雷芳芳

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州 350007)

硅化木是億萬年前樹木埋藏地下被二氧化硅替換，并保留木質(zhì)結(jié)構(gòu)外觀的木化石，其顏色豐富多彩。常見的基本色調(diào)有白、黑、黃、紅、綠五種，其中顏色鮮艷的綠色硅化木具有很高的觀賞和收藏價(jià)值。

顏色是評(píng)定綠色硅化木品質(zhì)的重要指標(biāo)，但由于其顏色濃淡、明暗程度各異且分布比較復(fù)雜，尤其在同一塊硅化木上可以出現(xiàn)不同種類的綠色，因此綠色硅化木的顏色質(zhì)量評(píng)價(jià)難度很高，目前只能采用目測(cè)法和經(jīng)驗(yàn)法對(duì)其進(jìn)行主觀、定性觀察，暫未有客觀、定量的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)顯示[1-5]，目前硅化木的研究主要集中在礦物學(xué)、寶石學(xué)、地球化學(xué)特征、沉積環(huán)境以及成因等領(lǐng)域，鮮有學(xué)者對(duì)綠色硅化木顏色進(jìn)行定量研究。近幾年來，隨著色度學(xué)被廣泛地應(yīng)用于礦物學(xué)、寶石學(xué)研究中，已有學(xué)者采用CIE 1976L*a*b*色度坐標(biāo)對(duì)碧璽、橄欖石、綠色翡翠的顏色進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)[6-8]。本研究參考該方法，基于CIE 1976L*a*b*均勻色空間表色系統(tǒng)，采用測(cè)色儀對(duì)綠色硅化木顏色進(jìn)行定量測(cè)試，用數(shù)字量化顏色來探索顏色定量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，以期為硅化木的質(zhì)量評(píng)價(jià)提供參考。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用Color i5測(cè)色儀，6 mm測(cè)量孔徑,通過積分球收集硅化木樣品表面的反射信號(hào)，測(cè)量樣品的顏色數(shù)據(jù)。測(cè)試條件：D65標(biāo)準(zhǔn)照明光源(色溫為6 504 K)，電壓為240 V，頻率為50～60 Hz，測(cè)量波長范圍在360～750 nm內(nèi)的可見光，測(cè)量時(shí)間小于2.5 s，波長間隔為10 nm。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品與方法

本文選用30件已拋光的綠色硅化木樣品，表面光滑，玻璃光澤，基本色調(diào)均為綠色，顏色明暗和濃淡程度各異，呈黃綠色到暗綠色的顏色外觀，樣品測(cè)色區(qū)域內(nèi)顏色均勻、含雜質(zhì)少。

在標(biāo)準(zhǔn)光源箱內(nèi)，使用測(cè)色儀對(duì)所有樣品進(jìn)行反射測(cè)試(不包含鏡面反射),測(cè)定亮度L*、色品a*、b*等參數(shù)值。為了減少檢測(cè)誤差，每件樣品在同種環(huán)境下均檢測(cè)3次，并且要求每次差值不超過0.1，最終取其平均值作為該樣品的顏色參數(shù)數(shù)據(jù)。

1.3 CIE 1976 L*a*b*均勻色空間

選取CIE 1976L*a*b*均勻色空間定量分析綠色硅化木的顏色，該表色系統(tǒng)是一個(gè)三維立體坐標(biāo)系，由平面色品a*、b*坐標(biāo)和亮度值L*縱坐標(biāo)構(gòu)成，a*坐標(biāo)的正負(fù)端分別代表紅色和綠色，b*坐標(biāo)的正負(fù)端分別代表黃色和藍(lán)色[9]，彩度C*和色調(diào)角h0通過色品a*和b*計(jì)算得到。公式如下：

C*=(a*2+b*2)1/2

(1)

h0=arctan(b*/a*)

(2)

其中：ΔL′、ΔC′和ΔH′分別為樣品數(shù)據(jù)的亮度差、彩度差和色調(diào)差；RT為減少藍(lán)色區(qū)域色度和色調(diào)之間相互作用的轉(zhuǎn)換函數(shù)；SL、SC、SH為校正CIE LAB缺乏視覺均勻性的位置函數(shù)；KL、KC、KH為實(shí)驗(yàn)環(huán)境校準(zhǔn)參數(shù)，在不同領(lǐng)域取值各不相同，本文選取應(yīng)用于印刷領(lǐng)域的KL=1、KC=1、KH=1以提高色差計(jì)算精度[12]。

2 結(jié)果與討論

如圖1所示，色品a*∈(-39.56，-8.19),b*∈(5.83，34.52)，色調(diào)角h0∈(137.58，150.98),表明樣品的顏色主要集中在綠色色域；亮度值L*∈(12.08，60.68)，明亮程度中等偏低；彩度C*∈(11.91，51.94)，分布范圍較廣。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與樣品的綠色視覺效果基本一致。

圖1 樣品的色品圖

選取其中一件樣品作為標(biāo)樣，其色調(diào)角h0較小，為138.48°，彩度值C*最大，為51.94，在所有樣品中顏色最濃艷，綠色視覺效果最好。用色差公式CIE DE2000計(jì)算其余29件樣品與該標(biāo)樣的比對(duì)色差，再以色差ΔE00為縱坐標(biāo)，色調(diào)角h0為橫坐標(biāo)，把數(shù)據(jù)投點(diǎn)到坐標(biāo)圖上(見圖2)。

圖2 樣品的色差和色調(diào)角

如圖2所示，樣品的色差值整體都比較大，根據(jù)《色度學(xué)》[13]的色差分類，綠色硅化木的色差等級(jí)可根據(jù)色差值ΔE00劃分為四個(gè)等級(jí)，依次為輕微色差(ΔE00為0.5～1.5)，能感覺到色差(ΔE00為1.5～3)，色差可識(shí)別(ΔE00為3～6)，色差大(ΔE00為6～12)，其中與標(biāo)樣比對(duì)色差大的樣品肉眼觀察其顏色較深、較暗。

通過分析色調(diào)角h0和色差值ΔE00數(shù)據(jù)可知，色調(diào)角的變化與其色差值的增量無明顯關(guān)系，說明綠色硅化木的色調(diào)變化并不使其產(chǎn)生色差，因此,色調(diào)對(duì)硅化木綠色變化幾乎沒有影響。

3 顏色分級(jí)討論

聚類分析法和判別分析法在翡翠顏色分級(jí)中已得到驗(yàn)證[14]，因此本文采用相同分析方法對(duì)綠色硅化木顏色進(jìn)行分級(jí)。首先選用CIE 1976L*a*b*均勻色空間的L*、a*、b*三個(gè)相互獨(dú)立的顏色參數(shù)，通過SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行K-Means快速聚類分析，最后結(jié)合Fisher判別法分析驗(yàn)證聚類效果，以此客觀評(píng)價(jià)硅化木綠色分級(jí)和綠色質(zhì)量。

3.1 K-Means快速聚類分析

本文選取測(cè)試所得的顏色參數(shù)進(jìn)行聚類分析，采用奇數(shù)分類方法，嘗試將其分為3、5、7類，發(fā)現(xiàn)當(dāng)聚類數(shù)為5時(shí)，L*、a*、b*的方差分析值Sig值均小于極顯著性水平0.001(見表1)，說明將測(cè)試數(shù)據(jù)分成5類的聚類效果最為理想。

表1 綠色硅化木顏色聚類分析方差分析表(5類)

3.2 分類結(jié)果的等級(jí)劃分

在對(duì)硅化木綠色聚類統(tǒng)計(jì)分為5類后，利用Photoshop繪圖軟件模擬每個(gè)類別的綠色(見表2)。

表2 硅化木綠色分類及顏色模擬

根據(jù)表2分類結(jié)果可知：硅化木綠色視覺效果最好的是第3類,即陽綠色，其特點(diǎn)是亮度值L*中等偏低，色品值a*、b*最大，彩度值C*也相應(yīng)最高，此類綠色最濃郁鮮艷；第1類的綠色視覺效果次之，該類亮度值L*略低于第3類，色品值a*、b*和彩度值C*都有所降低，綠色不如第3類鮮艷且黃色色調(diào)減弱，屬于中綠色；接下來是第2類的顏色，即豆綠色，其特點(diǎn)是亮度值L*是最高的，使得綠色發(fā)白、變淡，且色品值a*、b*和彩度值C*都低于第1類，表現(xiàn)為綠色不鮮艷，顏色質(zhì)量低于第1類；第5類綠色質(zhì)量更低一些，其亮度值L*、色品值a*和b*均明顯低于第2類，彩度值C*也相應(yīng)下降，此類綠色較暗較深，屬于深綠色；第4類的綠色視覺效果最差，即暗綠色，其特點(diǎn)是亮度值L*最低，使得綠色最為灰暗，同時(shí)色品值a*、b*和彩度值C*均最小，此類綠色鮮艷程度最差。

根據(jù)上述聚類分類結(jié)果，把綠色硅化木顏色優(yōu)劣由好到差按一級(jí)至五級(jí)的順序排列，再依據(jù)分級(jí)結(jié)果把顏色質(zhì)量由高到低分為五個(gè)等級(jí)，依次為陽綠、中綠、豆綠、深綠、暗綠(見表3)。

表3 綠色硅化木顏色質(zhì)量等級(jí)劃分

3.3 Fisher判別分析

采用Fisher判別法對(duì)上述快速聚類結(jié)果進(jìn)行反向驗(yàn)證，根據(jù)軟件分析可得到5個(gè)類別的判別函數(shù)式。公式如下：

F1=1.789L*-1.358a*+1.628b*-79.993
F2=2.567L*-1.165a*+0.721b*-88.014
F3=1.495L*-1.819a*+2.102b*-99.792
F4=0.157L*-1.012a*+0.293b*-12.751
F5=0.581L*-2.403a*+1.116b*-72.398

將樣品顏色參數(shù)L*、a*、b*值分別代入各類判別函數(shù)中，比較每一個(gè)函數(shù)式計(jì)算所得數(shù)值，若其中函數(shù)值最大者，說明該樣品綠色類別屬于這一類。當(dāng)判別正確率越接近100%，證明快速聚類結(jié)果越有效。經(jīng)計(jì)算可知，綠色硅化木樣品1～5類的Fisher判別正確率分別為100%、100%、100%、90.91%、100%，30件樣品中只有1件被誤判，整體判別正確率高達(dá)96.67%，達(dá)到理想預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度，說明采用快速聚類分析將綠色硅化木顏色分為五類是合理可行的。

4 結(jié) 論

(1)本文采用的綠色硅化木樣品亮度值L*∈(12.08，60.68)，亮度中等偏低，彩度范圍廣C*∈(11.91，51.94)，色品a*∈(-39.56，-8.19),b*∈(5.83，34.52),色調(diào)角h0∈(137.58，150.98),表明樣品的基本色調(diào)為綠色。

(2)以其中一件樣品作為標(biāo)樣，采用色差公式CIE DE2000可將色差分為輕微色差、能感覺到色差、色差可識(shí)別、色差大四個(gè)等級(jí)；通過分析色調(diào)角h0和色差值ΔE00數(shù)據(jù)可知，色調(diào)角的變化與其色差值的增量無明顯關(guān)系，因此色調(diào)對(duì)硅化木綠色變化幾乎沒有影響。

(3)通過K-Means快速聚類分析將綠色硅化木顏色分為五級(jí)，顏色質(zhì)量從高到低依次為陽綠、中綠、豆綠、深綠、暗綠，并采用Fisher判別法反向驗(yàn)證其分類是合理可行的。