日光色温及显色性实验研究
2022-06-09
建筑色彩包含社会人文及科学技术2方面的内容，长期以来建筑色彩设计多是从历史、文脉、习俗、审美等方面进行的定性分析，忽视了科学的定量研究。建筑色彩是在自然空间中呈现出来的，日光必然会对其产生影响。日光有初升、日出后、正午、日落前和欲落以及晴天直射、晴天背光和阴天等不同时相，不同时相的日光具有不同的色温和光谱功率分布，在其照射下建筑所呈现的色彩也不尽相同。因此，对日光光谱、日光色温及显色性对建筑色彩影响的研究是一项重要的基础理论研究。在日光光谱的研究方面，学者们进行了一系列的研究工作，例如：HernándezAndrés等[1]对欧洲南部的日光光谱进行了测量和分析，赵晓艳等[2]对成都地区的天空光光谱进行了测量和分析，曹婷婷等[3]分别对大气上界和地表直射太阳光谱和天空光谱进行了测量，还有学者对太阳辐射光谱和天空光谱进行了相关研究[48]。日光色温随气候、季节、时间和天气等的变化而变化，其中时间和天气的变化对日光色温的影响最为明显，李兴国等[9]对常见的日光色温进行了研究，对比了自然光和人工光的色温差别，郑志雄[10]标出了日光和天光在部分云彩之下的综合色温。喻柏林等[11]对光源的色温和CIE标准照明体进行了研究，并研究了典型日光色度轨迹及其相对光谱；还有学者对CIE标准照明体的色度和光谱等进行了研究[1213]。杨春宇等[1415]对影响建筑色彩观测的因素进行了研究，包括不同色温日光、不同光源等对建筑色彩的影响。目前，对日光光谱的研究主要用于大气污染状况的检测和分析，对日光色温本身的研究也比较有限，还缺乏对日光色温及其显色性之间关系的深入研究。
笔者对一天中具有不同色温的不同时相日光进行跟踪观测，分析一天中日光色温及其照度变化，同时，以典型日光D65和D55作为参照照明体，对不同色温日光下的标准白板色度变化量进行分析，并进行色差比较，探讨日光色温与显色性之间的定量关系。
梁树英，等：日光色温及显色性实验研究
1典型日光及相关理论
1.1典型日光理论
国际照明委员会（CIE）推荐了4种标准照明体A、B、C、D来规范颜色测量。典型日光（即CIE标准照明体D）在CIE1931色度图上表示为一条位于黑体轨迹上方的典型日光色度轨迹，其是由两类实验数据定出的：一类数据来自1963年Condit等人测量的622例不同地区和不同时相的太阳光和天空光光谱分布；另一类数据是同年完成的两组视觉色度测量，即Nayatani等[16]和Chambeilin等[17]分别对加拿大渥太华和英国南部的北天空日光的直接视觉观察。针对Condit等人测量的622例日光光谱分布，Judd等[18]用统计学的特征矢量分析重新组合出一定相关色温的典型日光光谱功率分布。由这622例日光光谱分布曲线可以得到1条平均曲线S0，分析这些曲线偏离S0的变化，可以找到偏离S0的最突出特征矢量S1和第2个最突出特征矢量S2，以及第3特征矢量S3和第4特征矢量S4等。一般而言，用特征矢量S1、S2和相应的乘数M1、M2就能很好地符合不同色温的日光光谱分布[1920]（图1）。
根据典型日光理论，不同色温日光的相对光谱功率分布公式为：
1.2日光光谱功率分布与日光色温
根据前文所述理论，不同时相的日光对应着不同相关色温的标准照明体D，也就对应着不同的相对光谱功率分布。定义典型日光的实验数据来源于实测日光，其相对光谱功率分布与实测日光很相似，和其他标准照明体相比，典型日光的色度点与实际日光更符合，因此CIE推荐研究时实测日光用典型日光D55（相关色温5503K）、D65（相关色温6504K）和D75（相关色温7504K）来代替，并尽可能使用典型日光D65。
从光源的显色性来分析，其显色性是由光源的光谱功率分布决定的[19]，连续光谱的光源具有较好的显色性。日光是连续光谱，日光色温能代表其光谱功率分布，也能反映其显色性。从色度实践的角度而言，研究日光的光谱功率分布意义不大，且有一定的难度。因此一般在日光光源条件下，可用日光色温来衡量其显色性，进行色度测量和分析。
色温的感觉量用MK-1（每兆开）表示，其计算公式为[21]：
106/色温K=MK-1（2）
从式（2）可以看出，色温的感觉量是由倒数色温来度量的。在实际测量中，光源的色温同样相差200K，但其感觉量就会有很大不同。例如：5000K和5200K的2个光源，色温感觉量约为8MK-1；而2000K和2200K的光源，色温感觉量就约为45MK-1。为了进一步探讨日光色温与色差之间的定量关系，笔者对日光色温及显色性进行了实验研究。
2日光色温及显色性实验研究
2.1实验原理
根据实际测量，阴天时日光色温比较稳定，大致处于6000～7000K之间，其与典型日光D65的色温比较接近，而晴天时日光色温在一天中的变化幅度很大，因此着重研究晴天时日光色温及其照度的变化情况。跟踪观测晴天一天中正对太阳直射光的标准白板直射面的各项参数，分析一天中日光自身的变化规律，并在CIEXYZ和CIELab色彩空间中将测量数据与CIE标准照明体D（典型日光）下的测量数据进行色差比较，分析日光色温变化对建筑色彩的影响规律。2.2实验步骤
在重庆市选择一个夏季全晴天（具体测量日期为2012年8月14日；正午的太阳高度角为74°49′；日出和日落分别为6时21分和19时33分；日正中天为12时56分；昼长13小时11分；测量时间为北京时间，时区为UTC+8），在室外条件下正对太阳直射光垂直放置标准白板，并将一天分为16个不同时段，在不同时间点用PR650亮度色度计和ST-80C数字照度计测量其直射面的亮度、色度、色温和照度等，并记录相关数据。
将测量数据使用AIM_XLA（EXCEL加载宏）进行色度计算和转换，并用Origin8.0软件对数据进行绘图和分析。为了便于计算和分析，色差计算均采用国际上有代表性的CIEDE2000色差公式。
2.3晴天日光色温及照度变化趋势分析
经过测量，晴天日光亮度、色度、色温和照度参数如表1所示。将一天中的日光色温和水平照度的数据进行统计分析，得到晴天日光色温及水平照度的变化曲线（图2）。
从表1数据和图2晴天日光色温及水平照度变化图中可以看出：晴天时，日光色温基本处于3500～7500K之间，早晨和傍晚日光色温变化幅度较大，早晨时日光色温急速下降，傍晚时日光色温急速上升，而在1d中的大部分时间（日出3h之后和日落3h之前），日光色温的变化幅度较小，基本稳定地保持在一定的水平上（4300～5300K）；而日光亮度、水平照度和垂直照度的变化则比较规律，基本符合太阳的运行轨迹，在一天中先上升后下降，其最大值出现在正午前后。
2.4日光色温与总色差的关系研究
2.4.1CIEXYZ色空间为了定量分析日光色温变化对建筑色彩的影响规律，研究其显色性，本文分析了不同色温日光下标准白板的色度数据，并以CIE推荐的D65（即相关色温6504K的典型日光）标准照明体作为参照照明体，将观测数据在CIEXYZ色空间中进行色差比较。定义典型日光D65的Y、x、y值分别为0.994、0.3127、0.329[14]，那么标准白板的色度值就是其与典型日光D65照明条件下的色彩偏差值。从前文的理论分析可知，光源的光谱功率分布决定了其显色性，日光是连续光谱，日光色温能代表其光谱功率分布，也能反映其显色性。因此，日光色温与其显色性之间必然存在一定的关系。对测量数据通过AIM_XLA（EXCEL加载宏）计算和Origin8.0软件分析，得到不同色温日光与典型日光D65的总色差与两者色温差之间的函数关系图（图3）。
笔者对一天中具有不同色温的不同时相日光进行跟踪观测，分析一天中日光色温及其照度变化，同时，以典型日光D65和D55作为参照照明体，对不同色温日光下的标准白板色度变化量进行分析，并进行色差比较，探讨日光色温与显色性之间的定量关系。
梁树英，等：日光色温及显色性实验研究
1典型日光及相关理论
1.1典型日光理论
国际照明委员会（CIE）推荐了4种标准照明体A、B、C、D来规范颜色测量。典型日光（即CIE标准照明体D）在CIE1931色度图上表示为一条位于黑体轨迹上方的典型日光色度轨迹，其是由两类实验数据定出的：一类数据来自1963年Condit等人测量的622例不同地区和不同时相的太阳光和天空光光谱分布；另一类数据是同年完成的两组视觉色度测量，即Nayatani等[16]和Chambeilin等[17]分别对加拿大渥太华和英国南部的北天空日光的直接视觉观察。针对Condit等人测量的622例日光光谱分布，Judd等[18]用统计学的特征矢量分析重新组合出一定相关色温的典型日光光谱功率分布。由这622例日光光谱分布曲线可以得到1条平均曲线S0，分析这些曲线偏离S0的变化，可以找到偏离S0的最突出特征矢量S1和第2个最突出特征矢量S2，以及第3特征矢量S3和第4特征矢量S4等。一般而言，用特征矢量S1、S2和相应的乘数M1、M2就能很好地符合不同色温的日光光谱分布[1920]（图1）。
根据典型日光理论，不同色温日光的相对光谱功率分布公式为：
1.2日光光谱功率分布与日光色温
根据前文所述理论，不同时相的日光对应着不同相关色温的标准照明体D，也就对应着不同的相对光谱功率分布。定义典型日光的实验数据来源于实测日光，其相对光谱功率分布与实测日光很相似，和其他标准照明体相比，典型日光的色度点与实际日光更符合，因此CIE推荐研究时实测日光用典型日光D55（相关色温5503K）、D65（相关色温6504K）和D75（相关色温7504K）来代替，并尽可能使用典型日光D65。
从光源的显色性来分析，其显色性是由光源的光谱功率分布决定的[19]，连续光谱的光源具有较好的显色性。日光是连续光谱，日光色温能代表其光谱功率分布，也能反映其显色性。从色度实践的角度而言，研究日光的光谱功率分布意义不大，且有一定的难度。因此一般在日光光源条件下，可用日光色温来衡量其显色性，进行色度测量和分析。
色温的感觉量用MK-1（每兆开）表示，其计算公式为[21]：
106/色温K=MK-1（2）
从式（2）可以看出，色温的感觉量是由倒数色温来度量的。在实际测量中，光源的色温同样相差200K，但其感觉量就会有很大不同。例如：5000K和5200K的2个光源，色温感觉量约为8MK-1；而2000K和2200K的光源，色温感觉量就约为45MK-1。为了进一步探讨日光色温与色差之间的定量关系，笔者对日光色温及显色性进行了实验研究。
2日光色温及显色性实验研究
2.1实验原理
根据实际测量，阴天时日光色温比较稳定，大致处于6000～7000K之间，其与典型日光D65的色温比较接近，而晴天时日光色温在一天中的变化幅度很大，因此着重研究晴天时日光色温及其照度的变化情况。跟踪观测晴天一天中正对太阳直射光的标准白板直射面的各项参数，分析一天中日光自身的变化规律，并在CIEXYZ和CIELab色彩空间中将测量数据与CIE标准照明体D（典型日光）下的测量数据进行色差比较，分析日光色温变化对建筑色彩的影响规律。2.2实验步骤
在重庆市选择一个夏季全晴天（具体测量日期为2012年8月14日；正午的太阳高度角为74°49′；日出和日落分别为6时21分和19时33分；日正中天为12时56分；昼长13小时11分；测量时间为北京时间，时区为UTC+8），在室外条件下正对太阳直射光垂直放置标准白板，并将一天分为16个不同时段，在不同时间点用PR650亮度色度计和ST-80C数字照度计测量其直射面的亮度、色度、色温和照度等，并记录相关数据。
将测量数据使用AIM_XLA（EXCEL加载宏）进行色度计算和转换，并用Origin8.0软件对数据进行绘图和分析。为了便于计算和分析，色差计算均采用国际上有代表性的CIEDE2000色差公式。
2.3晴天日光色温及照度变化趋势分析
经过测量，晴天日光亮度、色度、色温和照度参数如表1所示。将一天中的日光色温和水平照度的数据进行统计分析，得到晴天日光色温及水平照度的变化曲线（图2）。
从表1数据和图2晴天日光色温及水平照度变化图中可以看出：晴天时，日光色温基本处于3500～7500K之间，早晨和傍晚日光色温变化幅度较大，早晨时日光色温急速下降，傍晚时日光色温急速上升，而在1d中的大部分时间（日出3h之后和日落3h之前），日光色温的变化幅度较小，基本稳定地保持在一定的水平上（4300～5300K）；而日光亮度、水平照度和垂直照度的变化则比较规律，基本符合太阳的运行轨迹，在一天中先上升后下降，其最大值出现在正午前后。
2.4日光色温与总色差的关系研究
2.4.1CIEXYZ色空间为了定量分析日光色温变化对建筑色彩的影响规律，研究其显色性，本文分析了不同色温日光下标准白板的色度数据，并以CIE推荐的D65（即相关色温6504K的典型日光）标准照明体作为参照照明体，将观测数据在CIEXYZ色空间中进行色差比较。定义典型日光D65的Y、x、y值分别为0.994、0.3127、0.329[14]，那么标准白板的色度值就是其与典型日光D65照明条件下的色彩偏差值。从前文的理论分析可知，光源的光谱功率分布决定了其显色性，日光是连续光谱，日光色温能代表其光谱功率分布，也能反映其显色性。因此，日光色温与其显色性之间必然存在一定的关系。对测量数据通过AIM_XLA（EXCEL加载宏）计算和Origin8.0软件分析，得到不同色温日光与典型日光D65的总色差与两者色温差之间的函数关系图（图3）。