基于色差原理對石質文物表面污染物清洗效果的評價研究

葉 良,楊 平

(1.浙江科技大學 土木與建筑工程學院,杭州 310023;2.浙江-新加坡城市更新與未來城市聯合實驗室,杭州 310023)

石質文物是我國歷史文明的見證之一,其歷史價值和藝術價值主要體現在文物的表面及表層,采用合理的清洗方法去除其表面污染物可以為后續保護提供基礎。為了準確評價石質文物的清洗效果,需采用科學的技術手段來檢測和分析清洗前后文物表面的顏色變化,通過儀器檢測到的數據及色差公式來定量評價清洗效果,以提高評價方法的準確度[1-2]。

色差檢測是文物保護領域常用的一種無損檢測技術,通過對巖石表面顏色的定量分析來確定文物表面的形貌變化,已經成為文物科技保護方法中重要的一環。雖然人眼對顏色具有較高的分辨能力,但受主觀因素如心理因素和人的身體狀態等方面的影響較大,會使觀測結果具有不穩定性。而通過色度儀器和色差公式對文物表面形貌變化進行檢測分析可有效避免主觀因素的干擾,進而增強檢測結果的可靠性[3-4]。周輝等[5]研究了多種文物考古的色度測量方法及影響因素,總結出色度測量方法可以更快捷精確地將文物表面顏色特征信息化和數字化,且操作簡便、無損傷。

目前,石質文物清洗保護工作中,以色差檢測為主的無損檢測技術在工程中廣泛應用。周華等[6]對云岡石窟的表面污染物進行清洗試驗,并用色度儀、三維掃描儀等儀器對清洗效果進行檢測評估以判斷清洗效果。鄭利平[7]將色度儀的工作原理和調色原理應用到文物修復工作中,結果表明色度儀的應用可以避免修復時調色的盲目性,有效提高文物作色的準確度和修復效率。色差檢測結果對文物表面清洗前后的顏色控制非常重要,而色差公式正是用來評價文物表面清洗前后差異的科學方法。選取科學合理的色差公式可以有效提高計算結果的可靠性。王建剛[8]以標準顏色空間模型為基礎對幾種典型色差公式進行色差計算和顏色視覺試驗,發現最新的CIEDE2000色差公式計算結果更準確,且對測量精度有很大的提高。范純等[9]基于CIEDE2000色差公式原理對彩涂板進行檢測與評價研究,發現該色差公式可以更好地反映顏色變化,符合人眼的視覺特征。

上述對色差的應用研究主要停留在基礎的色差公式計算或理論假設,沒有對色差參數進行深入分析并對計算結果進行定量分析以判斷結果的可靠性。因此,本研究依托“溫州樂青白龍山石殿搶險加固設計方案”項目,對白龍山石門、石殿照壁、石亭分別選擇不同的病害區域進行清洗試驗。采用色度儀檢測清洗前后文物表面的顏色變化,定量分析色度參數與清洗效果的相關性,通過色差計算公式與色差參數相結合的方法,得出基于色差原理對石質文物表面污染物清洗效果的評價方法。

1 色差原理及清洗試驗

1.1 色差基本原理

色彩是人的眼睛對不同頻率光線下顏色的視覺感受,色彩既是客觀存在的也是主觀可感知的。某一色彩的變化狀態可以通過建立不同維度的空間坐標系來表示,而這種可以用坐標系統定義的色彩范圍就是色彩空間[10]。

1931年國際照明委員會(Commission International de L′Eclairage,CIE)成立,在顏色模型的基礎上,首次采用數字方式來定義色彩空間[11]。1976年CIE定義的色彩空間為CIELAB,將顏色用3種數值來表示:L表示感知的明亮度(lightness);a表示紅綠色度(green-red axis);b表示黃藍色度(blue-yellow axis)。1976年CIE修正后的色彩空間增加顏色的鮮艷程度,稱為彩度(Chroma),用c表示;增加表示不同顏色的角度,稱為色相角(Hue)[12-13],用h表示。色彩空間CIELAB作為一個感知色彩的空間,主要通過數字變化來反映顏色感知變化,這是目前工業上較為通用的色彩空間原理。

色差參數是用來衡量基體兩種或多種顏色間差異程度的量化指標:明度差ΔL表示顏色的明暗程度;紅綠差Δa和黃藍差Δb分別表示基體表面顏色偏向;彩度差Δc表示顏色的強度和鮮艷程度;色相差Δh表示基體表面色相角與標準色相角的差異。色相差值Δh由紅綠色度值a和黃藍色度值b所在平面上基體顏色點相對于標準顏色點的位置確定,用角度表示顏色的程度[14]。色差參數及其物理意義見表1。

表1 色差參數及其物理意義Table 1 Color difference parameters and their physical meanings

色差計算公式的結果可以用來衡量基體表面顏色偏差,總色差值用符號ΔE表示,用來對清洗效果進行評價。色差公式的幾何意義是在均勻顏色空間以標準色樣的坐標點為中心的一個三維橢球(圖1),在L、a、b三個方向的半軸長分別為(L1-L2)、(a1-a2)和(b1-b2),分別表示清洗前后不同方向的色度差值。色差的計算單位是NBS,它是由美國國家標準局(National Bureau of Standards,NBS)制定的。當ΔE=1時稱為1個NBS單位,大約相當于視覺色差識別閾值的5倍[15]。

圖1 色差三維橢球圖Fig.1 Three-dimensional ellipsoid plot of color difference

1.2 色差檢測方法

色差檢測方法分為肉眼觀測法和儀器檢測法,肉眼觀測法帶有一定的主觀性和易變性,在研究中僅作為輔助依據。儀器檢測法通常采用的測量儀器為色度儀,色度儀工作時會發射一束光,光照射到基體表面后再反射進入色度儀的光學模擬軟件中,通過對反射光的亮度、彩度和色相與初始參照色進行比較,從而確定出基體表面的色度值。

色度儀測定的色度學指標主要包括L(明亮度值)、a(紅綠度值)、b(黃藍度值)、c(彩度值)、h(色相角)和ΔE(總色差值)。

1.3 清洗試驗

1.3.1 病害勘察

經過現場勘察,白龍山石殿建筑群表面污染主要有以下幾處:石門區域主要污染物為苔蘚等微生物,顏色以淺藍色為主;石殿區域主要污染物為煙熏和大氣粉塵污染,顏色以灰黑色為主;石亭區域主要污染物為苔蘚等微生物,部分區域有白斑污染,顏色以白色和紅綠色為主。污染物分類及產生原因見表2。

表2 污染物分類及產生原因Table 2 Classification of contaminants and sources

1.3.2 清洗試驗及清洗區域

試驗主要采用蒸汽清洗(去離子水)和化學清洗,清洗輔助工具為毛刷、噴水壺等。選取石門、石殿、石亭三區域不同的病害類型進行清洗試驗,清洗時先對試驗區域灑水,然后快速用熱蒸汽加熱,防止局部受熱溫度過高造成熱應力損害,最后進行正式清洗。石門、石殿、石亭清洗位置分布見圖3、圖4和圖5。

圖3 石門清洗位置分布Fig.3 Stone gate cleaning locations

圖4 石殿清洗位置分布Fig.4 Stone temple cleaning locations

圖5 石亭清洗位置分布Fig.5 Stone pavilion cleaning locations

1.3.3 清洗效果檢測結果

清洗效果檢測儀器為3 nH精密色度儀。選擇在檢測口徑為8 mm,光源為D65,測定角為10°和包含鏡面反射光的測量條件下,對試驗區域取點測定。每個點位色度儀檢測5次后取平均值,色度儀檢測各項指標結果見表3。

表3 色度儀檢測各項指標結果Table 3 Colorimeter results for each indicator

2 基于色差參數分析的清洗效果評價方法

將試驗區域的色差檢測數據導入SPSS軟件中進行分析,以確定檢測數據的穩定性、參數所占權重和參數主成分(principal component analysis,PCA)。根據色差參數與污染物之間的影響關系,基于色差原理建立污染物清洗效果與顏色的相關性。

2.1 清洗前后色差參數分析

2.1.1 信度檢驗

由李-克隆巴赫在1951年提出的克隆巴赫α信度系數主要用來檢驗數據的可信程度[16],當α>0.9時說明該數據結果可信程度較高。按照清洗前和清洗后分別對三試驗區域各項色差參數檢測結果進行均值計算,再對計算結果進行信度分析,以判斷結果的穩定性和一致性。克隆巴赫α系數分析結果見表4。

表4 克隆巴赫α系數分析結果Table 4 Cronbach’s α coefficient analysis results

由表4可知,α>0.9時說明色度儀檢測數據結果具有較高的穩定性,可作為后續參數分析使用。

2.1.2 色差各項參數所占權重

先對三試驗區域清洗前后色差檢測結果進行差值計算,再進行分類匯總。三試驗區域顏色變化程度見表5。

表5 三試驗區域顏色變化程度Table 5 Degree of color change in three test areas

由表5可知,石亭區域顏色變化程度最小,其次是石殿區域,最后是石門區域。污染物殘留量與顏色變化程度相關,顏色變化程度越高,污染物殘留量越少。

將石門、石殿和石亭三試驗區域的色差計算結果進行均值計算。采用熵權法對色差的各項參數進行權重分析。色差參數權重計算結果見表6。

表6 色差參數權重計算結果

由表6可知,三試驗區域整體的色差權重結果為:明度差權重為39.061%,對清洗效果影響最大,其次為紅綠差(15.376%)和黃藍差(15.258%),最小值為色相差(15.074%)。因此,后續對清洗效果評價時以明度差作為主要評價參數,紅綠差和黃藍差根據污染物顏色進行分類評價。

2.1.3 色差參數主成分分析

對三試驗區域清洗后色差檢測結果進行差值計算,得到5組顏色差值(ΔL、Δa、Δb、Δc、Δh)。將顏色差值導入SPSS軟件中進行主成分分析,根據上述色差權重計算結果可以看出,影響整體清洗效果的色度參數主要為明度差,因此將其作為主成分。色差主成分分析結果見表7。三試驗區域主成分排名見表8。

表7 色差主成分分析結果

表8 三試驗區域主成分排名

由表8可知,將明度差ΔL作為影響清洗效果的主成分時三試驗區域清洗效果為石門區域最好,其次是石亭區域,最后是石殿區域。

2.2 清洗效果與顏色相關性分析

2.2.1 回歸分析

以試驗區域清洗后的色差檢測參數為因變量,清洗前的顏色參數為自變量,利用回歸方程[17]對三試驗區域的色差參數進行回歸分析。三試驗區域線性回歸分析結果見表9。

表9 線性回歸分析結果(n=5)Table 9 Results of linear regression analysis (n=5)

由表9可知,石門區域清洗效果主要受顏色指標b(97%)影響,石殿區域清洗效果主要受顏色指標a(59.2%)影響,石亭區域清洗效果主要受顏色指標L(73.2%)影響。驗證回歸顯著性的F值分別為:98.39、4.351、8.182,三個色度指標在回歸分析結果中呈顯著性。線性回歸方程分別為石門:Yb=5.506+0.728b,石殿Ya=1.106+1.116a,石亭YL=22.682+0.58L。回歸分析法可以快速建立污染物清洗效果和顏色之間的相關性,從而找出對應污染物的色差參數,對清洗效果進行評價。

2.2.2 相關性分析

采用皮爾遜相關性分析法對三試驗區域清洗后的色差檢測結果進行相關性分析[18-19]。若相關性為正值則呈正相關,若為負值則呈負相關。各項參數的顏色相關性分析結果見表10。

表10 顏色相關性分析結果Table 10 Results of color correlation analysis

根據色彩空間原理,三試驗區域明亮度L相關性均為正相關;石門區域主要為苔蘚污染物(淺藍色),清洗效果與黃藍色度值b呈顯著正相關;石殿區域污染物主要為煙熏及粉塵污染(灰黑色),與紅綠色度值a和黃藍色度值b呈正相關;石亭區域為青苔及白斑污染(白色、紅綠色),清洗效果與明亮度L呈顯著正相關。相關性越高說明清洗效果越好,污染物殘留量越少。彩度差Δc與色相差Δh與清洗效果呈負相關,差值越小說明文物原有樣貌越完好。

3 基于色差計算公式的清洗效果評價方法

基于色差原理及污染物去除效果與顏色相關性的結論,選取CIEDE2000色差公式對色差檢測結果進行計算,完善公式中的各項參數因子使計算結果更精確。先通過正態分布法檢驗計算結果是否具有規律,再采用偏最小二乘法驗證公式計算結果的可靠性,最后對計算結果進行清洗效果評價。

3.1 色差計算公式

CIEDE2000色差公式融合了CIELAB色差公式與視覺評價的優勢,因此本研究主要使用該色差公式對清洗效果進行評價。對CIEDE2000色差公式中的每項基本參數因子進行了完善,得到了一個較為完整且精確度更高的計算公式[20-22],其計算步驟如下:

(1)

表11 色相角h的計算式Table 11 Calculation formula for the hue angle h

明度差、彩度差、色相差和修正后色相差的計算式分別如下:

(2)

式(2)中Δh′的計算如下:

(3)

(4)

式(4)中:SL、Sc、SH分別為明度、彩度、色相的權重函數,這3個權重函數定義了三維橢球半軸的長度,允許在CIELAB顏色空間中根據不同的區域進行調整以校正該空間的均勻性。權重函數的計算公式如下:

(5)

T=1-0.17cos(h-30°)+0.24cos(2h)+0.32cos(3h+6°)-0.2cos(4h-63°)。

(6)

(7)

(8)

最后,參數因子KL、Kc、KH是與使用條件相關的,標準條件是D65光源、光照強度為1 000 lx,視場大于4°,顏色均勻,本研究取標準條件下的數值KL=Kc=KH=1。

3.2 色差計算結果分析

3.2.1 清洗效果評定

通過分析色差公式結果得到更準確的清洗效果評價方法。色差計算結果見表12。對計算結果進行均值處理,選取平均值對清洗效果進行等級評定。色差計算結果大于其均值結果表明清洗效果良好;反之,小于均值時則表明清洗效果一般。從表12可以看出石門區域5個點位有4個點位清洗效果良好,石殿和石亭區域均有兩個點位清洗效果良好,其他區域需進一步深入清洗。三試驗區域清洗效果評價結果見表13。

表12 色差計算結果

表13 清洗效果評價結果

3.2.2 正態檢驗

將三試驗區域色差計算結果進行正態分析,色差公式正態分析結果見表14。由表14可知,三試驗區域計算結果均符合正態分布。通過對均值的比較可知,色差公式的方差均值越小,其數值結果更符合期望數值。CIEDE2000色差公式的彩度c和色相加權函數h不僅可以提高公式計算結果的準確性,而且還有一個為提高藍色性能在彩度和色相差之間的參數RT及一個為改善中性灰色對尺度調節的比例系數T,可以更全面地對清洗效果進行評估。

表14 色差公式正態分析結果Table 14 Results of normality analysis of color difference formula

3.2.3 偏最小二乘法分析

偏最小二乘回歸方法(partial least squares regression,PLS)是集主成分分析、典型相關分析和多元線性回歸分析三種方法優點于一體的分析方法,它可以避免數據的非正態分布和因子結構不確定性等問題,并且它的預測結果也有較高的精確度[23]。這里將三試驗區域色差檢測參數與公式計算結果進行偏最小二乘回歸分析,根據預測結果與實際計算結果吻合程度來檢驗數據的可靠性。偏最小二乘回歸分析的計算公式為

CIEDE2000=12.678+0.21ΔL+5.21Δa+1.851Δb-1.994Δc+1.132Δh。

(9)

式(9)中CIEDE2000色差公式的預測常數為12.678,各項參數預測系數的大小反映其對色差公式計算結果的影響程度。由公式中預測系數值可知,Δa和Δb對色差計算結果影響程度最大,這與2.2節污染物去除效果相關性分析結果一致。CIEDE2000色差公式的真實值和預測值見表15。CIEDE2000色差公式真實值與預測值對比見圖6。

圖6 CIEDE2000色差公式真實值與預測值對比Fig.6 Comparison of true and predicted values of the CIEDE2000 color difference formula

表15 CIEDE2000色差公式真實值和預測值Table 15 True and predicted values of the CIEDE2000 color difference formula

由圖6可知,CIEDE2000色差公式計算結果與真實值吻合程度較高,平均偏差程度為0.001,計算結果可靠性強,可以作為清洗效果評價的方法。

4 結 語

在石質文物表面污染物清洗效果檢測方法中,色差檢測是較為通用且精確度較高的無損檢測手段。通過色度儀對石質文物清洗前后顏色變化進行檢測,得出三原色紅綠藍的定量數值,并且給出了清洗前后明亮度、彩度及色相角的變化趨勢。參數大小反映了清洗效果的顯著程度,應用色差公式可進一步將清洗效果進行量化分析,以得到更準確的結果。

石質文物清洗效果與顏色具有明顯相關性,不同種類污染物對應的色差影響參數不一樣。分析色差參數大小可以判斷出清洗后每種污染物的殘留量,將色度參數和污染物去除效果相結合對清洗效果進行評價的方法,更具有針對性和精確性。通過色差公式可以更全面地評價污染物清洗效果,且結果也更客觀,可靠度較高。未來在分析石質文物表面污染物與顏色相關性時可以由污染物種類選取對應的色度參數進行深入分析;此外,也可加上可視化的彩色圖進行現場驗證,在實際工程應用中更具有說服力。