書寫墨水顏色的數字化與標準化

潘明初

（溫州大學化學與材料工程學院 中國輕工業(yè)制筆材料重點實驗室，溫州，325035）

美國光學學會（Optical Society of America）的色度學委員會曾經把顏色定義為：顏色是除了空間的和時間的不均勻性以外的光的一種特性，即光的輻射能刺激視網膜而引起觀察者通過視覺而獲得的景象。

我國國家標準[1]定義光與色為：光是能對人的視覺系統(tǒng)產生明亮和顏色的電磁輻射，又叫可見電磁輻射，其波長范圍一般取380nm～780nm；色是光作用于人眼引起除形象以外的視覺特性。根據這一定義，色是一種物理刺激作用于人眼的視覺特性，而人的視覺特性是受大腦支配的，也是一種心理反映。所以，色彩感覺不僅與物體本來的顏色特性有關，而且還受時間、空間、外表狀態(tài)以及該物體的周圍環(huán)境的影響，同時還受各人的經歷、記憶力、看法和視覺靈敏度等各種因素的影響。色彩源于自然，但人類結合了大自然色彩的啟示及天然或人工合成色料，使得我們的生活更加多彩多姿。

在科技高度發(fā)展的今天，雖然國內很多制筆企業(yè)對產品顏色進行了規(guī)范，但還存在以下問題。各企業(yè)自成體系；顏色控制憑經驗；跟著別人后面模仿，沒有自我創(chuàng)新，沒有形成自己的體系與標準；沒有與其它（如美術、設計、建筑、教學）行業(yè)對接，統(tǒng)一名稱、色標、指導應用。國外公司掌握色料、顏色呈現及控制等核心技術，注重墨水產品顏色的系統(tǒng)化、標準化,注重與用戶所在行業(yè)的對接，有針對性地開發(fā)新產品，引領色彩流行[2]。

例如，靛青是什么顏色？如何告訴學生準確的靛青色？如何用我們制造的墨水把靛青色表現出來？要解決這些問題，需要將顏色進行準確的測量并使之數字定量化。數字定量化后才能衡量顏色，只有衡量顏色，才能控制顏色，進而還原顏色。

建立一套適合制筆行業(yè)的標準，對筆用墨水（或筆類、美術、設計用品）顏色進行數字化定量描述，為使用者如色度學學習者、藝術創(chuàng)作者、色彩設計教學[3,4]者提供數字化描述的墨水產品，在墨水色彩的制造、控制、使用以及顏色科學的教學等方面，將會帶來符合時代潮流的新變化，有利于制筆行業(yè)品種、品質、品牌的建設。

本文介紹顏色數字化及表色的發(fā)展與應用，相關的原理與標準，并以此來指導構建書寫墨水及制筆行業(yè)的色彩體系，提升核心競爭力。學習其它行業(yè)的成功經驗，促進制筆行業(yè)的發(fā)展。

1.國內外表色系統(tǒng)及應用

對于人來說，用色相（色調）、明度、彩度（飽和度或純度）來定義顏色；對于顯示設備來說，人們使用紅、綠和藍磷光體的發(fā)光量來描述顏色；對于打印或者印刷設備來說，人們使用青色、品紅色、黃色和黑色色料的反射和吸收來產生指定的顏色。用數學方法--顏色空間[5]來組織和表示顏色，使顏色形象化,顏色空間如圖1所示:

圖1 色調—飽和度—明度顏色空間

圖中垂直軸表示黑、白系列明度的變化，上端是白色，下端是黑色，中間是過渡的各種灰色。色調用水平面的圓圈表示，圓圈上的各點代表可見光譜中各種不同的色相，圓形中心是灰色，其明度和圓圈上的各種色相的明度相同。從圓心向外顏色的飽和度逐漸增加，在圓圈上的各種顏色飽和度最大，由圓圈向上（白）或向下（黑）的方向變化時，顏色的飽和度也降低。顏色空間（彩色模型、色彩空間、彩色系統(tǒng)等等）是對色彩的一種描述方式，定義有很多種，區(qū)別在于面向不同的應用背景。常用的有RGB、CMYK、Yxy、LCH、HSV、HSL、XYZ、LAB等等，各個色彩空間可以相互轉換[6]。

顏色的度量是一門涉及物理光學、視覺心理、心理物理學等各學科的新興科學。由于顏色涉及不同人種、不同民族的心理感受和習慣,使得國際上迄今為止,仍未產生一個公認并且通用的國際性顏色體系?？偟膩碇v，對顏色有以下三種表色方法，即（1）傳統(tǒng)顏色表示方法：主要是以植物的花、莖、葉、果實的色彩，動物的特色，自然界中的天、地、日、月、星辰、山水、礦石、金屬的色彩，染料或顏料色的名稱命名來命名顏色，例如玫瑰紅、草綠、荷葉綠、橄欖綠、蘋果綠、橘紅；鵝掌黃、蟹青、孔雀藍；天藍、土黃、月灰、水綠、銀灰、石綠、翠綠、鉛白、石青、石綠；靛青、甲基紅等。中國傳統(tǒng)色彩[7-9]名字好聽，顏色好看。（2）顯色系統(tǒng)表示方法（Color Order System）：該方法是在薈集各種實際色彩的基礎上，根據色彩的外貌，按直觀顏色視覺的心理感受，將顏色進行有系統(tǒng)、有規(guī)律的歸納和排列；并給各色樣以相應的文字和數字標記，以及固定的空間位置，做到“對號入座” 的方法。它是建立在真實樣品基礎上的色序系統(tǒng)。例如：孟塞爾（Munsell）表色系統(tǒng)、瑞典自然色系統(tǒng)（Nature Color System）、奧斯瓦爾德（Ostwald）表色系統(tǒng)[10]、德國DIN表色系統(tǒng)、美國光學委員會表色系統(tǒng)（OSA Uniform color scale system）、日本的彩度順序表色系統(tǒng)（Chroma cosmos 5000）、中國顏色體系等均屬于此類。目前在世界各國的印刷工業(yè)中采用最多的是印刷色譜、油墨色樣卡。這種表示顏色的方法是根據印刷工業(yè)的特點和要求而進行薈集的大量的實際色樣，并分類排列，一般是按照網點面積率的比例排列，在印刷工業(yè)中更有實用性和針對性。（3）混色系統(tǒng)表示方法（Color Mixing System）：該法不需要薈集設計色彩的樣品，而是基于三原色光（紅、綠、藍）能夠混合匹配出各種不同的色彩所歸納的系統(tǒng)。

“中國顏色體系問題研究”在對國際上其它顏色體系的理論分析和對顏色樣品測試的基礎上,確立其理論依據和編制原則,開展了中國人眼對明度、色調、彩度等間距排列的視覺評價實驗,建立了“中國顏色體系”理論模型,同時研制出《中國顏色體系樣冊》，為我國國民經濟各部門的顏色控制、標定和交流提供科學的顏色定量手段,同時也是對實用色度學的發(fā)展和顏色標準化做了有益的工作,產生了積極的經濟效益和社會效益[11]。制定的國家標準[12，13]和研制的國家標樣[14]，在國民經濟的眾多行業(yè)如建筑、城市規(guī)劃等行業(yè)得到了廣泛使用[15-19]。由于每個行業(yè)所用的材料與要求均不相同，為了滿足各自行業(yè)對顏色管理的特色要求，在顏色體系理論模型的框架下，建立各自行業(yè)的標準以解決本行業(yè)的問題。如針對紡織行業(yè)，有紡織服裝行業(yè)標準FZ/T 01099-2008《紡織顏色體系》，國家標準GSB 16-2253-2008 《紡織品顏色標準樣品——滌綸》，GB/T 21898《紡織品顏色表示方法》，該標準規(guī)定了用顏色三屬性——色相、明度、彩度來表示紡織品顏色的方法，適用于紡織品設計、生產、貿易等領域中對紡織品顏色的定量表示[20]。適合中國紡織服裝行業(yè)的色彩應用工具——CNCSCOLOR中國應用色彩體系，為中國紡織服裝行業(yè)使用統(tǒng)一的色彩交流語言奠定了基礎[21,22]。針對建筑行業(yè)，有GB/T 18922-2008《建筑顏色的表示方法》，該標準規(guī)定了建筑顏色的表示方法和建筑顏色色卡(簡稱建筑色卡)的色度值，適用于建筑設計、建筑施工、建筑材料、建筑裝修、環(huán)境設計等領域中顏色的定量表示；也適用于建筑色卡的制作和選取[23]。

2.墨水顏色測量及顏色數字化

顏色測量包括光源顏色的測量與物體色的測量兩大類。物體色測量又分為熒光物體測量和非熒光物體測量。在實際生產和日常生活中，涉及到大量的非熒光物體測色。顏色測量的方法分為目視測色和儀器測色兩大類。其中，儀器測色又包括密度法、光電積分法和分光光度法。

分光光度法又叫測色光譜光度計法，它是通過樣品反射(透射)的光能量與同樣條件下標準反射(透射)的光能量進行比較得到樣品在每個波長下的光譜反射率，然后利用CIE提供的標準觀察者和標準光源按公式計算，從而得到三刺激值X、Y、Z，再由X、Y、Z按CIEYxy，CIELab等公式計算色品坐標x.y，CIELAB色度參數等。它通過探測樣品的光譜成分確定其顏色參數，不僅可以給出X、Y、Z的絕對值和色差值△E，還可以給出物體的分光反射率值，并可以畫出物體色的分光反射率曲線。因此被廣泛用于顏色的配色及色彩分析中，采用此類儀器可實現高準確度的色測量，可對光電積分測色儀器進行定標，建立色度標準等，故分光式儀器是顏色測量中的權威儀器。

可以用標準的方法對顏色及色差進行測量與評價，數字化顏色是指通過使用測色儀器 (分光光度計)的測量使顏色轉化為一系列數字的表述形式。為了進一步改進和統(tǒng)一顏色評價的方法，1976年國際照明委員會推薦了新的顏色空間及其有關色差公式，即CIE1976LAB（CIE L＊a＊b＊）系統(tǒng)，現已成為世界各國正式采納、作為國際通用的測色標準。它適用于一切光源色或物體色的表示與計算。1987年我國發(fā)布的國家標準GB/T 7921-87將CIE LAB空間作為國家標準[24,25]。

該系統(tǒng)將所有的顏色用L＊、a＊、b＊三個值表示，并用三維坐標來定義,CIE L＊a＊b＊色空間如圖2所示。L為垂直軸代表亮度，L＊值從 0(黑)～100(白)；A、B是水平軸，A 為紅綠軸，a＊值代表紅綠軸上顏色的飽和度，+a＊表示紅色，-a＊表示綠色,0為中性色；B為黃藍軸，b＊值代表黃藍軸上顏色的飽和度，+b＊表示黃色，-b＊表示藍色,0為中性色。

圖2 CIE L＊a＊b＊ （LCH）色空間

色差是指用數值的方法表示兩種顏色給人色彩感覺上的差別。若兩個色樣樣品都按L＊、a＊、b＊標定顏色，則兩者之間的總色差△E＊ab以及各項單項色差可用下列公式計算：

明度差：△L＊=L＊1-L＊2

色度差：△a＊=a＊1-a＊2；△b＊=b＊1-b＊2

總色差：△E＊ab=[(△L*)2+(△a*)2+(△b*)2]1/2

如果△L＊為正，說明試樣比標樣淺；如果ΔL為負，說明試樣比標樣深。

如果△a＊為正，說明試樣比標樣紅（或者少綠）；如果為負，說明試樣比標樣綠（或者少紅）。

如果△b＊為正，說明試樣比標樣黃（或者少藍）；如果為負，說明試樣比標樣藍（或者少黃）。

△E＊ab被定義為樣品的總色差，但不能表示出樣品的色差的偏移方向，ΔE數值越大，說明色差越大。注意大多數情況下，數據是相對色差，而不是絕對色差。

例如：測得一種寶藍墨水的L＊值為47.8328、a＊值為26.2743、b＊值為-65.2706，則這三個數據就可以表示這款寶藍墨水的顏色。有了這組數據就可以在電腦上模擬出這種顏色，并且能獲得其它顏色模式中所對應的色值。

圖3 寶藍色對應色值

3.墨水顏色體系設計

多色成套不同用途、不同風格的墨水產品（筆類、美術、設計用產品）的顏色的設計，可以參照商用色彩設計系統(tǒng)[26,27]國家標準[28]GB/Z 35473-2017 《色彩設計系統(tǒng)》或類似系統(tǒng)來進行墨水顏色的設計與編碼，并指導用戶使用，制造的關鍵點之一是相應色料的選配。

吸收國內外流行的顯色及混色系統(tǒng)表示方法，創(chuàng)建的“商用色彩設計系統(tǒng)”（Business Colour Design System）即“BCDS”設計系統(tǒng)[29]，也稱之為“生理補色系統(tǒng)”，全面詮釋了商用色彩：色彩價值體現，即有價值交換的物理顏色和心理色彩。

3.1 BCDS基準色的表述

BCDS 基準色的概念是，指要從色相上判斷或表述一個顏色，就必須建立起色相的評價范圍。從可見光波在380～780nm 波段，BCDS 選擇有代表性的十個基準色作為評價顏色色相的范圍，它們分別是：Red=紅(R)630～750nm、Orange=橙(O)595～630nm、Yellow=黃(Y)580～590nm、Kelly=薇(K)560～580nm、Green=綠(G)500～560nm、Turquoise=青(T)480～500nm、Blue=藍(B)435～480nm、Purple=紫(P)400～435nm、White(W)＝白、Black(B)＝黑，兩個無彩基準色與彩色基準色共同組成評價顏色色位的空間范圍。

圖4 BCDS十個基準色

3.2 BCDS色相圓環(huán)表述

BCDS色彩圓環(huán)如圖5所示：

圖5 BCDS色彩圓環(huán)

BCDS色相圓環(huán)是一個完全的生理色相環(huán)，它依照我們的視覺習慣按順時針方向排列，如圖6所示。每兩個基準色之間劃分為100階，跨10取1，共有80個色相（Hue），基準色一律以100表述為：R100、O100、Y100、K100、G100、T100、B100、P100；其余非基準色的數值只能是兩個相鄰基準色之和等于100，即是：O+Y、Y+K、K+G、G+T、T+B、B+P、P+R、R+O=100；表述方法按順時針方向，以基準色排列先后順序表述，如：B60P40、B50P50、B40P60等。

圖6 色相順時針秩序排列

如何運用基準色判斷顏色的色相？

如果說直尺可以丈量物體的長度，那么BCDS 色相環(huán)就是一把可以衡量顏色色相的色域范圍。在BCDS 色相環(huán)中，每個基準色只與它左右兩個基準色發(fā)生關聯，我們只需要牢記基準色的色相，就可以輕松判斷所有顏色的色相。當我們判斷一個顏色的色相時，先看它是否是基準色，若位于兩個基準色之間，就可以根據與基準色的遠近關系予以定奪。例如青蘋果的色相不是基準色，但可以判定位于K（黃綠）—G（綠）之間，K 的含量比G 的含量多一些，基本可以判斷它的色相是K70G30。

圖7 運用基準色判斷顏色的色相

3.3 BCDS色位的表述

用分級坐標值的方法，就可以通過判斷顏色的某一個或兩個屬性而推導出其余屬性含量，從而輕松地找到顏色的空間位置（色位）。

BCDS 采用b（black）、w（white）、c（chroma）小寫符號分別表示顏色的黑度、白度和彩度屬性（采用小寫符號是為了與色相大寫符號相區(qū)別）。并規(guī)定在空間中所有顏色的含量都是b+w+c=100，即任意顏色都包含有黑度、白度和彩度的成分，它們共同組成該顏色的100%含量。

在BCDS 空間中，顏色的黑度、白度、彩度分別表述如下。

黑度：b=0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11……100，共100 級；

白度：w=0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11……100，共100 級；

彩度：C=0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11……100，共100 級。

BCDS 色位的表述如圖8所示：

圖8 BCDS色位

3.4 BCDS色彩空間表述

顏色本身除了色相屬性之外，還有黑白度和彩度屬性，相同色相的顏色如果黑白度和彩度發(fā)生變化，顏色也隨之發(fā)生變化。只有將顏色的所有屬性全部判斷出來，才能真正識別一個顏色，這就需要建立起顏色空間的概念。

在BCDS 中，八個有彩基準色和兩個無彩基準色共同構成了衡量所有顏色的色彩空間。完整的BCDS 空間猶如兩個倒扣的圓錐體，最大直徑的地方是彩度最高點（把所有彩度最高點連接起來就是BCDS 色相環(huán)），上下兩個頂點分別為白度最高點和黑度最高點。所有可見顏色都可以在BCDS 空間中找到自己的位置，也就是色位。BCDS 色彩空間見圖9。

圖9 BCDS色彩空間

3.5 BCDS顏色的編碼表述方法

將顏色的色相編碼和色位（色貌）編碼組合起來就是一個完整的BCDS 顏色編碼了。例如：

圖10 BCDS顏色編碼

需要注意的是，在編碼的時候留心色相的總和與色位（色貌）的總和要分別等于100。在這里彩度的編碼不用記錄，因為只需要表示出黑度和白度，彩度的數值自然就可以得出。黑白灰等無彩色的表述為：N（No）代表沒有彩色，黑色N b100w00、白色N b00w100、中灰色N b50w50 等。

3.6 BCDS 色彩設計區(qū)域表述

根據BCDS 顏色空間的排列特點，可以在BCDS 三角形中劃分出圖11所示4 大區(qū)域：第一區(qū)域，顏色群的統(tǒng)一特點是白度屬性明顯，屬于高明度低彩度范圍；第二區(qū)域，顏色群黑度屬性明顯，屬于低明度低彩度范圍；第三區(qū)域，在顏色群的黑、白、彩度之間，屬于中明度中彩度范圍；第四區(qū)域，顏色群彩度屬性高，屬于中明度高彩度范圍。按照這種分類方法，每個區(qū)域還可以按圖12所示再細分出4 個小區(qū)域共16 個：

A.高高明度低彩度 E.低高明度低彩度

B.高低明度低彩度 F.低低明度低彩度

C.高中明度中彩度 G.低中明度中彩度

D.高中明度高彩度 H.低中明度高彩度

I.中中明度低彩度 M.中高明度低彩度

J.中中明度中彩度 N.中低明度低彩度

K.中高明度高彩度 O.中中明度中彩度

L.中低明度高彩度 P.中中明度高彩度

圖11 BCDS色彩設計四分區(qū)域

圖12 BCDS色彩設計十六分區(qū)域

按顏色排列特點進行分區(qū)，為設計應用顏色提供了有效的途徑。綜合上述的劃分方法，在實際設計應用中，BCDS 的設計區(qū)域劃分為：1.高明度低彩度區(qū)域；2.低明度低彩度區(qū)域；3.中明度中彩度區(qū)域；4.中明度高彩度區(qū)域，以及三個間色區(qū)域：5.中明度低彩度區(qū)域；6.中高明度中彩度區(qū)域；7.中低明度中彩度區(qū)域。

3.7 BCDS等色相空間表述

在BCDS顏色空間中，任意色相的縱切面都是單一色相在顏色空間的色貌表現，它包括：單一色相加白和黑。

圖13 BCDS等色相空間

3.8 BCDS全色相設計區(qū)域表示

在BCDS 色位區(qū)域中，我們將八個基準色的色相按照設計要求，在色位空間中進行七大設計應用區(qū)域組合，為設計色彩提供了基礎的心理色彩對應應用平臺。

圖14 BCDS全色相設計區(qū)域

3.9 BCDS顏色心理圓環(huán)和三角

顏色心理與顏色空間的位置和區(qū)域，是BCDS 體系中重要的體系理論之一，是設計師設計色彩的應用指南。

圖15 BCDS顏色心理圓環(huán)

圖16BCDS顏色心理三角

建立一個以顏色設計應用為目的，科學的、調和的、可實現的、并能與眾多顏色系統(tǒng)對接的色貌空間和色彩設計系統(tǒng)，是高度文明社會進步的需求。國家標準GB/Z 35473-2017《色彩設計系統(tǒng)》于2018年7月1日正式實施。該標準為色彩量化設計建立了色彩語言的溝通、評價體系和平臺，為設計師掌握色彩和學習色彩提供了科學的設計理論和全系列工具。制筆行業(yè)如果能夠在這個平臺上建立顏色產品如墨水、筆、美術、設計用品的顏色編碼、產品顏色標準，將大大提高產品的技術含量，并且可以實現與現代技術如智能配色系統(tǒng)對接，滿足更高的使用要求。

4.結 語

要建立完美的墨水顏色體系，首先要解決各類墨水制造所需要的基準色色料（染料或顏料），經常會遇到顏色與其它重要性能不匹配的狀況。如顏色符合要求而溶解穩(wěn)定性差，導致保質期不能滿足要求等等。需要對色料進行專門的研究與開發(fā)。

顏色數據化，測色與配色技術[30,31]在紡織印染、服裝、涂料、染料、塑料、印刷等等方面都已有廣泛的應用，制筆行業(yè)只需要針對本行業(yè)的特性，采用相應的標準方法進行使用即可。利用測色及顏色管控技術，可以提升現有產品的品質管理水平。

測定現有墨水的色值并建立數據庫，可以了解、分析現有墨水的色彩體系，用以科學指導產品開發(fā)及市場營銷。

建立與國家標準GB/Z 35473-2017《色彩設計系統(tǒng)》對接的墨水類產品顏色數字化、標準化體系，與其他行業(yè)（如美術、設計、教學）統(tǒng)一名稱、色標，用統(tǒng)一的色彩語言溝通以了解色彩表達需求，可以為使用者提供能夠精準實現其想表達的顏色的墨水類產品，科學指導墨水類產品的創(chuàng)新開發(fā)，有利于提升筆類產品的技術內含，適應系統(tǒng)化、數字化、網絡化、智能化的時代發(fā)展需求。