軍用艙室色彩感知下配色方法研究*

蘇 勝，宋志強，顧 森，閆 敏

(1.西安工業(yè)大學 藝術與傳媒學院，西安 710021；2.西安翻譯學院 藝術學院，西安 710105；3.河南機電職業(yè)學院 智能工程學院，鄭州 451191；4.西安工業(yè)大學 機電工程學院，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，但在軍用設備設計領域中，色彩設計環(huán)節(jié)往往被忽視。合理的色彩設計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，色彩對軍事人員的影響不容忽視。目前，在艙室色彩研究中，文獻[1-2]通過感性工學相關理論應用將艙室進行源圖像色彩提取并對色彩主觀意象量化分析及色彩趨勢偏向性總結，為艙室空間及座椅設計提供可借鑒的方法，但目前對艙室的設計研究只針對于一種艙室進行色彩設計，這些設計方法很難應用于不同種類的軍用艙室中。文獻[3-7]針對艙室的視覺感知特點，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、認知意象及艙室舒適性研究，但以上研究對于色彩僅做簡單分類，沒有通過色彩感知原理對色彩區(qū)域進行科學劃分，導致色彩空間搭配隨意。文獻[8-11]采用相關分析、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、色差公式并對色彩進行量化與篩選，并有不少學者將模糊數(shù)學理論、灰色理論、遺傳算法運用到色彩設計的不同的關鍵技術點上，但沒有綜合性建立艙室色彩配色方法減少設計周期。

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價集，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；采用灰色聚類法構建代表性軍用座艙色彩庫與意象集并進行交互式映射，建立可行性軍用艙室配色預測模型，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證文中方法，解決設計周期問題。

1 軍用艙室色彩感知配色研究模型構建

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、色彩距離四個因素對軍用艙室配色進行描述獲得代表性色彩庫集；通過語義差異法、相關聚類分析法獲取代表性感性語義評價集；最后根據(jù)模糊算法進行灰色關聯(lián)，預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計周期。軍用艙室色彩感知配色研究模型構建如圖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)絡中極其少見。為深入了解軍用艙室配色風格需少部分對比及借鑒其他與類型具有相關性的艙室，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、網(wǎng)絡、實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，當該閾值小于相似度的值時，這兩張圖片即被認為在色彩上相似，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行表示，文中利用歐式距離進一步計算相似度。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艙室色彩感性意象詞匯，作為實驗變量，構建軍用艙室色彩意象多維認知空間。

通過軍事人員訪談、軍事雜志、網(wǎng)絡獲取大量意象詞匯。初步篩選去除不明顯、不合適的意象詞匯，并進行分類。通過意象尺度法、卡片分析法、集群分析法對初篩后的意象詞匯進行分析及分組。采用主成分分析法，按指標貢獻率從每組中選取一個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。意象詞匯篩選結果見表1。

圖3 典型樣本

表1 意象詞匯篩選結果

3 軍用艙室色彩數(shù)據(jù)與色彩感性意象測量與結果

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色彩模式為例進行說明分析。在色彩數(shù)據(jù)測量中，依據(jù)空間色彩學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)域為桌椅等界面顏色區(qū)域，特殊色區(qū)域為整體顏色添加點綴的賦色點睛區(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)樣本集及相應指標的表征信息形成模糊矩陣，將該矩陣進行標準化處理，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，還需將其進一步轉化為模糊等價矩陣，并在該等價矩陣的相似因子中選取置信因子，從而形成對應的模糊布爾矩陣，當樣本指標的列向量相等時，將對應的樣本對象歸為一類，并隨著置信因子從大到小變化時，樣本對象的歸類數(shù)變小，最終樣本歸為一類從而進行色彩合并，計算色彩面積比值，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 為了更精準獲取色彩，將占比較大的色彩采用歐式距離法計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算機軟件歸為一類色彩，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、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、相關分析及主成分分析法進行，進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，需要通過對所選取的樣本進行調(diào)研分析，以及針對性選取意象詞匯，再通過語義差異法進行數(shù)值分析統(tǒng)計。

表2 軍用艙室色彩數(shù)據(jù)庫

② 意象條目中及設置量表，采用語義差異法運用10級評價量表，評價值范圍是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)此標準，受訪者可憑借主觀感覺對樣本圖片及對應色彩意象詞匯給出分值。依據(jù)此分值標準，受訪者可憑借主觀感覺差異對樣本圖片及對應色彩意象詞匯給出分值。 邀請20名軍事人員、設計師人員，根據(jù)語義差異法即得到相應原始數(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)，對最后得到的相關性較高的意象集合進行降維處理，通過主成分分析法進行數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計，從而確定軍用艙室的色彩意象提取的主成分個數(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測

為關聯(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個方案色彩對第j個色彩意象語義的白化數(shù)，該關系構成了方案矩陣E為

(6)

(7)

③ 設軍用艙室由a個組件組成，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)關系如圖4所示：(當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 色彩意象的白化權函數(shù)

4.2 構建可行性軍用艙室配色集

為精準、快速地使配色方案符合色彩意象語義，根據(jù)不同聚類指標與所擁有的白化值，按e個灰類進行歸納整理，從而判斷聚類對象屬于哪一灰類，因此，文中在色彩集與意象灰色關聯(lián)方向，采用灰色聚類法即確定聚類對象、聚類指標及聚類灰類、確定灰類隸屬白化函數(shù)，進行聚類向量的計算及分類判斷。進行建立軍用艙室配色意象預測模型，構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聯(lián)基礎上，將色彩集與色彩意象進行交互映射，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)給被試者進行模糊評價，即當選擇一種配色方案時，就代表該方案中的所有色彩被選中，最終評價出最優(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 實例驗證及評價

5.1 實例驗證

以某種型指揮艙室的色彩設計為例，通過文中所示方法將軍用艙室色彩配色集應用到某型指揮艙室中進行色彩設計，以此來驗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個色彩集的閾值是ΔT1=2.25，ΔT2=1.35，ΔT3=0.9，那么軍用艙室三個色彩集,FA,FB,FC的白化權函數(shù)如圖7所示。

3) 獲取配色方案之后進行模糊評價，最終在某型指揮艙色彩搭配中，設計師得到代表性配色方案如圖8所示。

圖7 三個色彩語義集的白化權函數(shù)

圖8 代表性配色方案

5.2 設計評價

1) 在代表性配色方案方向，采用專家評價法，選用5名在軍事領域具有權威性專家對方案進行評估。其次進行問卷調(diào)查，問卷等級為7分制。最后進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，專家評價分值見表4。

表4 專家評價數(shù)據(jù)統(tǒng)計

通過專家評價法的權重分析，目標艙室色彩配置分數(shù)都在5分以上。因此本研究采用色彩感知設計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)省了從頭開始進行配色方案設計的時間，有效縮短設計周期。

2) 在失誤率方向，選取10名操作人員進行操作測試，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)計見表5。

表5 操作測試失誤統(tǒng)計

6 結 論

1) 基于色彩感知原理對軍用艙室色彩設計要素及感性意象進行研究，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價集；在色彩與意象組合方向，構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格意象，提升軍用艙室的可識別性，降低操作人員操作失誤率、判斷難度和疲勞度，科學有效的進行色彩搭配，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計方法，該方法有效提高了軍用艙室整體設計效果和設計效率，縮短了設計周期。但文中僅針對于二維源圖像色彩汲取及設計，而忽略了真實色彩環(huán)境。因此，在后續(xù)研究中考慮將真實環(huán)境引入軍用艙室色彩研究中。