英國皇家園藝學(xué)會比色卡顏色特征及其在盆栽香石竹花色測定上的應(yīng)用

滕彩玲 楊曉洪 鄧 超 劉艷芳* 韓瑞璽*

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所，昆明 650205； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部科技發(fā)展中心，北京 100176)

自然界顏色多達(dá)600萬種，顏色性狀是重要的植物品種測試性狀，也是重要的經(jīng)濟(jì)性狀和育種目標(biāo)，其重要性在觀賞作物測試、評價、生產(chǎn)和育種中尤其突出。觀賞作物品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測試指南研制過程中，通常根據(jù)作物花色分布特征將該作物進(jìn)行品種分組，品種分組對于近似品種篩選和特異性判定等具有重要意義。顏色性狀測試的準(zhǔn)確性不僅關(guān)系到品種審定、登記、授權(quán)、維權(quán)和真實性鑒定等品種測試管理，也關(guān)系到育種評價和種苗生產(chǎn)儲運評價。

色空間常用于顏色描述和測定，包括RGB、CIE LAB和CIE XYZ等色空間。CIE LAB色空間是目前最接近人類視覺的色空間，也是最常用于量化顏色特征的表色系統(tǒng)之一。

L

代表明度，取值范圍為0～100；

a

代表紅綠度，即從綠色到紅色的分量，取值范圍為-127～127；

b

代表黃藍(lán)度，即從藍(lán)色到黃色的分量，取值范圍為-127～127。

L

、

a

和

b

值通常由色差儀測定獲得。其中，

a

和

b

可計算顏色彩度和

b

可計算顏色間距離，即色差。色差與人眼對色彩的辨別能力呈正相關(guān)，人眼能辨識察覺到的色差稱為色彩視覺閾限。一般認(rèn)為，3個CIE LAB色差單位是人眼色彩視覺閾限值。色差>3.00時，人眼可識別2種顏色差異；色差<1.50時，色彩差別微小，人眼難辨別。

基于色空間的顏色測定通常需要使用特定儀器設(shè)備，測定獲得的三維值需要在專業(yè)分析后才能實現(xiàn)定量定性。除色空間外，使用比色卡對顏色進(jìn)行人眼比對匹配，將與待測顏色最接近的比色卡色號作為待測顏色測定值，也是常用的顏色測定方法。英國皇家園藝學(xué)會比色卡(RHSCC)常用于植物顏色測定，特別是觀賞作物花色測定，于1966年首次出版，是國際植物新品種保護(hù)聯(lián)盟(International union for the protection of new varieties of plants, UPOV)通用的花色測定方法。UPOV將2007版的RHSCC中884個色號分為73個色組，色組劃分的目的并不在于品種測試過程中品種分組，主要用于將RHSCC色號值轉(zhuǎn)化為顏色名稱。然而，實際操作中，測試員通常將RHSCC色組用于品種分組。作為國際上常用的植物顏色比色卡，RHSCC的顏色特征、色組特征及其在觀賞作物上的實際應(yīng)用未見報道。

香石竹(

Dianthus

caryophyllus

L.)又名康乃馨，是石竹科石竹屬多年生草本植物，具有花期長和花色豐富的特點，是世界上最重要的商業(yè)觀賞花卉作物之一。與切花香石竹相比，盆栽香石竹因其具有耐運輸、培育設(shè)施簡單和多年生等優(yōu)點，近年來逐步被商家大量推廣。盆栽香石竹品種豐富，但其花色特征未見報道。本研究擬以盆栽香石竹的RHSCC測定作為切入點，在RHSCC這884個色號色差儀測定值基礎(chǔ)上，對RHSCC顏色特征進(jìn)行研究，并對RHSCC在150個盆栽香石竹顏色判定和品種分組上的應(yīng)用進(jìn)行分析評價，旨在為RHSCC如何正確、科學(xué)地應(yīng)用于顏色判定和顏色分組提供理論依據(jù)，同時為盆栽香石竹花色表型描述和品種分組提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗于2016-05和2021-11分別在云南省昆明市盤龍區(qū)和云南省昆明市楊林鎮(zhèn)進(jìn)行。試驗材料包括：英國皇家園藝學(xué)會比色卡884個色號(2007版)和150個盆栽香石竹品種。

1.2 試驗方法

1

.

2

.

1

RHSCC顏色測定

使用色差儀(CM-700 d，KONICA MINOLTA)對RHSCC的884個色號進(jìn)行測定。將色差儀測量孔對準(zhǔn)比色孔上下左右4個位置區(qū)域(圖1(a))，進(jìn)行3次重復(fù)測定，取平均值作為RHSCC色號色差儀測定值。

1

.

2

.

2

盆栽香石竹品種花色測定

在品種盛花期，選擇3個植株，取每個植株頂端完全開放的3朵花的每朵花的3片外輪花瓣，使用RHSCC在室內(nèi)自然光條件下，將花瓣測色部位(圖1(a))置入RHSCC比對孔(圖1(b))，通過人眼目測比對法，獲得花色的RHSCC色號。同一花瓣完成RHSCC測色后，進(jìn)行色差儀測色。使用校色后的色差儀，在色差儀自帶的光源C/2°條件下，將色差儀測量孔貼合對準(zhǔn)花瓣測色部位，獲得花色的色差儀測定值。

圖1 顏色測定位置示例Fig.1 Example of color testing area

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Origin軟件，對RHSCC的884個色號色差儀測定值和150個盆栽香石竹品種花色色差儀測定值進(jìn)行CIE LAB色空間及

a

b

二維分布作圖。

使用Microsoft Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。利用CIE 1976-LAB色差公式，計算RHSCC兩兩色號間色差值，獲得各色號對應(yīng)的最小色差值色號；計算150個盆栽香石竹品種花色色差儀測定值與目測獲得的RHSCC色號色差儀測定值間色差值。色差公式如下：

式中：Δ為變化量；Δ

E

為色差值；Δ

L

為明度差；Δ

a

為紅綠度差；Δ

b

為黃藍(lán)度差。

應(yīng)用IBM SPSS 22.0軟件，采用“最遠(yuǎn)鄰近法”對150個盆栽香石竹品種花色色差儀測定值進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 RHSCC顏色特征

2

.

1

.

1

RHSCC色空間分布RHSCC色號色差儀測定值的區(qū)間范圍為，

L

：19～94，

a

：-48～70，

b

：-44～81；色號的CIE LAB色空間分布近球型，在高明度、紅色分量和黃色分量區(qū)域分布較密集(圖2(a))；色號的等明度

a

b

二維分布近圓形，分布密度隨彩度的增大而減小，在I和II象限分布多于III和IV象限(圖2(b))。

2

.

1

.

2

RHSCC色差分析

在RHSCC色號色差儀測定值基礎(chǔ)上，計算兩兩色號間色差(表1)。在884個色號中，有664個色號及其最小色差值對應(yīng)色號處于同一RHSCC色組，220個處于不同RHSCC色組。271個色號兩兩間最小色差值范圍為0.55～2.98，其中29個色號處于不同RHSCC色組；60個色號兩兩間最小色差值范圍為0.55～1.45，其中4個色號處于不同RHSCC色組。當(dāng)色差<1.50時，色號間色彩差別微小，難以被人眼區(qū)分，例如，處于同一RHSCC色組且色差值為0.55的色號120D和121D(圖3(a))以及處于不同RHSCC色組且色差值為1.06的色號63D和70D(圖3(b))。

2.2 RHSCC在盆栽香石竹花色測定及品種分組上的應(yīng)用

2

.

2

.

1

RHSCC在盆栽香石竹花色測定上的應(yīng)用150個盆栽香石竹品種的色差儀測定值范圍是：

L

：14.55～88.50；

a

：-12.49～62.02；

b

：-22.33～46.77。將150個品種色差儀測定值與884個RHSCC色號色差儀測定值進(jìn)行比較，三維分布結(jié)果表明，盆栽香石竹花色分布呈V型帶狀分布，在高低明度兩端，黃色分量和紅色分量區(qū)域分布較多；花色二維分布主要集中在I、II和IV象限，特別是第I和第II象限，在第III象限(藍(lán)色分量和綠色分量區(qū))沒有分布(圖2(b))。此外，盆栽香石竹花色二維和三維分布均存在游離于RHSCC色號分布區(qū)域之外的顏色(圖2)，表明RHSCC色號未覆蓋盆栽香石竹所有花色，個別花色的RHSCC色號比對正確率低。

圖2 RHSCC色號和150個盆栽香石竹品種花色的色空間分布Fig.2 Color space distribution of RHSCC colors and flower colors of 150 potted carnation varieties

表1 RHSCC色號兩兩間最小色差分析結(jié)果
Table 1 Analysis results of minimum color difference of any two RHSCC colors

色差值分布范圍Distributionrange of colordifference valueRHSCC色號/RHSCC色號RHSCC colors/RHSCC colors同屬一個RHSCC色組1In the sameRHSCC colorgroup分屬不同RHSCC色組1In differentRHSCC colorgroup品種花色/RHSCC對應(yīng)色號3Variety flower color/CorrespondingRHSCC colors0.50～1.506056451.50～3.0021118229203.00～6.0047333513878>6.00140914947合計 Total884664220150

注：同屬一個/分屬不同RHSCC色組表示色號及其對應(yīng)的最小色差值色號處于同一/不同的RHSCC顏色分組；品種花色/RHSCC對應(yīng)色號表示盆栽香石竹品種花色色差儀測定值/花色經(jīng)目測比對法獲得的RHSCC對應(yīng)色號色差儀測定值。

Note: In the same/different RHSCC color group indicates colors and their corresponding colors with the minimum color difference were in the same/different RHSCC color groups; Variety flower color/corresponding RHSCC colors indicates colorimeter-based measurements of flower colors of potted carnation varieties/colorimeter-based measurements of flower corresponding RHSCC colors which were concluded by visual comparison.

圖3 RHSCC兩兩色塊間最小色差的顏色差異示例Fig.3 Examples of paired colors of RHSCC with the minimum color difference

使用色卡目測比對法獲得150個盆栽香石竹品種花色RHSCC色號，將基于目測獲得的150個色號對應(yīng)色差儀測定值與品種花色自身色差儀測定值進(jìn)行比對。兩者間色差值范圍為0.11～15.64，色差值>6.00的品種共計47個(表1)，即部分盆栽香石竹品種花色難以匹配到準(zhǔn)確的RHSCC色號，該結(jié)果與上述RHSCC色號未覆蓋盆栽香石竹所有花色的結(jié)論一致。另一方面，本研究還發(fā)現(xiàn)，一些品種花色經(jīng)目測比對后，有時可比對到2個RHSCC色號，人眼難以判定更接近花色的RHSCC色號，且部分色號分屬于不同RHSCC色組(圖4)。這些難區(qū)分的色號均屬于2.1.2中色差值<3.00的色號，即這些色差值<3.00的色號在盆栽香石竹顏色判定的實際應(yīng)用中，確實存在難區(qū)分的問題。

圖4 盆栽香石竹品種花色可比對到2個色號(不同RHSCC色組)的示例Fig.4 Examples of flower colors of potted carnation varieties to be matched to two RHSCC colors (belongs to different RHSCC color groups)

2

.

2

.

2

RHSCC色組在盆栽香石竹品種分組上的應(yīng)用

對照UPOV劃分的73個RHSCC色組，本研究通過目測比對法獲得的150個色號分屬于10個RHSCC色組(表2)。按照品種數(shù)量排列分別為：粉色(59)>黃色(18)>紅色(16)>黃綠色(14)>橙色(9)=紫色(9)=深紫色(9)>深紅色(8)>白色(5)>綠色(3)，其中粉色系占到全部調(diào)查品種的39.33%。從實際的品種花色來看，粉色系中部分粉白色花色與白色系更為接近，紫色系與深紫色系難以被明顯劃分。

另一方面，對150個盆栽香石竹品種色差儀

L

、

a

和

b

值進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析。在聚類距離為11處繪制跳變線，可根據(jù)花色聚類將品種分為7個組別(圖5)，分別定義為：白色系(Ⅰ)、黃色系(Ⅱ)、橙色系(Ⅲ)、粉色系(Ⅳ)、紅色系(Ⅴ)、深紅色系(Ⅵ)和紫色系(Ⅶ)(表3)。其中，白色系包括上述RHSCC色組中明度較高和紅色分量值較低的部分粉色系品種以及黃色分量值較低的部分黃綠色系品種，黃色系包括上述RHSCC色組中明度較高和綠色分量值較低的3個綠色系品種以及黃色分量值較高的部分黃綠色系品種，紫色系合并了上述RHSCC色組中紫色和深紫色系品種。

表2 基于RHSCC色組的150個盆栽香石竹品種花色分組
Table 2 Flower color grouping of 150 potted carnation varieties based on RHSCC color groups

色組Color group序號No.顏色名稱Color name品種數(shù)量/個Numberof variety色組Color group序號No.顏色名稱Color name品種數(shù)量/個Numberof variety白色 White綠色 Green黃綠色Yellow green黃色 Yellow橙色 Orange粉色 Pink1White52Light green33Light yellow green134Medium yellow green15Light yellow136Light yellow orange57Light orange18Light orange pink69Medium orange110Medium orange pink111Dark blue pink212Light blue pink13 13Light red pink614Medium blue pink815Medium purple red17 16Pink617Red pink7紅色 Red深紅色Dark red紫色 Purple深紫色Dark purple18Light red519Medium red520Orange red621Dark purple red622Dark red223Medium purple824Medium violet125Dark purple9

圖5 基于花色色差儀測定值的150個盆栽香石竹品種聚類分析Fig.5 Cluster analysis of 150 potted carnation varieties based on the colorimeter measurements of flower colors

表3 基于聚類分析獲得的7個品種分組的、和值區(qū)間范圍
Table 3 Interval of , and value of 7 variety groups concluded from cluster analysis

類別Group品種分組Variety group百分比/%PercentageCIE LAB顏色系統(tǒng) CIE LAB coordinateL?a?b?Ⅰ白色系 White30.6668.60～88.50-7.84～17.76-2.86～30.34Ⅱ黃色系 Yellow12.6774.69～87.19-12.49～-3.7331.42～46.77Ⅲ橙色系 Orange6.6746.38～70.8916.09～33.1012.61～39.56Ⅳ粉色系 Pink20.6639.10～67.3028.41～62.02-5.26～19.70Ⅴ紅色系 Red12.0034.77～52.4640.13～56.4620.67～35.44Ⅵ深紅色系 Dark red8.6714.55～33.5734.26～50.09-7.56～18.92Ⅶ紫色系 Purple8.6630.37～44.3945.55～56.83-22.33～-6.37

箱線圖分析顯示，在基于RHSCC色號及其RHSCC色組獲得的10個品種分組中，粉色系

L

、

a

和

b

值四分位距較大，區(qū)間跨度大；白色系和深紫色系區(qū)間跨度?。稽S綠色系、黃色系和綠色系

L

、

a

和

b

值區(qū)間分布接近；紅色系等9個色系

L

、

a

和

b

值出現(xiàn)游離在箱線之外的顏色值(圖6(a)～(c))。以上結(jié)果表明：劃分后的10個品種分組方法存在黃色系、黃綠色系和綠色系難以區(qū)分，粉色系過大，白色系和深紫色系過小，紅色等色系難以有效涵蓋品種實際顏色等問題。在基于色差儀測定值及其聚類分析獲得的7個品種分組中，各色系區(qū)間跨度相對均勻，游離在箱線之外的顏色值較少；白色系和黃色系在

L

值上存在部分重疊，但二者在

a

和

b

值上可區(qū)分開；紫色、粉色、紅色和深紅色系

a

值區(qū)間非常接近，但在

L

和

b

值上具明顯差異(圖6(d)～(f)和表3)；劃分后的7個品種分組在視覺上也可以被較好區(qū)分開(圖7)。

3 討 論

不同人眼對同一顏色存在不同程度視覺差異。在不同顏色上，積分球技術(shù)等顏色視覺相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)：人眼對藍(lán)色分辨能力較強，紅色和綠色居中，黃色最差；等明度

a

b

平面非視覺均勻，人眼對I和II象限的色寬容度普遍高于III和IV象限，即人眼對I和II象限顏色分辨率高于III和IV象限，難以區(qū)分明度較高的顏色。本研究中，RHSCC色號在等明度

a

b

二維坐標(biāo)平面上，I和II象限分布多于III和IV象限，且在黃色分量區(qū)域分布較多，在CIE LAB色空間高明度顏色區(qū)域分布密集。RHSCC顏色分布特征與觀賞作物花色分布相吻合，即紅色和黃色等分布多，綠色和藍(lán)色等分布少。然而，這樣的分布特征給人眼辨識帶來難度。與此同時，271個RHSCC色號兩兩間色差<3.00個CIE LAB單位，其中32個色號處于不同RHSCC色組，又進(jìn)一步造成人眼分辨困難。人眼難區(qū)分的問題也在150個盆栽香石竹品種花色判定上得到了充分體現(xiàn)。在顏色覆蓋性問題上，自然界存在數(shù)百萬種顏色，RHSCC的800多個顏色難以覆蓋，在盆栽香石竹品種花色應(yīng)用上也反映出RHSCC未能覆蓋個別花色的問題。除顏色特征外，RHSCC色組在盆栽香石竹品種花色分組應(yīng)用上也存在一定問題，表現(xiàn)在個別品種分組區(qū)間跨度過大或過小，分組后各色系未有效覆蓋各組顏色，個別品種分組兩兩間難以區(qū)分。以上充分論證了UPOV技術(shù)文件要求RHSCC色組用于顏色描述，而非品種分組。

色卡目測比對法操作簡單且成本低，是目前國際通用的植物顏色測定方法。本研究結(jié)果表明，使用RHSCC時，須注意部分色號難以區(qū)分、顏色覆蓋及匹配問題以及RHSCC色組不能應(yīng)用于品種分組的問題。因此，使用RHSCC比對時應(yīng)注意兩兩間色差值小且處于不同RHSCC色組的色號以及RHSCC顏色分布特征，使用基于顏色三維測定值和聚類分析的品種分組方法。色卡目測比對法容易受人眼視覺差異及認(rèn)知差異影響，測定結(jié)果主觀性強，準(zhǔn)確性差。此外，色號由數(shù)字和字母組合而成，數(shù)值大小與顏色間無線性對應(yīng)關(guān)系，無法進(jìn)行定量定性分析。相比較而言，基于CIE LAB色空間的顏色判定和顏色分組更能真實地還原品種顏色特征，更適于品種分組。然而，基于CIE LAB色空間的顏色測定需要使用色差儀等測色工具。色差儀價格昂貴，使用時需要將測量孔嚴(yán)密貼合在待測植物材料表面上，一些植物材料表面不光滑，難以嚴(yán)密貼合，造成漏光。此外，復(fù)色植物材料呈色面積大小不一，難以吻合測量孔大小，造成測試錯誤。因此，在植物顏色測定上，目前尚不能找到比RHSCC更簡便快捷的方法。鑒于植物材料形狀、結(jié)構(gòu)、大小和表面紋理等豐富多樣，構(gòu)建基于圖像的顏色測定技術(shù)是植物顏色測定的發(fā)展方向。當(dāng)前植物顏色圖像分析技術(shù)主要采用RGB色空間，RGB色空間是依賴于設(shè)備和環(huán)境的色空間，不同圖像采集設(shè)備(不同型號相機(jī)和掃描儀等)、不同采集參數(shù)(曝光時間和光圈)以及環(huán)境(光源和色溫)均會獲得不同RGB測定值。因此，基于RGB色空間的顏色圖像分析技術(shù)難以獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果。針對上述問題，本研究后期會開發(fā)基于標(biāo)準(zhǔn)色空間的顏色圖像分析技術(shù)，以期為植物顏色測定提供客觀、準(zhǔn)確和科學(xué)的方法。

(a)～(c)基于RHSCC目測對比法和RHSCC色組獲得的10個色系的L*、a*和b*值箱線圖；(d)～(f)基于色差儀測定值和聚類分析獲得的7個色系的L*、a*和b*值箱線圖。(a)-(c) Box plot of L*, a* and b* values of the 10 color groups concluded from RHSCC visual comparison and RHSCC color groups; (d)-(f) Box plot of L*, a* and b* values of the 7 color groups concluded from colorimeter measurements and cluster analysis.圖6 150個盆栽香石竹品種花色色系的L*、a*和b*值箱線圖Fig.6 Box plot of L*, a* and b* values of flower color groups of 150 potted carnation varieties

圖7 盆栽香石竹品種花色圖版Fig.7 Photos of flower colors of potted carnation varieties

花色物質(zhì)基礎(chǔ)通常是花青素等色素物質(zhì)。以往研究表明：香石竹品種花色隨花青素物質(zhì)種類和含量變化而變化，粉紅色品種花青素含量少；紅色品種花青素含量多；黃色品種富含較多的花青素合成中間產(chǎn)物查爾酮；橙色品種同時含有紅色花青素和黃色查爾酮；白色品種缺乏呈色花青素物質(zhì)，但富含無色花青素物質(zhì)，即富含未經(jīng)糖基化、酰基化和甲基化修飾的花青素苷元。本研究將盆栽香石竹品種花色分為7個色系的劃分方式與前人色素研究基本一致，即：白色、黃色和橙色系分別對應(yīng)到花青素合成前期、中期和后期產(chǎn)物，粉紅色、紅色、深紅色和紫色系與花青素含量及修飾類型相關(guān)。本研究中盆栽香石竹品種花色在

a

b

二維上未分布于第III象限，表明香石竹缺乏藍(lán)色系花色品種，與前人研究揭示的香石竹缺失類黃酮3′5′-羥化酶(F3′5′H)無法富集飛燕草素苷的結(jié)果一致。目前，美國和日本等通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得了藍(lán)色香石竹品種?？梢?，觀賞植物顏色表型判定及其品種分組的準(zhǔn)確性和科學(xué)性不僅關(guān)系到測試結(jié)果可靠性，對指導(dǎo)顏色育種，揭示花色遺傳背景和物質(zhì)基礎(chǔ)也具有重要意義。

4 結(jié) 論

本研究通過對英國皇家園藝學(xué)會比色卡的顏色特征及其在盆栽香石竹花色測定上的實際應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)：RHSCC自身存在部分色號間色差值過小，人眼分辨困難的問題；在花色測定上，RHSCC現(xiàn)有顏色難以覆蓋復(fù)雜的花色，部分比對結(jié)果準(zhǔn)確性差；在花色分組上，劃分組別界限不清。因此，植物顏色測定還有待開發(fā)更為準(zhǔn)確、高效、可重復(fù)的技術(shù)和方法。