壁画彩塑颜料分析及其颜料的稳定性——莫高窟壁画颜色监测

　　有人说“敦煌壁画是颜色的艺术”，因此，可以说颜色是敦煌壁画最主要的组成部分，是敦煌壁画、彩塑的精髓。但是，由于水、光和CO2等自然因素的作用，已经使敦煌壁画、彩塑中相当一部分颜料产生了变色，严重毁坏了精美、珍贵的壁画、彩塑文物。壁画颜料变色有两种情况：一种是颜料的色相变化，即从一种颜料变成另一种颜料，例如敦煌壁画、彩塑中的铅丹，受高湿度和光的影响，大部分已由原来橘红色的Pb3O4变成棕黑色的PbO2，这是一种化学变化，可通过X射线衍射和偏光显微镜等仪器做出科学的分析结果；另一种颜料变色的形式是由于受光、水、灰尘污染等因素的影响，颜料的明亮度、彩度发生了变化，例如敦煌壁画中的朱砂，由于长期受光的作用，其结晶状态发生了变化，即由原来鲜红色朱砂六方晶体变为暗红色黑辰砂的单斜晶体，另外添加在颜料中的胶结材料的老化程度、颜料含水的多少都影响到颜料的明亮度、彩度，把这些颜料的变化的因子综合为色差，可用色度计做出定量的监测。
　　(一)颜色记录法
　　人们在长期的实践中了解到，光源、观察者、样品大小、背景和观察方向等条件的改变都会影响人们对同一个样品的颜色感觉。为了在日常生活和科学研究中表征颜色，人们提出了多种方法。最初人们采用文字来描述一种颜色，而且现在仍然在日常生活中使用这一方法，但由于颜色的千差万别，文字的描述必然是有限的。18世纪后，Newton的光学理论、Yong-Helmholtz三色理论、色刺激加法混合Crassman定律以及E.Hering对抗色等理论的出现，引导着人们开始对颜色进行定量和研究。
　　色度研究涉及物理学、生理学和心理学等多学科，使用各种术语较多，且不同的色度系统之间同样的术语的内涵常有一些差别。通常样品的色度可以由其色调、饱和度和亮度来描述。色调(色相)是一个表面呈现近似红色、黄色、绿色和蓝色中一种或两种色的一种目视感知属性，它取决于光源的光谱组成和物体表面所反射或透射的各波长辐射的比例使人眼所产生的感觉；色饱和度是正比于样品的表面视亮度，可以判断色浓度的一种目视感知属性；亮度是与色调无关的，反映样品颜色明亮程度的量。
　　由于颜色样品本身的复杂性，人们自然也就提出了多种多样的色度系统以适用于不同的应用领域。1905年A.H.Munsell提出的系统利用一系列与样品作目视比较的标准色卡图组成。该系统以其简便的特点获得了广泛的应用。目前多种的色度系统中，国际照明委员会(International Commission on Illumination)的CIE色度系统是重要的一种。它通过规范标准光源，标准观察者和视场等条件，用匹配一种颜色时混合标准三原色的相对量(即CIE三刺激值XYZ)建立了CIE色度学系统(1932年)。它建立的系统随着技术的发展也作过一些调整，但至今仍然是沟通其他常用色度系统的基础。如1931年CIE x，y，Y系统，1942年R.S.Hunter Lab系统，1976年CIE L*a*b*系统，1976年CIE UCS系统，NCS色度系统等。
　　受自然界各种因素的作用，以及壁画中胶结材料的老化程度、沙尘污染影响等，壁画中的颜料的色彩(色括明亮度和彩度)会发生变化，因此，关于壁画保存现状的颜料色彩的记录是一项非常重要的工作，是壁画保护的当务之急。
　　颜色记录在研究颜料变色的实验中非常重要，例如，我们在研究铅丹、朱砂、铁红等颜料在光和湿度作用下的变色实验中，就采用颜色表达的数字系统来记录颜料变色的程度。
　　记录颜色的方法有几种，例如摄影技术是保护中常用于记录颜色的一种方法，这种方法是记录颜色及其物理状态的有效手段，但是，摄影记录的准确性受摄影时色彩失真的影响很大，同时胶片及照片感光材料涂层易老化，无法永久保存。因此采用仪器对壁画颜色进行颜色数字化定量测定显得具有重要意义。监测颜色有光谱仪和垂斯提缪勒斯(Tristimulus)测色计等，这些记录颜色的方法是以颜色的数字化形式来表达。数字化颜色记录精确、可靠，被广泛用于文物保护和颜色监测。
　　1.CIE XYZ颜色记录法
　　1931年，国际照明委员会(CIE)规定，用色匹配函数获得CIE三刺激值X、Y、Z，它们代表了假想三原色(红、绿、蓝)在加色法混合匹配任何颜色时的相对分量，等量三原色能匹配出等能白光。
　　CIE三刺激值按下式定义：
　　式中Φ(λ)为色刺激函数，x(λ)、y(λ)、z(λ)称为CIE 1931标准色度观察者光谱三刺激值函数，λ为波长，k为调整因数。
　　三刺激值X、Y、Z的相对比例称为色品或色品坐标，即x、y、z，它们代表引起颜色相应的能力。在色品图中用点来表示色品，有如下关系式：
　　x=X／(X+Y+Z)，y=Y／(X+Y+Z)，z=Z／(X+Y+Z)，x+y+z=1
　　由于x+y+z=1，因此只用x、y两个色品坐标即可限定一个色品。色品并没有提供关于亮度的或相对亮度的任何信息，因此用三刺激值中的Y来表示有关亮度的信息。CIE 1931对颜色的标注写为CIE 1931(x，y，Y)。CIE 1931色品图见图3-13，色品空间见图3-14。
　　2.CIE Lab颜色记录法
　　在CIE色品图上，色品间相同的距离不能代表相同的感知色，因此1976年CIE推荐了三维直角坐标系统的CIE 1976(L*，a*，b*)色空间(图3-15)。它应用颜色对比的原理(比尔麦耶和桑兹曼，1981)，以L*表示颜色的明度，a*和b*代表色度指数。正值a*代表红色，负值a*代表绿色。相类似，黄色用正值b*表示，蓝色用负值b*表示。测得的颜色数据可用图表的形式来表示。在图中，是b*和a*或L*和a*的比值，这样便于说明颜色监测的数据组。
　　色差是色知觉差异的定量表示。在众多表征色差的系统中，1976年CIE L*a*b*系统是当前最通用的测量表面色色差的系统。利用该系统的色差公式，以及亮度、色饱和度和色调的比较，可以定量描述和比较颜色的较小差别。
　　CIE 1976(L*，a*，b*)颜色三维直角坐标系统中：
　　式中，X、Y、Z为颜色样品的三刺激值，Xn、Yn、Zn为完全反射漫射体的三刺激值，L表示明度指数，a*和b*为色品指数。
　　用此颜色空间计算两个颜色之间的色差△Eab*：
　　由于研究时间的跨度，本书中涉及到了CIE 1931(x，y，Y)和CIE 1976(L*，a*，b*)颜色系统。
　　(二)仪器评估
　　颜色监测的一个重要组成部分是对颜色监测手段操作的评估。在色差监测中，绝对精确是需要的但不是标准。监测手段的稳定性，能经历时间的考验是极其重要的。否则，由于仪器的变动使任何颜色的变化都不明显。由于壁画表面极其不规则，受采集数据一致性的影响，监测的可再现性这一点很重要。
　　因此，为获取每一个有效的监测数据，仪器的精确性、稳定性和可再现性是所采用色度计的重要指标。对莫高窟壁画颜色监测选用了美能达(Minolta)CR-121色度计。这是一种便携式、自带电池的垂斯提缪勒斯测色计，色度计探头有一个3㎜的孔径，附带氙灯闪光，适用于野外作业和博物馆的文物保护研究。
　　在对英国陶瓷制品研究理事会陶瓷颜色标准(CCS-Ⅱ系列)监测中，用CR-121的一个芒塞尔色卡所测的结果，其精度上就可以代表一套瓷砖的颜色标准。与许多人为的观测相比，这个做法为大多数野外保护工作所接受。CR-121的稳定性，由对CCS-Ⅱ瓷砖的定期监测决定，在经过头两年的长期监测后没有显示出变化。对壁画和雕塑上监测得的数据进行再现计算，这在后面进行讨论。
　　(三)监测方法
　　莫高窟壁画和雕塑的颜色监测过程如下：
　　这项颜色监测的目的是验证莫高窟大小不同的洞窟和开放洞窟与不开放洞窟中壁画颜料变色的规律。共选6个洞窟，按大、中、小的不同编为3组，即大、中、小窟各一组。每组的两个洞窟在崖体上的位置基本相同，但一个是对游人开放的，另一个是不开放的。先以目测的方法，在壁画上选择每种颜色具有代表性的颜色监测点。
　　在监测之前，先将选好点的壁画表面的尘土用橡皮吹球或松鼠毛刷子清除干净，因为附着在壁画表面的尘土会影响监测数据的准确性和真实性。
　　由于壁画质地不同且表面不平整，难于精确地将探头放于所选的位置，每个位置的每次监测都有一定的误差。因此，在每个颜色区域选3个点，每个点测3次。监测得的结果是每个区域的3个监测点的3次监测数据的统计值。
　　(四)结果和讨论
　　颜色监测数据输入数据库制成档案，随之附上数据及图解。列成表的数据按洞窟、朝代和颜色分类。因为中间色(黑或白)的监测数据少或没有，这些数据可不计。
　　正如前面提到的，为了得到用CR-121可测得的有限的可察觉得到的颜色变化，每个颜色区域要反复测定。标准误差的计算是取3处不同的点，每个点测3次监测，对一个超过1699的监测数字求平均值。一次Σ(合计)的结果是±0.3Y，±0.001x，y。
　　色度值数据要能说明在壁画和雕塑上所取的点的颜色范围，而且对相应洞窟中类似的颜色也可作说明，说明相应洞窟使用相似的颜色体系(除了物理上量积和朝代时期的相似而外)。
　　监测中发现，在同等白光下监测得的数据相近，证实唐、宋壁画的颜色饱和度很低。另一方面，清代壁画的饱和度较高。可推测是因为壁画表面较前代的干净、风化程度小。鉴于此，清代壁画可与其他朝代壁画区分的唯一根据是颜色数据，虽然唐、宋壁画间几乎没有差别，但通过采集大量的数据进行分析揭示出这两个朝代壁画间的某些不同之处。
　　(五)结论
　　颜色监测数据的用处是为莫高窟壁画和雕塑依照当前的状况建立永久的颜色记录。由这些数据，可找出每个洞窟和雕塑的主色。最终，颜色监测的记录是一个基准色，可作为壁画保护中颜料变色监测判断的依据。