水彩颜料反射比的测定与分析.doc

本科生毕业论文水彩颜料反射比的测定与分析摘要：随着人们对文化遗产越来越重视，画作的复制也备受关注，但是由于存在同色异谱现象，用传统的图像复制方法所记录的图像难于在不同的照明环境下真实再现原物的颜色。因此需要建立一个可以重建目标物体表面上各点光谱反射比的方法，尽可能减小同色异谱对颜色复制的影响。本文选择水彩颜料作为被测物，用美国x-rite公司的eye-one pro 分光光度仪器测量出所选12种水彩颜料的反射比。利用光谱反射比求解色度空间中不同颜料的三刺激值，以及计算在不同纸张介质上同种颜料的色差,从而建立颜料光谱特征的数据库，对绘画艺术品的数字化重建起到基础性铺垫作用。 关键词：光谱反射比；色差；色空间；水彩颜料1.引言 当前，在世界各国，保护祖先留下的文化遗产越来越受到重视，并且形成了相关的产业。由于空气中大气污染及一些人为因素，一些珍贵的书画作品正遭受着损坏，用数字图像复制珍贵的艺术品已经成为颜色科学工作者的重要工作。由于同色异谱现象，用传统的图像复制方法（2d摄影、录像、扫描、打印等）所记录的图像，难于在不同的照明环境下真实再现原物的颜色；采用复制品展览时，由于复制品所采取的原材料（如颜料，纸张等的不同），同样存在同色异谱现象。因而近年来，为了得到更加真实的颜色复制，颜色科学工作者们希望有一个可以重建目标物体表面上各点光谱反射比的方法，使得同色异谱程度尽可能小。自20世纪90年代以来，国际颜色科学领域广泛开展了多光谱成像及其光谱反射比重建理论与技术的研究，并在实际系统中得到初步的应用。其中英、美、德、法、意、日等国开始对一些馆藏画作系统地开展制作艺术品电子档案的研究，利用多光谱成像技术建立艺术画作的电子档案，目的是获取拍摄目标每个点的可见光光谱反射比，并对其外观颜色高保真地保存、传递、和复。经过二十多年的发展，这项技术已日趋成熟。但是，目前利用多光谱成像技术建立艺术品电子档案的研究，主要集中在多光谱图像再现的算法研究上，对绘画颜料的光谱特征方面的认识还是空白，也没有人研究过不同纸张上颜料的光谱特征的区别与特征，因此，本论文通过测定颜料光谱的反射比来建立颜料光谱特征的数据库。水彩具有便捷、灵活性、随意性大、传播快、大众化等特点，所以实验选择水彩颜料作为被测物，从光谱方面去设计实验进行颜料反射比的测定，分析水彩颜料的特点。2.水彩颜料及cie1931标准色度系统2.1 水彩颜料基本知识 从颜色的角度来看，所有物体可以分为两类：一类是能向周围空间辐射光能量的自发光体，即光源，其颜色决定于它所发出光的光谱成分；另一类是不发光体，其本身不能辐射光能量，但能不同程度地吸收、反射或透射其上的光能量而呈现颜色，射入人眼的光的光谱分布决定了发光体或反射和透射物体的颜。而本文研究的水彩颜料为不发光体。水彩，一般称为水彩颜料。按特性分为透明水彩和不透明水彩，本文主要研究的是透明水彩。透明水彩透明度高，色彩重叠时，下面的颜色会透过来。色彩鲜艳度不如彩色墨水，但是着色较深，即使长期保存也不易变色。市场上，水彩颜料有很多种品牌，本次主要采用国内上海产的马利牌水彩颜料作为实验原料。2.2 cie1931标准色度系统色度学要解决颜色的度量问题，首先必须找到外界光刺激与色知觉量之间的关系，外界光刺激及颜色的物理测量、物理量与视觉知觉量之间的变换关系、描述颜色的色空间以及均匀色空间及其色差计算构成色度学研究的理论基础。国际照明委员会（international commission on illumination，cie）于1931年制定了“匹配函数”、“cie1931rgb色度系统”、和“cie1931xyz色度系统”，而且将人眼知觉反应加以量化，能够明确的定义色彩的概。根据三原色原理，任何一种彩色都可以由三种相互独立颜色按不同的比例混合而成。在颜色匹配试验中，用三原色光视觉匹配所有等能量单色光，得到每个单色光需要用三原色匹配的大小，这个大小叫做这个单色光的三刺激值，也叫光谱三刺激值，也称为眼色匹配函数。cie1931rgb使用红、绿、蓝三基色系统匹配某些可见光谱颜色时，需要使用基色的负值，不仅不容易理解，而且使用也不方便。由于任何一种基色系统都可以从一种系统转换到另外一种系统，因此人们可以选择想要的任何一种基色系统，以避免出现负值，而且使用也不方便。1931年国际照明委员会采用一种新的颜色系统，叫做ciexyz系统。2.3 cie1931不同色度系统中三刺激值的测量有了颜色匹配函数，可以计算任何进入人眼产生颜色感觉的光能量，即颜色刺激函数（）的cie色度系统三刺激值x,y,z: （1） （2） （3）式中k叫归化系数，目的是为了规定y值最大为100。如果被测物体是自发光物体时，（）为发光物体辐射的相对光谱功率分布；如果被测物体是非发光物体时，（）为透射体透射光谱或反射体反射光谱： （）= （） s（） （4） （）=（）s（） （5） （）=（）s（） （6）式中，（）、（）、（）分别是物体的光谱透射比、物体的光谱辐亮度因数、物体的光谱反射比；s（）是照明光源的相对光谱功率分布。式（1）（3）中归化系数是这样确定。对自发光物体是将光源的y值调整到100时求得；对于非自发光物体是将所选标准照明体的y值调整到100，也就是将完全漫反射物体（）=1和理想透明物体（）=1的y值调整到100。所以： （7）由以上的式子我们可以计算得到各种颜料的三基色配色比，从而对珍贵的艺术品进行数字图像的颜色再现。但是在此项工作开展之前，我们需对（6）式中反射比进行测量，一切工作的基础都要建立在系统地对颜料反射比测量的基础上。2.4 cie1976 l*a*b*均匀色空间及ciede2000色差公式由于前面测得为不均匀的颜色空间，为了方便比较引入了均匀的cie1976 l*a*b*颜色空间。cie在1976年推荐用于加混色的cieluv颜色空间的同时，还推荐了主要用于表面色料工业等减混色（subtractive mixture）的表示和评价的cie1976l*a*b*颜色空间，也称为cielab颜色空间。cielab空间是ciexyz空间的一种非线性变换空间，其计算公式如下： (8) 式中，x,y,z为颜色样品的三刺激值；xn,yn,zn为cie标准照明体照射到完全漫反射体上，再经过完全漫反射反射到观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zzn。 （11）式中 (12)其中是样品对中两个色样值得算术平均值。计算、和： (13)式中 (14)其中下标“b”表示样品对中的试样，下标“s”则表示标样。计算ciede2000色差： (15)式中(16)越小说明色差越小。3.材料制备与数据获取3.1 12色水彩颜料色卡的制备实验选取上海产马利牌12色水彩颜料作为研究对象，分别为普兰、柠檬黄、草绿、熟褐、深红、土黄、朱红、深绿、青莲、赭石、煤黑12色。水彩颜料色卡为刷子涂刷在纸张介质上再晾干制成，本次选择三种不同纸张介质作为载体，分别为水彩纸、水粉纸、素描纸。3.2 数据的获取实验共采集了12色水彩颜料在三种纸质上的中心波长从380nm730nm，以10nm为间隔的光谱反射比。为了数据的准确性，选择测一张色卡上的六个不同点的反射比算取平均反射比画出不同波长下的反射比图像。图1是12种水彩颜料分别在水彩纸、水粉纸和素描纸上的平均反射比曲线： (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) (j) (k) (l) (m)图1 12色颜料的光谱反射比曲线figure 1 spectral reflectance of 12 kinds of pigment4.实验与分析本次使用美国爱色丽（x-rite）的eye-one pro 分光光度计测出被测物的反射比，并画出曲线，进行比较。图1中（m）图可以发现不同纸张介质的反射比吻合情况不同，其中水彩纸和水粉纸的纸张反射比曲线相差较小，在380nm530nm间吻合程度较好，基本一致，在540nm730nm间出现小范围波动，素描纸与水彩纸和水粉纸的光谱反射比曲线相差较大；其中柠檬黄、深红、土黄、朱红、深绿、青莲、煤黑色在三种纸张介质上的反射比吻合情况较好，说明三种不同纸张对以上七种颜色的反射比影响不大；(a)图显示普兰色的光谱反射比波动最大，水粉纸和素描纸上的普兰色反射比曲线基本吻合，其中570nm730nm间吻合情况较好，水彩纸上的普兰色反射比曲线波动大，在380nm570nm间尤其明显，在450nm处出现峰值，该波长处水彩纸上普兰色反射比与水粉纸上普兰色反射比大约相差为0.15；（c）图显示赭石色的光谱反射比曲线中素描纸的曲线和水粉纸的曲线吻合情况较好，但水彩纸曲线与二者的反射比曲线波动较大，在550nm730nm间尤其明显，相差最大的点在730nm处，大约相差0.25。为了定量地比较不同介质上的水彩颜料，通过各颜料样本的光谱反射比，利用公式（8）（14），计算出36个样本的xyz三刺激值，并转化到cie l*a*b*色度空间，a*代表红/绿，b*代表黄/蓝，其中a*b*空间分布如图2：图2 12色颜料l*a*b*空间色度图像figure 2 imagies of 12 kinds of pigment in l*a*b*color space上图中字母所代表的颜色分别为a普兰；b煤黑；c赭石；d草绿；e熟褐；f深红；g柠檬黄；h土黄；i白；j朱红；k深绿；l青莲。由图2可以看出，普兰色在纵坐标上的偏差较大，水彩纸上的普兰色偏黄；而柠檬黄、熟褐、赭石、朱红、土黄、青莲色在横坐标上偏差较大其中水彩纸上的赭石、朱红、土黄以及青莲偏绿。本文采用ciede2000色差公式（15），由该色差公式计算出的三种纸张介质上水彩颜料的色差列表如下：表1 12种水彩颜料在三种纸张上的色差table 1 the chromatic aberration of 12 kinds of watercolor pigment in three kinds of paper e （水彩水粉） e（水彩素描） e（水粉素描）a普兰 11.90 14.90 3.32b煤黑 1.04 1.03 0.28c赭石 6.41 5.08 1.92d草绿 4.34 4.87 0.86e熟褐 6.34 3.67 3.88f深红 1.35 1.65 0.32g柠檬黄 0.95 2.33 1.49h土黄 1.55 1.78 0.64i白 3.81 4.45 0.77j朱红 4.21 4.38 0.57k深绿 3.74 3.33 0.76l青莲 0.76 4.05 3.39表2 nbs 单位的色差感觉table 2 feeling of nbs unit chromatic aberration nbs 单位 色差的感觉 6.0 大色差从表1可以看出，综合12种水彩颜料在3种不同纸质上的色差，色差最大的为水彩纸上的普兰色和素描纸上的普兰色，色差为14.90；其次为水彩纸上的普兰色和水粉纸上的普兰色，色差为11.90；色差最小的为水粉纸上的煤黑色和素描纸上的煤黑色，色差仅为0.28。参照表2的色差感觉得知12种水彩颜料在水粉纸和素描纸上的颜色色差较小，基本为小色差，而出现较大色差的颜色为普兰、赭石、熟褐，都为颜色较深的颜料。以上结果表明，水彩纸以及水粉纸的光谱反射比吻合情况较好，素描纸与前两种纸质的差别较大，颜色较深的水彩颜料对纸张的要求比较高，在复原画作的时候要特别注意。5. 结论本文选择水彩颜料作为被测物，从光谱方面去设计实验进行颜料反射比的测定以及从细节上了解颜料的特性和纸张表面材质的特性。通过对12种基本水彩颜料的反射比测定以及3种不同纸质的表面材质测定，发现水粉纸与水彩纸的光谱反射比曲线基本吻合而素描纸和前两种纸质的光谱反射比曲线相差较大。水彩颜料中普兰色反射比曲线波动较大，其他颜色的反射比曲线吻合情况较好。这些为我们今后对绘画艺术品的数字化重建与渲染起到了重要的基础性铺垫作用。参考文献：1 杨卫平，跨媒体颜色复制技术简化研究d.北京：北京理工大学，2005.2 廖宁放，石俊生，吴文敏，著，数字图文图像颜色管理系统概论m.北京：北京理工大学出版社，2009：14.3 滕秀金，邱迦易，曾晓栋，著，颜色测量技术m.北京：中国计量出版社，2007:2845.4 徐海松，著，颜色信息工程m.杭州：浙江大学出版社，2005：41114.5 徐楠 ，单长吉，吴德兰，潘梦鹄，李林，多光谱成像技术在中国书画保护方面上的应用j.昭通师范高等专科学校学报，2010,32（05）:5558. 6 李遂贤，廖宁放，孙雨南，传世艺术画作的多光谱图像数字典藏技术j.计算机应用与软件，2007,24（12）：1011.7 杨晓莉，刘波，基于多光谱成像的有光泽munsell色卡的光谱反射率重建j.湖北民族学院学报（自然科学版），2009,27（01）:5869.8 任鹏远，廖宁放，柴冰华，杨卫平，李遂贤，基于多光谱成像的光谱反射率重建j.光学技术，2005，31（3）：427433.9 braun k m,fairchild m d,testing five colour-appearance models for changes in viewing conditions,colour res.app.,1997,22(3):165173 measurement and analysis of reflectance for watercolor pigmentabstract: with people pay more and more attention 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 th