 單位 色差的感覺(jué) 6.0 大色差從表1可以看出，綜合12種水彩顏料在3種不同紙質(zhì)上的色差，色差最大的為水彩紙上的普蘭色和素描紙上的普蘭色，色差為14.90；其次為水彩紙上的普蘭色和水粉紙上的普蘭色，色差為11.90；色差最小的為水粉紙上的煤黑色和素描紙上的煤黑色，色差僅為0.28。參照表2的色差感覺(jué)得知12種水彩顏料在水粉紙和素描紙上的顏色色差較小，基本為小色差，而出現(xiàn)較大色差的顏色為普蘭、赭石、熟褐，都為顏色較深的顏料。以上結(jié)果表明，水彩紙以及水粉紙的光譜反射比吻合情況較好，素描紙與前兩種紙質(zhì)的差別較大，顏色較深的水彩顏料對(duì)紙張的要求比較高，在復(fù)原畫作的時(shí)候要特

17、別注意。5. 結(jié)論本文選擇水彩顏料作為被測(cè)物，從光譜方面去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行顏料反射比的測(cè)定以及從細(xì)節(jié)上了解顏料的特性和紙張表面材質(zhì)的特性。通過(guò)對(duì)12種基本水彩顏料的反射比測(cè)定以及3種不同紙質(zhì)的表面材質(zhì)測(cè)定，發(fā)現(xiàn)水粉紙與水彩紙的光譜反射比曲線基本吻合而素描紙和前兩種紙質(zhì)的光譜反射比曲線相差較大。水彩顏料中普蘭色反射比曲線波動(dòng)較大，其他顏色的反射比曲線吻合情況較好。這些為我們今后對(duì)繪畫藝術(shù)品的數(shù)字化重建與渲染起到了重要的基礎(chǔ)性鋪墊作用。參考文獻(xiàn)：1 楊衛(wèi)平，跨媒體顏色復(fù)制技術(shù)簡(jiǎn)化研究d.北京：北京理工大學(xué)，2005.2 廖寧放，石俊生，吳文敏，著，數(shù)字圖文圖像顏色管理系統(tǒng)概論m.北京：北京理工大學(xué)出版

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20、tion to cultural heritage, copies of the painting receives much concerning, but it accompanies phenomenon that the same color vision corresponding with the different spectrum, the images which is recorded by using the traditional coping methods, is hard to represent the color of original objects veritably under the different lighting conditions. so we need to find a kind of method which can reconstruct spectral reflectance of every point on the surface of target objects to minimize the influence of the phenomenon t