（机械制造及其自动化专业论文）计算机辅助产品色彩设计工具集的研究.pdf

西北t 业大学倾i ：学位论文 摘要 摘要 论文来源于国家自然科学基金项目“产品的多感知因素设计过程研究” ( n o 5 0 2 7 5 1 1 2 ) 和“十五”国家高技术发展计划( 8 6 3 b ) 项目“面向行业典 型产品的三维数字化设计专用系统及工具集”( n o 2 0 0 2 a a 4 1 1 0 3 0 ) 。 根据对产品色彩设计过程的分析，针对色彩的选择提出了以孟塞尔色立体 为基础的三维自由选色和调和约束选色的实现方法；针对色彩的调和提出了基 于基本遗传算法、基于m o o n & s p e n c e r 调和论和基于同一调和法的三种调和色 彩生成算法；针对色彩方案的对比提出了以二维图象简化三维模型色彩方案的 方式和二者映射的方法。 论文在研究上述实现方法的基础上，构建了计算机辅助产品色彩设计工具 集，设计和开发了一系列色彩设计工具，并完成了在c a x a 实体设计造型平台 上的集成，对已实现的工具进行了验证。结果表明，上述算法是可行的，这些 色彩设计工具能有效地辅助设计师的产品色彩设计工作。 关键词：计算机辅助色彩设计 孟塞尔色立体 色彩调和 遗传算法 竺j ! 兰查! ：! ! ! ! 三! ：兰坚兰 一旦兰l a b s t r a c t t h i sp a p e rs t e m sf r o mt h ec a s eo fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n dn a m e d “a s t u d y o fp r o d u c t d e s i g n p r o c e s s c o u p l e d w i t h m u l t i p e r c e p t i o n f a c t o r s ( n o 5 0 2 7 5 11 2 ) ，a n d “t h r e e d i m e n s i o n a ld i g i t a l i z e dd e s i g ns p e c i a ls y s t e ma n d t o o l s e tf o ri n d u s t r yt y p i c a lp r o d u c t s ( n o 2 0 0 2 a a 4 11 0 3 0 ) ，o d ep r o j e c to f n a f i o n a l h i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n tp r o g r a m o fc h i n a ( t y p eb ) a c c o r d i n g t ot h ea n a l y s i so f p r o c e s so fp r o d u c tc o l o rd e s i g n ，m e t h o d so f c o l o r s e l e c t i o nf r e e l ya n dh a r m o n i c a l l ya r ep r o p o s e df o rt h es t a g eo fs e l e c t i n gc o l o r ( s ) ；a t t h es t a g eo f p r o c e s s i n gc o l o rh a r m o n i c a l l y , t h r e ea l g o r i t h m so fg e n e r a t i n gh a r m o n i c c o l o r sb a s e do ns i m p l eg e n e t i ca l g o r i t h m ，m o o n & s p e n c e r st h e o r yo fc o l o r h a r m o n ya n dw a y o f i d e n t i t yh a r m o n yr e s p e c t i v e l ya r ea d v a n c e d ；f o r t h ec o n t r a s t o fc o l o rs c h e m e s ，m e t h o do fs i m p l i f y i n g3 dm o d e l sc o l o rp r o j e c tt o2 di m a g ea n d m a p p i n gw a y b e t w e e nt h e ma r ed e v e l o p e d b a s e do nt h em e t h o d sa n da l g o r i t h m s ，ac o m p u t ea i d e dc o l o rd e s i g nt o o l s e tf o r p r o d u c t si sc o n s t r u c t e d ，a n das e to f c o l o rd e s i g nt o o l sa r ep l a n n e da n dd e v e l o p e d ， a n dt h e s e t o o l sa r e i n t e g r a t e d o nt h e m o d e l i n gp l a t f o r m c a x as o l i d d e s i g n s u c c e s s f u l l y t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h e s em e t h o d sa n da l g o r i t h m sa r ef e a s i b l e ，a n d t h et o o l sc a l la s s i s td e s i g n e ri np r o d u c t sc o l o rd e s i g ne f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：c o m p u t e r a i d e d c o l o rd e s i g n m u n s e l lc o l o rs o l i d c o l o r h a r m o n y g e n e t i c a l g o r i t h m 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 面向数字化设计与制造的工业设计技术 1 1 1 数字化设计与制造对产品设计技术的新需求 伴随着科技的飞速发展，越来越多的信息技术融入了制造业，产生了显著 的社会效益和经济效益，制造业的信息化已是大势所趋，作为制造业信息化重 要专题之一的数字化设计与制造受到的关注越来越多。数字化设计与制造技术 是指利用计算机软硬件及网络环境，通过产品数据模型的建立，模拟产品的设 计、分析、装配、制造等产品开发全过程。数字化设计与制造不仅贯穿企业产 品开发的全过程，而且涉及企业的设备布置、物流、生产计划、成本分析等多 个方面。数字化设计与制造技术的应用可以大大提高企业的产品开发能力，缩 短产品研制周期，降低开发成本，实现最佳设计目标和企业间的协作，使企业 能在最短时间内组织全球范围的设计制造资源，开发出新产品，大大提高企业 的竞争能力。 数字化设计与制造技术集成了现代设计制造过程中的多项先进技术，包括 三维建模、装配分析、优化设计、系统集成、产品信息管理、虚拟设计与制造、 多媒体和网络通信等，是一项多学科的综合技术。数字化设计与制造技术已成 为企业保持竞争优势，实现产品创新开发、进行企业间协作的重要手段m 。 现代产品设计是一个多学科相交融的综合性科学。所谓设计，是指根据使 用要求确定产品应具备的功能，构思产品的工作原理、总体布局、运动方式、 力和能量的传递、结构形式、产品形状，以及色彩、材质、工艺、人机工程等 事项，并转化为工程描述( 图纸、设计文件等) ，以此作为制造的依据。1 。产 品设计是将创新构思转化为有竞争力的产品的一个创新过程。因此，设计是产 品的生命，也是产品制造的前提和基础。数字化设计直接影响着数字化制造的 质量与效率。 计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，c a d ) 技术是数字化设计技术 的主要实现形式，计算机辅助设计技术发展到现在，其技术和工具系统已有了 相对完善的发展，为产品设计任务提供了有效的支持。从辅助功能来看，目前 的c a d 工具主要从四个方面辅助产品设计：( 1 ) 作为一个高级绘图工具；( 2 ) 部件和数据的可视化；( 3 ) 产品数据组织和传递：( 4 ) 利用基于计算机的分析 技术做一些前端和后端处理工作，如有限元分析，重量和质量以及动力学分析 等等o 】。 但是现在c a d 技术和c a d 工具系统还存在一些不尽如人意之处：从产品 的开发过程看，对于诸如需求分析、可行性研究以及概念设计等仍需要很多人 的创造性思维活动的前期设计工作，目前还很难用c a d 技术实现：从产品本 身的性质来看，目前的c a d 工具对产品的创新性、美学造型、宣人性，以及 环保、资源和服务等方面的关注较为缺乏，无法考虑产品与人、产品与产品、 西北t 业人学坝l 学位论文第一章绪论 产品与环境的关系因素对产品设计的影响。 解决上述问题的有效方法是借助工业设计技术，工业设计技术一般认为主 要包括工程技术、技术美学、形态构成、色彩学、人机工程、系统论、优化论、 价值工程等。它拓展和提升了产品设计的概念，在横向上将文化、艺术、环境 因素引入产品设计，在纵向上将设计贯穿到产品的整个生命周期。工业设计与 产品的概念设计、创新设计密切相关，是对c a d 技术的完善与提高。 因此在目前的设计需求下，在计算机支持的设计技术日新月异的今天，将 工业设计技术引入数字化设计领域已成为必然趋势，如何继承和发展计算机辅 助工业设计技术，使之迅速融入数字化设计领域并发挥其作用成为一个重要课 题。 1 1 2 计算机辅助工业设计技术及应用 工业设计的核心是产品造型设计，是对产品功能、材料、构成、形态、色 彩、表面处理、装饰诸因素从社会的、经济的、技术的角度作综合处理“。计 算机辅助工业设计( c o m p u t e ra i d e di n d u s t r i a ld e s i g n ，c a i d ) 是工业设计的信 息化形式。c a i d 技术是以工业设计知识和计算机辅助设计技术为基础而发展 起来的，它涉及到产品的形态设计、色彩设计、人机环境设计、装饰设计以及 设计评价等“1 。c a i d 技术是与工业设计的特点及工业设计师的设计思维和习惯 相适应的种计算机辅助设计技术，它充分贯彻工业设计的理念和方法，实现 形念、色彩、宜人性设计和美学原则的定量化描述m ，。 c a i d 的目标是充分发挥计算机快速、高效的优点和设计人员的创造性思 维、审美能力和综合分析能力，使设计的全过程包括设计计划的提出、概念设 计、详细设计、方案评价、综合优化、效果表现，以及最终投产等，都用计算 机进行模拟、仿真，从而创造出更加实用、经济、美观、宜人和创新的新产品。 伴随着c a i d 技术的不断进步，商品化的c a i d 系统层出不穷。目前的c a i d 系统主要可以分为两类：一是以工程c a d 软件为基础的，通过对其添加新功 能或二次开发等途径，形成的专业工业设计模块，例如e d s 公司产品 u n i g r a p h i c s 中的工业设计模块s h 印es t u d i o ：此外，p t c 公司也于1 9 9 8 年 发布了工业设计模块p r o d e s i g n 、p r o 3 d p a i n t 和p r o c d r s ；另一类是以三 维图形、动画设计软件为主的，通过强调产品造型设计功能而形成的通用三维 软件，代表性的如近年出现的r h i n o ，以及a l i b i w a v e f r o n t 公司的s t u d i o t o o l s 产品。 当前，国内外c a i d 的研究主要集中在计算机辅助造型技术、c a d 中的 人机交互技术、智能技术以及新兴技术的应用研究等方面”。c a i d 技术的研究 与应用极大地丰富了计算机支持的产品设计技术。因此。要实现产品设计的信 息化，采用计算机辅助工业设计的思路和方法是个比较好的途径。 西北工业大学硕 j 学位论文第一章绪论 1 2 计算机辅助色彩设计概述 色彩设计是工业设计的重要内容之一，随着科技的发展与时代的进步，色 彩设计在产品设计中越来越显得重要。因为色彩在产品造型艺术中具有比形体 更强烈、更直观、更先声夺人的艺术魅力。色彩对产品的外观质量有着直接的 影响。据统计测试表明，人们在审视产品的外观质量时，视觉感觉的次序是： 首先是产品的色彩；其份量约占8 0 ；其次是产品的形体，其份量约占2 0 ； 最后是产品的质地o ，。 因此，科学地研究产品的色彩设计并付诸实践，对提高产品的档次和竞争 力、适应操作者的生理心理要求和提高工作效率、满足人们对美的追求并创造 舒适的工作及生活环境等方面，具有很大的现实意义。 在计算机已经成为辅助产品设计的主要工具的背景下，用计算机来辅助产 品的色彩设计已是必然选择。计算机辅助色彩设计( c o m p u t e ra i d e dc o l o r d e s i g n ，c a c d ) 是计算机辅助工业设计的重要组成部分之一，它作为一种特殊 的设计手段，具有快速、高效、准确而规范的色彩合成优势，可以实现色彩设 计创意的快速转换和积累，大幅提高产品色彩设计的效率和效果。 1 2 1 计算机辅助色彩设计研究现状 目前计算机辅助色彩设计的研究对象多种多样，比如平面图案的色彩设计、 图象处理中的色彩处理等；研究角度也各有不同，比如光学、色度学等。针对 产品色彩设计涉及的不多。研究热点主要集中在设计过程的辅助上： 陆长德、蔡波0 1 从工业设计的理论和方法出发，探讨了采用面向对象技术 和专家系统技术构建机床产品计算机辅助色彩设计系统的理论和方法，提出了 一个较为全面地解决机床产品色彩设计问题的构建方案。 苑寅秋、王珉“”1 根据产品色彩设计领域的特点，依据色彩设计理论基础设 计了c s e s 系统，以人机一体化为指导思想，提出了c s e s 系统的总体结构， 阐述了系统的运行机制。 陆长德、余隋怀m ，从产品色彩设计的理论和知识出发，研究了基于语意的 色彩设计方法，提出了一种解决风格描述词汇集内部语意冲突的方法。将色彩 方案从产品色彩设计问题域中抽象出来，采用面向对象的方法定义了色彩方案 的类结构，实现了色彩设计与材质设计相分离，并建立了色彩方案库，在此基础 上提出了一个采用基于语意的色彩设计方法的计算机辅助色彩设计系统架构。 潘云鹤、张玲俐“”首先提出了一个在计算机上实现颜色坐标在孟塞尔 ( m u n s e l l ) h v c 色空间与r g b 色空间之间转换的数学模型。并在此基础上， 基于m o o n s p e n c e r 色彩调和理论，对计算机辅助色彩协调设计的模型进行了研 究，讨论了协调色彩设计的知识表达及推理模式。 t o k u m a r u ，m “”提出了一个色彩设计的支持系统，该系统由对应于色彩设 计过程的5 个部分组成：色彩调和评价、色彩合成、色彩设计形象评判、形象 瓯北工业大学硕士学位论文第一章绪论 词汇输出和形象对比。 综上所述，通过研究色彩设计的过程并用软件的形式对色彩设计过程加以 辅助已取得了很大成果，一般是利用专家系统“、模糊规则m 1 等理论或技 术和基于语意的方法1 。这些成果都在理论的高度提出了色彩设计的框架或系 统以及色彩设计知识的表达方法。 1 2 2 计算机辅助产品色彩设计的实现方式 前文提到的有关计算机辅助色彩设计的研究在理论上都做了许多尝试，取 得了许多可以借鉴的成果，但是这些成果都是从宏观角度研究色彩设计，抽象 性或概括性很强，是从总体上对色彩设计方法的探索，其实现形式大多是庞大 而复杂系统；同时上述研究大多采用人工智能的理论和方法，其成果在目前的 软件开发技术下实现起来有一定难度。 另外，色彩设计过程和其它艺术创造过程一样，具有不确定性、发散性、 以及跳跃性的基本特征，因此用计算机辅助色彩设计的全过程在技术不仅难以 实现，而且将设计师的思维限制在计算机给定的范围内可能会束缚设计师的创 意。 鉴于这种情况，应该改变对设计全过程的辅助，仅对设计过程关键点进行 辅助，改变以往构建大而全的系统的传统做法，以一种面向行业典型产品的通 用的辅助工具、灵活的辅助模式来完成色彩设计工作，充分发挥人和计算机各 自的优势，来获得高水平的色彩设计方案。 通过以上的分析，考虑到目前软件开发的现实情况，本文根据前人的研究 成果，重点研究如何用计算机来辅助产品色彩设计过程中三个关键步骤( 色彩 选择、色彩调和和色彩方案对比) ，并采取工具集的形式来实现对产品色彩设计 的辅助。 1 2 3 工具集概念的来源与发展 工具集的提法目前尚无准确和完整的定义，简单的说就是一组工具的集 合，本文工具集的思想来源于工具箱( t o o lb o x ，t o o lk i t ) 的概念，工具箱是用于 软件系统开发的一组相关软件工具。软件开发工具的研制始于2 0 世纪7 0 年代， 早期的软件工具均是单独使用的，完成各自独立的工作。7 0 年代中期，出现 了工具箱的概念，其基本思想是将一组相关的软件工具放在一起以便于用户使 用，提供对用户开发工作的整体和系统的支持。典型工具箱实例是o s f ，m o t i f 它是一个具有可构造特性的交互式用户界面工具箱，用户可以使用m o t i f 方便 地生成自己所需的图形界面。 工具箱的主要特点有：工具箱中的工具缺少紧密的有机的联系，工具箱本 身也不像软件开发环境那样具有较强的指导用户如何使用它的能力，用户本身 的能力及其对工具箱的了解熟练程度决定了用户能否将工具箱的功能充分发 挥并很好使用。工具箱的出现是软件开发环境的萌芽，从工具箱到软件开发环 境只经历了很短的时间，由于工具箱能给用户提供较大的自由度和灵活性，因 两北t 业人学坝”卜学位论文 第一章绪论 此，其存在是必要的，将来仍会继续存在，但是工具箱的用户友善性将会不断 改善1 。 除此之外，工具箱还有这样的定义：在一些交互式软件中提供的一系列信 息处理手段的集合。例如在某些图形处理软件中，可以向用户提供诸如“墨水 瓶”、“调色板”、“画笔”、“橡皮”等软件绘图工具，它们集中在一个图形符号 框内，用形象的符号表示“”。 通过对“工具箱”这个概念的分析，不难发现，虽然上述两种定义针对工 具箱的应用范围和实现方式有所不同，但是关于工具箱本身的一些特性是基本 一致的，这样工具集就可以继承和发展工具箱的良好特性。我们认为，工具集 应该具有以下特性： 1 工具集应该是一个有机的整体，工具集中的各个工具由某项工作全过程 的关键步骤联系在一起： 2 工具集中的各个工具应该达到高聚合、低耦合的目标，既可独立完成某 个单项工作，又可相互配合完成复杂的工作： 3 工具集应该对设计的关键点进行辅助，向用户提供一系列智能和高效 的工具，由用户根据自己的设计需要和设计习惯在其中任意选择使用，给用户 提供较大的自由度和灵活性： 4 工具集必须具有良好的人机交互性； 5 工具集的交互风格必须与同一操作系统其它软件的交互风格保持一 致： 根据这些特点，一个工具集应该是一个逻辑上为某个目的而成组的工具。 为和工具箱有所区别，工具集的英文表述定为t o o s e t 现在一些软件供应商也以“工具集”的形式推出自己的软件产品，具有代 表性有：诺顿系统工具集( 含有病毒防治工具、软件卸载工具、磁盘工具等) ， 但是这里的“工具集”与这些软件供应商提到的“工具集”还是有区别的，前 者是针对某项工作全过程的一套成体系的工具的组合，它是以该项工作全过程 的关键步骤为基础的，涵盖了该项工作的全过程，选择哪些工具作为工具集的 组成部分，是由这项工作全过程的关键步骤决定的，而不是单单几个相互独立 的工具的简单堆积，这是与后者的根本区别。 1 3 研究背景及内容 1 3 1 目前计算机辅助产品色彩设计中的不足 本文研究课题来源于国家自然科学基金项目“产品的多感知因素设计过程 研究”( n o 5 0 2 7 5 1 1 2 ) 和“十五”国家高技术发展计划( 8 6 3 b ) 项目“面向行 业典型产品的三维数字化设计专用系统及工具集”( n o 2 0 0 2 a a 4 1 1 0 3 0 ) 。 当前的产品设计大多还是借助于商品化的c a d 软件，由于c a d 技术最早 是伴随着飞机和汽车工业的蓬勃发展而发展起来的，所以c a d 软件系统在机 械产品设计领域的应用最广，技术也最成熟，但是随着c a d 技术应用范围的 西北t 业大学硕i j 学位论文第一章绪论 扩大，在c a d 的实际应用中一直存在着这样一个现象：在非机械产品的设计 领域中，也不得不借助这些软件，于是就产生了通用性与专用性的矛盾，从纯 技术层面上讲，无论对于何种产品的设计，软件的底层技术是一致的，如图形 处理技术、几何造型技术、数据库技术等等，所不同之处就在于设计知识的差 异。不同类型产品设计时的约束因素是不同的，甚至相差极大。如果这些方面 考虑得较少，软件的功能要么非常有限，要么冗余度太大。因此，一个成功的 产品设计软件，不但要提供强大的建模功能( 图形工具) ，还要有适时和全面的 设计知识辅助功能( 知识工具) 。而目前的计算机辅助产品色彩设计中，恰恰缺 乏色彩设计知识的辅助，具体地说主要有以下三个方面： 从计算机辅助产品色彩设计的表示层来说，在色彩选择阶段，现存软件缺 少良好的人机交互性。颜色的选择虽然在产品设计软件中的使用很频繁，但是 都有如下不足：没有按人类感知色彩的特性来组织颜色，没有揭示出色彩间的 关系，指导性不强。 从计算机辅助产品色彩设计的逻辑层来说，在整个产品开发过程中，对产 品色彩设计过程分析不够详细，将产品色彩设计简单地与选色和赋色等同起来， 没有 本现出色彩设计的特点。 从计算机辅助产品色彩设计的功能层来说，针对产品色彩设计的专业化功 能比较缺乏，比如缺乏色彩调和的功能或功能不强，许多软件仅仅提供了选色 功能，而选色后的调和处理没有涉及。 鉴于现存设计软件系统中色彩设计知识的欠缺，本文针对产品的色彩设计 任务，重点研究产品色彩设计知识的表达方式及其实现方法。 1 3 2 主要研究内容 本文的主要内容是围绕产品计算机辅助色彩设计工具集的构建展开的，主要 在研究色彩设计知识表达和产品色彩设计特性的基础上，结合计算机辅助工业 设计的特点，提出了色彩设计知识表达的新方式并开发实现了具体的软件工具。 具体来说研究内容主要有以下几方面： ( 1 ) 提出了以色彩设计知识的图形化表达方式对色彩设计交互方式的改进 与优化，改变传统的选色方式给设计师提供了一种基于孟塞尔色立 体的三维交互选色方式，开发了自由选色工具和调和约束选色工具， 在表示层上给工业设计师以友好和宜人的辅助。 ( 2 ) 对色彩设计的功能进行了科学合理的分配，并将其用工具的形式实现， 使这些工具既可独立完成个别功能，又可组合起来完成特定功能，在 逻辑层上给工业设计师以清晰的辅助。 ( 3 ) 研究了实现色彩调和工具和色彩方案对比工具的高效算法，提出了基 于基本遗传算法、基于m o o n & s p e n c e r 调和论和基于同一调和法的三 种调和色彩生成算法和以二维图象简化三维模型色彩方案的方式以 及二者映射的方法，科学地指导实际的色彩设计活动，从而提高设计 的质量和效率，在功能层上给设计师以高效的辅助。 6 西北t 业人学坝l 学位论文第二章计算机辅助产品色彩设计工具集理论基础 第二章计算机辅助产品色彩设计工具集理论基础 本文所构建的色彩设计工具集主要是在色彩选择、色彩调和及色彩方案对 比这三个关键步骤辅助产品的色彩设计工作，工具集涉及到一些共同的理论； 色彩模型、色彩混合、色彩调和理论等，下面将简要介绍这些理论。 2 1 1 常用的色彩模型 2 1 色彩基本理论 色彩模型，也称为色彩表示体系、表色系、色彩空间等，就是将色彩以某 种方式有秩序地组织起来。在目前常用的几种色彩模型中，按其组织方式可以 分为两类：一类是基于显示的模型，另一类是基于感知的模型。前者是以显示 设备的特性为基础来组织的，后者则是以与人们观察颜色相类似的方式来组织 的。 在基于显示的模型中，应用最普遍的就是r g b ( r e d ，b l u e ，g r e e n ) 模型( 如 图2 一1 ) 和y i q y u v 模型，r g b 模型多应用于计算机显示器，y 1 q y u v 模型 多应用于电视广播领域。 m a g e n t a 图2 - 1 “”r g b 模型 基于感知的模型有：h s v ( h u e ，s a t u r a t i o n ，a n dv a l u e ) 模型( 如图2 - 2 ) 和 h l s ( h u e ，l i g h t n e s s ，a n ds a t u r a t i o n ) 模型。h u e 表示色相，s a t u r a t i o n ( c h r o m a ) 表 示纯度v a l u e 表示明度，l i g h t n e s s ，有时也写做b r i g h t n e s s 也表示明度。h s v 模型是以孟塞尔色彩模型为基础演化而来，被艺术家、设计师和产品制造商广 泛采用”。h l s 模型由t e k t r o n i x 公司于1 9 7 8 年提出，它比当时t e k t r o n i x 公司 使用的基于显示的模型更具知觉特性。由于很多学者从不同的角度如色彩物理 理论、色彩生理理论、色彩心理理论、色度学等对色彩进行研究，所以有关色 彩三要素的术语目前还不统一，由于本文的研究重点是基于孟塞尔色彩模型的， 而且在孟塞尔色彩模型中，习惯上使用h u e 表示色相，c h r o m a 表示纯度，v a l u e 表示明度，并考虑到h s v 模型是以孟塞尔色彩模型为基础演化而来，所以为避 免混淆，下文将仅用h v c 而不再使用h s v 来表示孟塞尔色彩模型中相关变量 的度量。 两北t 业大学颂二匕学位论文第二章计算机辅助产品色彩设计工具集理论基础 圈2 - 2 “h s v 模型 考虑到本文研究重点，下面对r g b 模型和孟塞尔色彩模型做详细介绍。 1 r g b 模型3 r g b 模型是色光的彩色模式。r g b 模型是由红、绿、蓝相叠加形成其它 颜色，因此该模式也叫加色模式。在这个模型中每个颜色由一个( r ，g ，b ) 三元 组表示，r ，g ，b 的值域为 0 ，1 ，相应地( 0 ，o ，0 ) 表示黑色，( 1 ，1 ，1 ) 表示 白色，这个空间中所有颜色组成一个立方体的空间( 如图2 j ) 。r ，g ，b 三个 分量若相等，则得到无彩色的系列灰色；一组色彩的r ，g ，b 三个分量之间的 比例若相等，则该组色彩的色相相同。 2 孟塞尔色彩模型。” 孟塞尔( a l b e r th e n r ym u n s e l l ) ，著名的色彩理论家，他根据色彩的三要素提 出了一个表面色立体模型( 如图2 - 3 所示) 。在这个模型中，色彩三要素按等视 差原则排列成有序的三维空间坐标，在标准照明和观察条件下，能准确区分和 描述颜色的各维数或各参量，从而创立了一种颇富特色的表面色的分类和标定 方法。 图2 - 3 1 1孟塞尔表面色立体模型 孟塞尔色立体模型中的中央垂轴代表着没有色彩的黑白变换系列，将其十 等分而得明度标尺。它从底端的理想黑色( 0 ) 延伸至顶端的理想白色( 1 0 ) 。标尺 中心( 5 ) 意味着中等灰或中性灰色。对所有彩色来说，5 的彩色在明度上都表现 为在理想黑色与理想白色中间的中介色。通过立体模型中轴所作的水平剖面上， 围绕垂轴按方位角等分展示了1 0 种孟塞尔色调，其中5 种为主色调。另5 种为 相邻一对色调之间的中间色调。这1 0 种色调是：红、黄一红、黄、绿一黄、绿、 两北t 业人学倾卜学位论文第二章计算机辅助产品色彩殴计工具集理论基础 蓝一绿、蓝、紫一蓝、紫、红一紫。它们顺序排列在色相环辐射相间的十个档 次上( 如图2 - 4 所示) 。每一种色调又细分成1 0 个小等级，从1 至l o 。而l o 种主调和中间色调都定在5 。孟塞尔颜色图册对每种色调都给出2 5 、5 、7 ，5 、 l o 四个等级色调样品，图2 4 上也以这些数字与色调字母的组合列示了这4 0 种不变色调的代号。写在色调标盘外圈的总共1 0 0 种的色调细分等级可供统计 记录、分类及计算机程序设计用。图2 3 中心n 表示无彩白黑系列中性色。鉴 于所有中性色的饱和度等于零，而任一色调的饱和度和离开立体模型明度轴的 垂直距离成正比，故在孟塞尔颜色系统中，特将表达对具有同一孟塞尔明度灰 色的偏离程度定义为孟塞尔彩度。正如图2 3 表明的那样，在立体模型中，各 种色调的彩度标尺按等视差分度从中央垂轴向着色标空间外围辐射出去，从o 一直延伸到色样可能制出的最强色约2 0 ( 度) 左右。 圈2 - 4 。“色调标盘上相关色调的排列位置 2 1 2 色彩模型间的换算关系 fxfl2 7 6 9 0 1 7 5 1 71 1 3 0 1 r fy = j1 0 0 0 0 4 5 9 0 70 0 6 0 1fg( 2 1 ) z0 0 0 0 00 0 5 6 55 5 9 2 8 | j b l 西北工业火学硕i 学位论文 第一章 汁算机辅助产品色彩设计工具集理论基础 h = t a n 2 5 1 6 6 x3 2 5 y 3 0 9 4 6 2 z3 一y 3 2 h v g 到r g b 的转换算法“。 若已知h ，v ，c 求r ，g ，b 的映射规则如下 f 若y = or gb0 l 若c = 0r gby 若h = 3 6 0 ，令h = 0 h = h 6 0 i = h 。 f = h l i p = y ( 1 一c ) q = v 1 一( c + 厂) ，= v 1 - 【c + ( 1 一，) ) 若i = 0 若i = 1 若i = 2 若i = 3 若i = 4 若i = 5 ，= y ，= g r = p r = p r = ， ，= 矿 g2 f g = v g = v g 2 q g 2 p g = p b = p b = p b = f b = v b = v b = q r = 2 5 5 r ，g = 2 5 5 9 ，b = 2 5 5 b 1 0 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 、【， ， r4o z 8 石 ” o ， 护r 厂 1 r = 一 矿 ，舻7 ，0o6 ，f、l = c 两北丁业人学坝i + 学位论文笫章计算机辅助产品色彩设计工具集理论基础 2 ，1 3 色彩的混合 色彩的混合“”分为加法混合和减法混合，色彩还可以在进入视觉之后才发 生混合，称为中性混合。由于本文主要应用了中性混合，这里只对中性混合做 简要介绍： 中性混合是基于人的视觉生理特征所产生的视觉色彩混合，而并不变化色 光或发光材料本身，混色效果的亮度既不增加也不减低，所以称为中性混合， 中性混合有两种方式： 1 、颜色旋转混合：是把两种或多种颜色并置于一个圆盘上，通过动力令其 快速旋转，而看到新色彩的混合方式。旋转盘的混色效果反映了颜料的反射现 象。颜色旋转混合效果在色相方面与加法混合的规律相似，但在明度上却是相 混各色的平均值。 2 、空间混合：将不同的颜色并置在一起，当它们在视网膜上的投影小到一 定程度时，这些不同的颜色刺激就会同时作用到视网膜上非常邻近的部位的感 光细胞，以致眼睛很难将它们独立地分辨出来，就会在视觉中产生色彩的混合， 这种混合称空间混合。 2 2 色彩调和的理论与方法 有差别的色彩，为了组成和谐统一的整体就必须经过调整与组合。调整与 组合的有效方式就是色彩调和( c o l o rh a r m o n y ) 。两种或两种以上的色彩合理 搭配，产生统一和谐的效果，称为色彩调和。 色彩的调和是就色彩的对比而言的，没有对比也就无所谓调和，两者既互 相排斥又互相依存，相辅相成，相得益彰。不过色彩的对比是绝对的，因为两 种以上的色彩在构成中，总会在色相、纯度、明度、面积等方面或多或少地有 所差别。这种差别必然会导致不同程度的对比。过分对比的配色需要加强共性 来进行调和；过分暖昧的配色需要加强对比来进行协调。从美学意义上讲，色 彩的调和可以说是各种色彩的配合在统一与变化中表现出来的和谐。由于后文 将色彩对比与调和的关系融合进了“对比调和”中，因此将不再单独讨论色彩 对比的问题，仅使用“色彩调和”的提法。 色彩调和是从音乐理论中引进的概念，这是因为人们发现使用有秩序的音 阶可以创作出美妙的音乐，由此人们相信，有规律有秩序的色彩组合也可以获 得和谐的色彩方案，许多学者提出了各自的调和理论，虽然不尽相同，却也殊 途同归都与色彩的秩序密切相关，比较有代表性的有伊顿调和理论、奥斯 特瓦尔德调和理论、孟塞尔调和理论、m o o n & s p e n c e r 调和理论等。除了这些 调和理论以外，还有一些人们在艺术实践中总结出的色彩调和方法，这些方法 自由灵活、简便实用，是构建计算机支持的产品色彩设计工具集时不可忽视的 算法来源，下文将对色彩调和的理论和方法进行总结，以便于在计算机上表达 和处理。 西北丁业大学顶十学位论文第二章计算机辅助产品色彩设计- t 具集理论基础 2 2 1 经典色彩调和理论 1 盂塞尔调和理论。”( m u n s e ii sc o l o rh a r m o n y ) 混色结果为灰色即调和的法则除只用一个色相的画面夕 ，若把构 成画面的各种颜色全部混合( 或放在旋转盘上混合) ，如果产生第五级 明度的灰色( n 5 ) ，那么，配色是调和的。 面积平衡的一般法则高明度的色与低明度的色平衡，强色小面积 与弱色大面积保持平衡( 有关色彩调和与面积的关系将在2 2 2 节详细 论述) 以孟塞尔模型为根据的秩序调和在孟塞尔模型中，无论按什么方 向或系列选择颜色，有规则地保持间隔的色彩一定是调和的。这个法 则使得在孟塞尔模型中选择颜色时，只要在符合调和必要条件的方向 上选择颜色，就可以自动取得色彩的调和。以下是几种基于孟塞尔模 型的调和方式： 垂直调和( v e r t i c a lh a r m o n y ) ( 如图2 5 ( a ) ) 内面调$ t i ( i n t e r i o r h a r m o n y ) ( 如图2 5 ( b ) ) 圆周调和( c i r c u l a r h a r m o n y ) ( 如图2 5 ( c ) ) 斜内面调和( o b l i q u e h a r m o n y ) ( 如图2 5 ( d ) ) 斜横内面调和( o b l i q u e s i d eh a r m o n y l ( 如图2 5 ( e ) ) 螺旋型调j n ( s p i n a lh a r m o n y ) ( 如图2 - 5 ( f ) ) 椭圆型调和( o b l o n gh a r m o n y ) ( 如图2 5 ( g ) ) 固 ( a )( b )( c ) q 国 圆 ( d )( e )( f ) ( g ) 幽2 - 5 ”“三维选色几何关系 西北工业大学顾：l 学位论文 第二章计算机辅助产品色彩设计工具集理论基础 2 m o o n & s p e n c e r 调和理论 m o o n & s p e n c e r 调和理论是美国科学家帕里蒙( p a r r ym o o n ) 和多米那 斯宾塞( d o m i n a e b e r l es p e n c e r ) 共同研究的成果。两人于1 9 4 4 年在美国光学 学会杂志( j o u r n a lo f t h eo p t i c a ls o c i e t yo f a m e r i c a ，j o s a ) 上发表了一篇关于 色彩调和的论文，奠定了蒙斯宾塞调和理论的基础。他们在论文中阐述了三个 部分的内容：古典色彩调和论的几何学公式化( g e o m e t r i cf o r m u l a t i o no f c l a s s i c a l c o l o rh a r m o n y ) 、色彩调和的面积( a r e ai nc o l o rh a r m o n y ) 、适用于色彩调和的 审美度( a e s t h e t i cm e a s u r ea p p l i e dt oc o l o rh a r m o n y ) ”。蒙和斯宾塞按照孟塞 尔色彩模型从数理上阐明了色彩调和的根本原理。 色彩调和论的几何学公式化是调和理论中应用较广的一部分，这里只将其 主要内容以图表的形式给出，便于后文的引用，主要内容有： ( 1 ) 色相配色的调和与不调和，如图2 - 6 。 ( 2 ) 色相不变时配色的调和与不调和，如图2 - 7 。 ( 3 ) 色相一定，明度和纯度同时变化时的调和与不调和，如表2 - 1 。 ( 4 ) 二色之间调和与不调和，如表2 2 。 图2 - 6 色相配色的调和与不调和区域图 ，f 曩1 ：1 ：= = = ：覃曩l 、 辱 i ；爹蕾：i ： 瓤 一 i * m 4 卜 噍 s逆 n 狲_ 叫对比调和l 上 = 越：0：掘：! ：量曩 1 m 膻艄 蔓：为：曩撼j 参 耄 盟 纯度挫 ： k 、， 一- t 菇 “调和l 一新i 箩 ， ： ：+ ：。1 ，： ： 。 ： i 第一混甜p 7 u ：- 崔锌崮吵 、l 剧一调和l 图2 7 ”色相不变时配色的调和与不调和区域图 1 3 两北t 业人学坝i ：学位论文 笫二帚计算机辅助产品色彩设计工具集理论基础 表2 - 1 ”色相一定，明度利纯度同时变化时的调和与不调和的范围 调和不调和纯度差( c )明度差( v ) 第一不明确( 近混蒙 2o 不调和) ol 类似 21 4o 02 第二不明确( 异混蒙 22 不调和)41 5o r l 2 8oo t o 1 03 1 0 23 1 0 对比43 l d 62 1 0 80 一1 0 0 2 眩辉4全部 1 0 6 o r o 1 4 8 表2 - 2 1 二色之间调_ 手| l 与不调和的范围0 u s tn o t i c e a b l ed i f f e r e n c e = j n d ) 调和不调和只是明度变化( v )只是纯度变化( c ) 只是色相变化【h ) 同一 0 u n d0 一u n d0 - 1 j n d 第一不明确 i j n 。d 0 5u n d 3i j n ，d 7 类似 0 5 l53 57 一1 2 第二不明确 15 2 55 71 2 2 8 对比 2 5 1 0 7 2 8 5 0 眩辉 1 0 关于色彩调和的面积的主要内容将在2 2 2 色彩调和与面积中专门论述。 关于色彩调和审美度的主要内容有： 色彩调和审美度是对色彩设计方案调和程度的度量，主要依据柏克霍夫 ( b i r k h o f f ) 方程来计算配色的审美度： m ：一o ( 2 。l o ) c c = n 。+ 肿+ 删+ ，声 ( 2 1 1 ) 两北丁业大学硕土学位论文第二章计算机辅助产品色彩设计工具集理论基础 o = a + n w h | + n ! l + n e c | + n l 咐h 、4 + n 1 4 溉4 + n 1 4 c c i a + n i c p i + n s h hs + ns s + n q c s + n l t h h + n l 2 4 + n l 蛇c 2 a ( 2 1 2 ) 七n ? q h c + n ( c + n c ：c ? + n 。i d 乒 式( 2 1 0 ) 中的各个变量对应的含义为 m 表示色彩调和美度( 当m o 5 时，即认为达到审美标准，此时的色彩方案 被认为是美的，当然m 的值越大越好) ； 0 表示色彩方案的秩序指数( 当色彩方案中含有灰色时，该灰色对秩序指数无 影响) ； c 表示色彩方案的复杂性指数( 当色彩方案中含有灰色时，该灰色对复杂性指 数无影响) ； 式( 2 11 ) 中的各个变量对应的含义为： 。表示色彩方案中的色彩数； 。表示色彩方案中色相有差异的色彩对的数目 。表示色彩方案中明度有差异的色彩对的数目； | v 。表示色彩方案中纯度有差异的色彩对的数目； 式( 2 ，1 2 ) 中a 的含义为面积影响效应它的计算方法为： ( 1 ) 当色彩方案中的色彩关于适应点( a d a p t a t i o np o i n t ，将在2 2 2 色彩调 和与面积中专门介绍) 的标量矩( s c a l a rm o m e n t ，将在2 2 2 色彩调和与 面积中专门介绍) 彼此都相等时： 肚c ：= 志 ( 2 1 3 ) 其中n 为色彩方案中的色彩个数 ( 2 ) 当色彩方案中的色彩关于适应点的标量矩不全相等时： 若标量矩相等的色彩对数为