中国画颜料色彩褪变研究

2018-06-11 10:30牟竟晓焦智伟陈双双陈慧超
科教导刊·电子版 2018年10期
关键词:颜料壁画

牟竟晓 焦智伟 陈双双 陈慧超

摘 要 在历史长河中,人类创造了许多灿烂的艺术文化,壁画是其中一种重要的艺术表现形式。流传至今的壁画具有珍贵的考古价值和文化价值,然而在长久保存过程中,自然环境(潮湿、高温、光照、灰尘)或人为保护不当造成壁画颜料出现不同程度的老化和褪变。本项目拟从壁画颜料的光谱数据分析入手,综合运用颜色科学、数字图像处理、材料学等专业知识,以颜料老化实验为手段,建立颜料老化的数学模型,利用MATLAB软件对古画颜色老化进行了仿真模拟,旨在获取褪变色古画在不同时期的光谱信息,达到还原古画的原始色貌,以及指导专业人员对其进行实际颜色修复等目的。

关键词 壁画 颜料 褪变规律 颜料老化模型

0引言

(1)研究背景。

彩绘书画是我国传统文化长河中的璀璨明珠,记载了我国各个时期的文化特色,是我国传统文化不可多得的瑰宝。然而,随着光阴的流逝,环境的变迁,彩绘书画在保存的过程中也受到了不同程度的损坏。因此,对于彩绘书画的保护,也面临着相当复杂的问题。注重彩绘书画褪变与复原研究,是当前保护彩绘书画的首要任务。本文旨在通过老化实验等步骤,建立颜色褪变模型,得出壁画作品的颜色褪变规律,进而为壁画作品的虚拟修复奠定坚实基础,这对壁画作品的保护与修复具有重要意义。

(2)国内外的研究现状。

不论世界上哪个国家,哪种文明,绘画在其文明史上都有着举足轻重的地位。中国有彩绘书画,外国有油画,蛋彩画。但是无论哪一种绘画方式,都无法避免褪色与变色的问题。因此,为了保护文化遗产,国内国外都进行了大量研究。目前的彩绘书画虚拟修复技术按照数据采集方式可大致分为两种类型,一种是通过普通数码相机采集画作的表面颜色信息,再利用一些计算机图像处理技术,主要重点集中于研究对颜色的修复,例如Soo-chang Pei通过增强饱和度调整褪色颜料来翻新图像;另一种方法便是基于多光谱和色度学理论,这种方法通过计算颜料的光谱性质来获得画作所用颜料的颜色,可以避免同色异谱现象。

(3)研究意义。

以敦煌壁画428窟《萨埵那太子舍身饲虎图》为例,由第一张图片我们可以看到原本色彩丰富的壁画经过岁月的洗礼后变得破旧不堪,失去了作品的完整性。第二张和第三张分别为常书鸿、张大千两位老一辈艺术家的临摹复原图,从图像中可以看出,由于原图破损严重加上画家对画的理解不同致使临摹图也出现了很大的差异。我们研究的目的就是使图像还原为原来的色彩,通过虚拟修复使修复后的图像更加接近作品的原貌。

1影响颜色褪变的因素

1.1温度

温度是彩绘书画保存过程中,最基本的环境因素。当温度与环境中的其他诸如空气等的因素结合时,其作用会使彩绘书画发生物理作用和化学反应,这会给彩绘书画造成严重的影响。彩绘书画的颜料在自然环境中起化学反应,这就意味着彩绘书画受到损害,它的速度与温度有关。温度每提高十摄氏度,彩绘书画的老化速率会增加一倍。对于彩绘书画,温度变化引起的“热胀冷缩”,以及吸收或者挥发水分后引起的“湿胀干缩”,都会造成彩绘书画不同程度的结构性疲劳破坏,另外,温度的急剧变化引起的彩绘书画的过分干燥或高湿度亦会造成彩绘书画的损坏。

1.2湿度

在高湿的条件下,绘画颜料及其添加物会分解变性,首先是颜料及墨中的动物胶,由于长时间处于潮湿的环境中,其主要成分胶原蛋白会被分解成氨基酸。此时,用于书画颜料添料的胶质就会失去黏性,绘画颜料就很容易从画面上脱落,画面上的色彩就会流失,导致颜色的褪变。其次,當古书画所处的环境湿度非常大时,真菌生长非常旺盛,真菌在水的参与下,通过分解彩绘书画上的纤维素、蛋白质、淀粉等物质来补充养分,进行代谢,分泌色素,对彩绘书画的颜色带来很大影响。

1.3空气

空气中的氧气、氮氧化物、臭氧等有害气体及颗粒物都会对彩绘书画的颜色变化起到不可忽视的影响。

氧是引起高分子材料老化的关键因素。氧可以造成高分子主链的断裂,使聚合物变粘,加快氧化反应的进程。

氮氧化物对颜料老化的影响也特别大,例如NO2,NO2是一种氧化剂,与有机物发生氧化反应,引起聚合物如纤维素的降解和颜料的褪色。NO2 与有机分子反应使纸张表面泛黄。又有实验证明:0.5ppm NO2 能使天然颜料如姜黄素、藤黄、虫胶染料等和无机颜料如雌黄和雄黄发生明显变色,使橘黄、懈皮粉、胭脂和靛蓝发生视觉上的褪色反应。

臭氧是一种强氧化剂,几乎能毁坏所有的有机化合物,尤其是对颜料的影响。大量天然、合成的染料、颜料的实验结果证实,臭氧对几乎大部分的着色剂都表现有不同程度的褪色。

1.4光线

在彩绘书画保存环境中,光照也是重要的影响因素。对彩绘书画起破坏作用的光线主要是紫外线,它对彩绘书画中的有机成分有分解作用,可以使彩绘书画中的纸张、文绢老化,发黄变脆。此外,紫外线还可以在潮湿的环境中分解空气中的氧分子,形成初生态氧。这些初生态氧一方面可以氧化彩绘书画文物中的有机成分;另一方面,在潮湿条件下,可以与彩绘书画上的水分子结合成过氧化氢,使颜料发生化学反应,使文物出现褪色、变色等现象。

1.5颜料

颜料是彩绘书画褪色的根本原因。颜料对颜色的影响要从颜料的生产原料和用胶两方面来看。

中国画颜料的生产原料,包括矿物、植物、动物、金银与化工合成等。颜料的选择不够慎重,就易引起变色与褪色。一般来说,一般化学颜料,比矿物颜料易于变化,因为化学颜料属于有机颜料,多来自于动植物和人工合成,容易发生变质、变性,而矿物颜料直接采自矿物原石,其分子结构非常稳定,不会轻易改变。其次,不正确的混色,也会造成颜色的变色问题。如来自植物的花青。藤黄等在阳光下极易褪色;朱砂与含铜的石青相调,相对石青的化学稳定性较强,会改变朱砂的结构,而会使朱砂变成发黑的辰砂。

胶是将颜料颜料固定在画面上的不可缺少的粘剂,在绘画中有着重大的作用,它能使颜料牢固地附着在画面上而不脱落,还有增强色泽,使画面鲜艳明快的效果。如果胶与颜料配比不当,会影响颜料的艳丽与牢固,这样作品就很难保持久远。

2研究内容和方法

本文考虑在温度、湿度和紫外线的影响下,28种壁画颜料的褪色情况。

首先,以ABS板和亚克力板为板基,动物胶为粘结剂,制作色卡;

第二步,使用cix6测量光谱反射率、L*、a*、b*、C*、h暗炔问⒂胏olor i control软件将数据输出为Excel形式,完成数据测量与记录;

第三步,在25℃温度、60湿度,两盏紫外线灯的照射的条件下对色卡进行老化实验,每次老化二十个小时,共老化二百四十个小时,并重复数据测量与记录工作

第四步,导入数据,利用Matlab软件求得L*、c*、h*值,使用多元线性拟合的方法建立颜料老化模型,分析颜色褪变规律,预测特定时间的L*、c*、h*值。

3实验和数据分析

3.1老化实验概述

在恒温恒湿紫外线老化箱中,控制温度为25℃和湿度为60,打开紫外灯进行照射,28种颜料的色卡每次老化二十小时,共老化二百四十小时。用color i control软件记录28种颜料老化前后的的光谱反射率、L*、a*、b*、C*、h暗炔问⑹涑鑫狤xcel。然后,利用MATLAB编程得L*、c*、h*值,分析得出颜料老化规律。

3.1.1实验仪器及软件

恒温恒湿紫外线老化箱;积分球式分光光度计cix6;color i control软件;MATLAB软件

3.1.2实验材料

调色盘;刮刀;注射器;动物胶;502胶;刻刀;尺子;ABS板;亚克力板;刷子;刷子;滴管;壁画颜料(方解石粉、藤黄、镜面砂、唐卡绿、雌黄、雄黄、进口金、敦煌黄土、二绿粉、二氧化铅、红丹、漂净雄黄、漂净朱膘、漂净朱砂、上品古代朱、上品石黄、石黄、特级岱赭、特级绿松石、特级头青、特级二青、特级三青、特级四青、特级石绿、特级深赭、胭脂、赭石、金银朱、朱砂)

3.1.3实验过程

(1)制作色卡。

用刻刀在ABS板上刻制1cm?cm的正方形,然后利用502胶水将ABS板和亚克力板粘结,作为板基。

然后,将颜料放入调色盘中,用滴管向调色盘中加入动物胶,刮刀混合均匀后涂抹色块于板基,要求完全遮盖板基。

通过上述方法,得到了28种颜料的色卡。将色卡晾干备用,测量色卡的三刺激值和光谱反射率等参数。

(2)老化试验。

将制作好的色卡放入恒温恒湿紫外线老化箱中老化,温度设置为25℃,湿度设置为60,保持两盏紫外线灯的照射,每次老化20小时,共老化240个小时,每次老化后,用积分球式分光光度计cix6测量28种颜料老化前后的的L*、a*、b*值C*、h昂凸馄追瓷渎剩⒂胏olor i control软件记录,将测量数据输出为Excel。在MATLAB中导入数据,编程得L*、c*、h*值,分析得出颜料老化规律。

3.2颜料老化模型

3.2.1模型选择

(1)n级反应。

若某一反应的反应速率与反应物浓度的n次方成正比,该反应称为n级反应。n级反应模型为:

(2)阿累尼乌斯模型。

1889年,阿累尼乌斯提出了表示k-t关系的较为准确的经验方程,向人们揭示出温度对反应速率影响的实质。阿里尼乌斯模型为:

其中,表示活化能,称为指前因子或频率因子,与都是经验常数。

3.2.2评价参数

褪色模型拟合效果的好坏主要有以下两种参数为依据:(1)SSE(方差):越趋于0,说明拟合效果越好。(2)R-square(决定系数):越趋于1,说明拟合效果越好。

3.2.3颜料褪色模型

由于颜料数量过多,此文仅列出两种种有代表性的颜色的建模成果。这两种颜料包括矿物颜料的三綠和植物颜料的藤黄。

(1)三绿。

三绿的颜料老化模型函数为:

图4-1 三绿L*值变化模型

图4-2 三绿C*值变化模型

图4-3 三绿h*值变化模型

由图4-1可以看出,三绿的明度小幅升高,可能是误差原因。从图4-2及4-3看出,随着老化的进行,三绿的色度明显降低,色度角的变化则说明三绿从偏黄绿向偏绿方向变化。L*、c*、h*值函数模型的拟合精度系数SSE分别为3.609 1.009、和1.569,R-square分别为0.008487、0.9318和0.9661。整体来看,拟合效果较好,误差较小。

(2)藤黄。

藤黄的颜料老化模型函数为:

图4-4 藤黄L*值变化模型

图4-5 藤黄C*值变化模型

图4-6 藤黄h*值变化模型

由图像4-4可以看出,藤黄的明度呈下降趋势。从图4-5及图4-6可以看出,随着老化的进行,色度也呈下降趋势,色度角的变化说明藤黄从偏黄向偏黄红方向变化。L*、c*、h*值函数模型的拟合精度系数SSE分别为0.7513、1.096和0.477,R-square分别为0.9459、0.8281和0.9778。整体来看,拟合效果较好,误差较小。

3.3实验误差分析

(1)部分颜料色卡制作完成后表面存在明显颗粒感甚至开裂,可能影响颜料的散射特性。

(2)老化箱内温度、湿度存在波动,不能保证恒温恒湿。

(3)测量仪器的精度问题也会对所得数据存在一定影响。

(4)部分ABS板与亚克力板存在粘结不牢,可能会造成颜料相互渗透。

(5)老化时间相对较短,实验存在一定偶然性。

(6)影响老化的因素很多,本次试验仅控制了温度、湿度等变量,建立的模型与实际颜料褪变规律差距较大。

4结论

依据研究提出的颜料褪变模型,基于老化实验的基础上成功反映了L*、c*、h*值随老化时间的变化规律,通过所建立的颜料老化模型可以成功推出颜色在实验条件下某个时期老化后的L*、c*、h*值。

但是实验与实际情况不能完全等同,实验是在恒温、恒湿、UV光线照射的相对理想的状态的进行,而实际情况中存在诸如温湿度的变化、空气成分变化等不确定因素,这些因素都对颜料的老化有影响。因此本文提出的颜料褪变模型无法普遍适用于自然老化的彩绘书画,如果继续进行实验,要考虑更多因素,从而提高模型的普适性。本次实验为今后进一步建立颜料褪变模型夯实了基础,相信日后能建立出更具普适性的颜料褪变模型。

基金项目:国家级大学生创新创业项目,项目编号:201610446070,项目名称:基于多光谱技术的古画颜色虚拟修复研究。

参考文献

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