軍用艙室色彩感知下配色方法研究*

蘇 勝，宋志強(qiáng)，顧 森，閆 敏

(1.西安工業(yè)大學(xué) 藝術(shù)與傳媒學(xué)院，西安 710021；2.西安翻譯學(xué)院 藝術(shù)學(xué)院，西安 710105；3.河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院 智能工程學(xué)院，鄭州 451191；4.西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021)

色彩的優(yōu)勢是醒目直觀，能觸發(fā)軍事人員在心理上的聯(lián)想與共鳴，但在軍用設(shè)備設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，色彩設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)往往被忽視。合理的色彩設(shè)計(jì)不但能有效提高士兵工作效率，還能改善軍事人員的緊張情緒。因此，色彩對(duì)軍事人員的影響不容忽視。目前，在艙室色彩研究中，文獻(xiàn)[1-2]通過感性工學(xué)相關(guān)理論應(yīng)用將艙室進(jìn)行源圖像色彩提取并對(duì)色彩主觀意象量化分析及色彩趨勢偏向性總結(jié)，為艙室空間及座椅設(shè)計(jì)提供可借鑒的方法，但目前對(duì)艙室的設(shè)計(jì)研究只針對(duì)于一種艙室進(jìn)行色彩設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)方法很難應(yīng)用于不同種類的軍用艙室中。文獻(xiàn)[3-7]針對(duì)艙室的視覺感知特點(diǎn)，根據(jù)色彩工效、色彩心理等理論，探討艙室色彩搭配的基本原則、認(rèn)知意象及艙室舒適性研究，但以上研究對(duì)于色彩僅做簡單分類，沒有通過色彩感知原理對(duì)色彩區(qū)域進(jìn)行科學(xué)劃分，導(dǎo)致色彩空間搭配隨意。文獻(xiàn)[8-11]采用相關(guān)分析、因子分析解析色彩意象不明確問題，研究了色彩模型、色彩空間、色差公式并對(duì)色彩進(jìn)行量化與篩選，并有不少學(xué)者將模糊數(shù)學(xué)理論、灰色理論、遺傳算法運(yùn)用到色彩設(shè)計(jì)的不同的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)上，但沒有綜合性建立艙室色彩配色方法減少設(shè)計(jì)周期。

因此，文中采用直方圖相交法提煉典型軍用座艙色彩數(shù)據(jù)庫及色彩感知意象評(píng)價(jià)集，以解決不同種類軍用艙室色彩區(qū)域劃分、色彩意象分類問題；采用灰色聚類法構(gòu)建代表性軍用座艙色彩庫與意象集并進(jìn)行交互式映射，建立可行性軍用艙室配色預(yù)測模型，營造安全、效率的艙室色彩環(huán)境，減輕長期工作帶來的負(fù)面情緒和心理壓力，解決軍用艙室色彩搭配隨意問題；以某型軍用艙室色彩搭配為例驗(yàn)證文中方法，解決設(shè)計(jì)周期問題。

1 軍用艙室色彩感知配色研究模型構(gòu)建

軍用艙室根據(jù)其屬性屬于特種狹小空間，受其軍方背景和用途限定，在生活中非常少見。為了深入了解軍用艙室色彩配置趨勢及構(gòu)建軍用艙室配色模型，因此選用警用、消防、軍用等不同種類等艙室擴(kuò)大樣本范圍。為了定位軍用艙室色彩方案，采用直方圖相交法進(jìn)行軍用艙室樣本收集與篩選，定位典型樣本源圖像，從建筑空間學(xué)與色彩工效方向劃分并分析艙室色彩區(qū)域，通過色彩模型比值、區(qū)域色彩數(shù)、面積比重、色彩距離四個(gè)因素對(duì)軍用艙室配色進(jìn)行描述獲得代表性色彩庫集；通過語義差異法、相關(guān)聚類分析法獲取代表性感性語義評(píng)價(jià)集；最后根據(jù)模糊算法進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)，預(yù)測軍用艙室配色模型，建立可行性軍用艙室配色庫，縮短軍用艙室配色設(shè)計(jì)周期。軍用艙室色彩感知配色研究模型構(gòu)建如圖1所示。

圖1 軍用艙室色彩感知配色研究模型

2 軍用艙室樣本及色彩意象收集及篩選

2.1 軍用艙室樣本收集與篩選

由于軍用艙室使用背景和用途具有一定特殊性，在生活及網(wǎng)絡(luò)中極其少見。為深入了解軍用艙室配色風(fēng)格需少部分對(duì)比及借鑒其他與類型具有相關(guān)性的艙室，如警用、消防等艙室樣本收集，并通過一定規(guī)模樣本歸納色彩趨勢范圍。

通過文獻(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)、實(shí)地考察等方式搜集軍用艙室樣本200張，如圖2所示。在不考慮光照、材質(zhì)的前提下，篩選艙室樣本，色彩相似度通過直方圖相交法計(jì)算，并用HSB直方圖表示每幅圖像，直方圖可表示為

(1)

式中:A為兩幅圖像的直方圖；A(So，SP)為圖像的相似度，范圍為0～1，兩幅圖越相似，值趨近1；H,S,B分別為色相、飽和度及明度。以顏色直方圖為依據(jù)選擇一定閾值，當(dāng)該閾值小于相似度的值時(shí)，這兩張圖片即被認(rèn)為在色彩上相似，從而將其歸為一類。

由于圖片的形態(tài)、質(zhì)感等其他特征無法用直方圖相交法進(jìn)行表示，文中利用歐式距離進(jìn)一步計(jì)算相似度。圖像O與圖像P的歐式距離為

(2)

圖2 軍用艙室樣本

由式(2)可選取閾值，將相似度高的歸為一類，最終獲取軍用艙室典型樣本18種,如圖3所示。

2.2 軍用艙室色彩感性意象收集與篩選

收集不同層面、不同渠道的軍事類相關(guān)艙室色彩感性意象詞匯，作為實(shí)驗(yàn)變量，構(gòu)建軍用艙室色彩意象多維認(rèn)知空間。

通過軍事人員訪談、軍事雜志、網(wǎng)絡(luò)獲取大量意象詞匯。初步篩選去除不明顯、不合適的意象詞匯，并進(jìn)行分類。通過意象尺度法、卡片分析法、集群分析法對(duì)初篩后的意象詞匯進(jìn)行分析及分組。采用主成分分析法，按指標(biāo)貢獻(xiàn)率從每組中選取一個(gè)最具代表的色彩意象詞匯，建立代表性軍用艙室色彩感性意象集。意象詞匯篩選結(jié)果見表1。

圖3 典型樣本

表1 意象詞匯篩選結(jié)果

3 軍用艙室色彩數(shù)據(jù)與色彩感性意象測量與結(jié)果

3.1 色彩數(shù)據(jù)測量方法

HSB色彩模型是色彩視知覺感受的量化模型，分為色相H(Hue)，飽和度S(Saturation)，明度B(Brightness))，為定量與定性地分析軍用艙室色彩，因此本文以HSB色彩模式為例進(jìn)行說明分析。在色彩數(shù)據(jù)測量中，依據(jù)空間色彩學(xué)分類將軍用艙室劃分皮膚色、填充物色、特殊色三種賦色區(qū)域。其中皮膚色區(qū)域是指軍用座艙整體的主要顏色分布區(qū)域，填充色區(qū)域?yàn)樽酪蔚冉缑骖伾珔^(qū)域，特殊色區(qū)域?yàn)檎w顏色添加點(diǎn)綴的賦色點(diǎn)睛區(qū)域[12]。

在現(xiàn)有源圖像色彩測量研究中，主要分為色彩合并與色彩選擇兩個(gè)步驟。① 獲取二維軍用座艙樣本圖像，劃分賦色區(qū)域，在占比較小的色彩區(qū)域進(jìn)行合并，確定臨界色彩值，利用源圖像通過模糊算法，即依據(jù)樣本集及相應(yīng)指標(biāo)的表征信息形成模糊矩陣，將該矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，隨后采用指數(shù)相似法建立模糊相似矩陣，由于該模糊相似矩陣不一定具有傳遞性，還需將其進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為模糊等價(jià)矩陣，并在該等價(jià)矩陣的相似因子中選取置信因子，從而形成對(duì)應(yīng)的模糊布爾矩陣，當(dāng)樣本指標(biāo)的列向量相等時(shí)，將對(duì)應(yīng)的樣本對(duì)象歸為一類，并隨著置信因子從大到小變化時(shí)，樣本對(duì)象的歸類數(shù)變小，最終樣本歸為一類從而進(jìn)行色彩合并，計(jì)算色彩面積比值，若合并后的源圖像色彩臨界比值小于源圖像雜色臨界比值，則去除該源圖像即刪除雜色；② 為了更精準(zhǔn)獲取色彩，將占比較大的色彩采用歐式距離法計(jì)算源圖像色彩之間的距離，去除距離，將相似度較高的色彩通過計(jì)算機(jī)軟件歸為一類色彩，輸出色彩值。

3.2 軍用艙室色彩數(shù)據(jù)庫

依據(jù)代表性典型軍用艙室源圖像樣本色彩數(shù)據(jù)提取流程，構(gòu)建典型樣本軍用艙室色彩數(shù)據(jù)庫，從皮膚色、填充色及特殊色三個(gè)方面表示，見表2。

3.3 軍用艙室色彩感性意象集

在色彩感性意象數(shù)據(jù)測量中，通過網(wǎng)絡(luò)、代表性樣本調(diào)查問卷、收集各類軍用艙室色彩感性意象詞匯，色彩感性意象詞匯篩選通過意象尺度法、語義差異法、專家論證法、相關(guān)分析及主成分分析法進(jìn)行，進(jìn)而獲得代表性色彩感性意象值。色彩感性意象具體流程為

① 獲取原始色彩感性意象描述。在獲取原始感性意象中，采用意象尺度法首先確定描述樣本的形容詞對(duì)，需要通過對(duì)所選取的樣本進(jìn)行調(diào)研分析，以及針對(duì)性選取意象詞匯，再通過語義差異法進(jìn)行數(shù)值分析統(tǒng)計(jì)。

表2 軍用艙室色彩數(shù)據(jù)庫

② 意象條目中及設(shè)置量表，采用語義差異法運(yùn)用10級(jí)評(píng)價(jià)量表，評(píng)價(jià)值范圍是0～9.0。如將軍用艙室色彩意象定位為大氣的配色方式，0代表非常不大氣，9.0代表非常大氣，4.5代表一般的。據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，受訪者可憑借主觀感覺對(duì)樣本圖片及對(duì)應(yīng)色彩意象詞匯給出分值。依據(jù)此分值標(biāo)準(zhǔn)，受訪者可憑借主觀感覺差異對(duì)樣本圖片及對(duì)應(yīng)色彩意象詞匯給出分值。 邀請(qǐng)20名軍事人員、設(shè)計(jì)師人員，根據(jù)語義差異法即得到相應(yīng)原始數(shù)據(jù)的矩陣B為

(3)

(4)

(5)

④ 獲取代表性色彩感性意象，采用主成分分析。依據(jù)以上數(shù)據(jù)，對(duì)最后得到的相關(guān)性較高的意象集合進(jìn)行降維處理，通過主成分分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計(jì)，從而確定軍用艙室的色彩意象提取的主成分個(gè)數(shù)為4。

依據(jù)上述描述分析、最終確立四組色彩意象類別，分別為x1(人性，緊迫，深沉，冰冷，和諧)、x2(穩(wěn)重，舒適，安全，柔和，溫馨)、x3(解壓，有序，現(xiàn)代，大氣，科技)、x4(成熟，寧靜，清爽，輕快，理性)。

4 建立軍用艙室配色集

4.1 灰色聚類的軍用艙室配色意象預(yù)測

為關(guān)聯(lián)映射代表性色彩庫與代表色彩意象，建立可行性軍用配色庫。具體過程為

① 設(shè)軍用艙室配色方案的色彩集合為C={1,2,…,c}，代表色彩意象語義集合表示為D={1,2,…,x}，聚類白化數(shù)dij表示第i個(gè)方案色彩對(duì)第j個(gè)色彩意象語義的白化數(shù)，該關(guān)系構(gòu)成了方案矩陣E為

(6)

(7)

③ 設(shè)軍用艙室由a個(gè)組件組成，那么色彩面積比率集合記為T={t1,t2,…,ta}，ti為第i類的權(quán)重值，且t1+t2+…+ta=1。

④ 建立代表色彩意象語義集的隸屬函數(shù)關(guān)系如圖4所示：(當(dāng)語義形容詞為大氣的，即0表示非常不大氣，4.5表示一般，9.0表示非常大氣)。

圖4 色彩意象語義集的三角形隸屬函數(shù)圖

圖5 色彩意象的白化權(quán)函數(shù)

4.2 構(gòu)建可行性軍用艙室配色集

為精準(zhǔn)、快速地使配色方案符合色彩意象語義，根據(jù)不同聚類指標(biāo)與所擁有的白化值，按e個(gè)灰類進(jìn)行歸納整理，從而判斷聚類對(duì)象屬于哪一灰類，因此，文中在色彩集與意象灰色關(guān)聯(lián)方向，采用灰色聚類法即確定聚類對(duì)象、聚類指標(biāo)及聚類灰類、確定灰類隸屬白化函數(shù)，進(jìn)行聚類向量的計(jì)算及分類判斷。進(jìn)行建立軍用艙室配色意象預(yù)測模型，構(gòu)建可行性軍用艙室配色集。

軍用艙室配色方案獲取如圖6所示，軍用艙室的配色集見表3。即在配色方案灰色關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)上，將色彩集與色彩意象進(jìn)行交互映射，形成不同的映射配色方案，將配色方案通過圖片形式展現(xiàn)給被試者進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)，即當(dāng)選擇一種配色方案時(shí)，就代表該方案中的所有色彩被選中，最終評(píng)價(jià)出最優(yōu)配色方案。

圖6 軍用艙室配色方案獲取

表3 軍用艙室配色集

5 實(shí)例驗(yàn)證及評(píng)價(jià)

5.1 實(shí)例驗(yàn)證

以某種型指揮艙室的色彩設(shè)計(jì)為例，通過文中所示方法將軍用艙室色彩配色集應(yīng)用到某型指揮艙室中進(jìn)行色彩設(shè)計(jì)，以此來驗(yàn)證文中方法的可行性及有效性。

1) 選取意象詞匯“現(xiàn)代”，在軍用艙室配色集中選取相應(yīng)代表色彩空間，經(jīng)過灰色聚類獲得代表配色。

2) 配色方案以圖片形式展現(xiàn)給受訪者，在軍用艙室的三種色彩中，面積比率為T=(t1,t2,t3)=(0.5,0.3,0.2)，3個(gè)色彩集的閾值是ΔT1=2.25，ΔT2=1.35，ΔT3=0.9，那么軍用艙室三個(gè)色彩集,FA,FB,FC的白化權(quán)函數(shù)如圖7所示。

3) 獲取配色方案之后進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)，最終在某型指揮艙色彩搭配中，設(shè)計(jì)師得到代表性配色方案如圖8所示。

圖7 三個(gè)色彩語義集的白化權(quán)函數(shù)

圖8 代表性配色方案

5.2 設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

1) 在代表性配色方案方向，采用專家評(píng)價(jià)法，選用5名在軍事領(lǐng)域具有權(quán)威性專家對(duì)方案進(jìn)行評(píng)估。其次進(jìn)行問卷調(diào)查，問卷等級(jí)為7分制。最后進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，專家評(píng)價(jià)分值見表4。

表4 專家評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

通過專家評(píng)價(jià)法的權(quán)重分析，目標(biāo)艙室色彩配置分?jǐn)?shù)都在5分以上。因此本研究采用色彩感知設(shè)計(jì)方法從意象篩選之后的配色集中選取配色方案的可行性，也節(jié)省了從頭開始進(jìn)行配色方案設(shè)計(jì)的時(shí)間，有效縮短設(shè)計(jì)周期。

2) 在失誤率方向，選取10名操作人員進(jìn)行操作測試，操作人員在相同環(huán)境下共操作100次，由表5可得，被測人員的操作失誤率相比之前有所降低，操作失誤統(tǒng)計(jì)見表5。

表5 操作測試失誤統(tǒng)計(jì)

6 結(jié) 論

1) 基于色彩感知原理對(duì)軍用艙室色彩設(shè)計(jì)要素及感性意象進(jìn)行研究，在軍用配色方向，通過收集不同種類的軍用艙室空間，提煉出代表性軍用艙室色彩數(shù)據(jù)庫，建立軍用艙室色彩感知意象評(píng)價(jià)集；在色彩與意象組合方向，構(gòu)建代表性色彩集與代表性意象集，建立可行性軍用艙室配色預(yù)測模型。

2) 利用直方圖相交、語義差異法等方法，有效解決不同種類軍用艙室色彩區(qū)域劃分問題、約束軍用艙室色彩風(fēng)格意象，提升軍用艙室的可識(shí)別性，降低操作人員操作失誤率、判斷難度和疲勞度，科學(xué)有效的進(jìn)行色彩搭配，在選色與用色上營造出安全、效率的艙室色彩環(huán)境，減少長期工作給操作人員帶來的負(fù)面情緒及減輕心理壓力。

3) 根據(jù)某型軍用艙室色彩搭配驗(yàn)證文中方法的可行性，形成一套基于色彩感知的軍用艙室色彩設(shè)計(jì)方法，該方法有效提高了軍用艙室整體設(shè)計(jì)效果和設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期。但文中僅針對(duì)于二維源圖像色彩汲取及設(shè)計(jì)，而忽略了真實(shí)色彩環(huán)境。因此，在后續(xù)研究中考慮將真實(shí)環(huán)境引入軍用艙室色彩研究中。