考慮環(huán)境色彩協(xié)調(diào)的隧道墻式洞門色彩設(shè)計方法

葉 飛， 劉 佳，2， 溫小寶， 張興冰，3， 朱文豪， 楊 永

（1. 長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2. 河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 路橋工程系，河北 石家莊 050035；3. 四川成樂高速公路有限責(zé)任公司，四川 成都，610041）

近些年，我國公路隧道洞門裝飾成為工程建設(shè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一方面可以通過景觀裝飾美化隧道洞口環(huán)境，增添地域文化特色、增進與自然生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，另一方面能夠改善隧道洞口視覺環(huán)境，提升隧道行車安全與舒適性，這兩者休戚相關(guān)、相互輝映［1］。洞門色彩是司乘人員最易感知的裝飾元素，適宜的色彩裝飾不僅發(fā)揮洞口視線誘導(dǎo)功能，還能夠弱化端面墻壁，提升與周圍環(huán)境的融合度［2］。

隧道洞門色彩的選取涉及到色彩學(xué)相關(guān)理論。Munsell最早提出了色彩三要素：色相、明度和色度，建立了Munsell色彩體系，正式奠定了現(xiàn)代色彩學(xué)基礎(chǔ)，對色彩的描述與研究更加方便和準確，以此推動了多色彩的協(xié)調(diào)性探究［3］；Moon和Spencer［4］尋求色彩協(xié)調(diào)論文拓展介紹的定量表達，根據(jù)相應(yīng)色彩組合的誘發(fā)情緒來評價色彩協(xié)調(diào)程度；Munsell［5］與Ostwald［6］都認為色彩在色彩空間中具有特定關(guān)系，例如色調(diào)與飽和度不變，僅有明度指標(biāo)變化時，色彩依舊保持協(xié)調(diào)；Munsell［7］以色彩面積為主要因素，考慮具有相同符號的等距色度標(biāo)度與等反射率明度，將色彩協(xié)調(diào)理論建立在明度、色度與色相等外觀屬性基礎(chǔ)之上；Itten［8］強調(diào)色調(diào)（色相），通過色輪型式定義了色彩協(xié)調(diào)的概念，將互補色稱為雙色協(xié)調(diào)，三色協(xié)調(diào)在色輪上表現(xiàn)為等邊三角形，四色協(xié)調(diào)表現(xiàn)為正方形，六色協(xié)調(diào)為六邊形；Matsuda［9］經(jīng)過長達9年調(diào)研與分析，通過色輪型式建立了i、V、L、I、T、Y、X和灰度圖N型，共8種色彩協(xié)調(diào)類型，在傳統(tǒng)的圖像領(lǐng)域和新興的虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

色彩從來不是孤立存在的，更多是借助其他媒介展現(xiàn)在人們眼前，這就是色彩的應(yīng)用領(lǐng)域，或稱其為應(yīng)用色彩學(xué)。谷曉旭等［10］在分析公路建筑環(huán)境的基礎(chǔ)上，提出公路建筑色彩設(shè)計的原則，并結(jié)合邊坡、隧道、中央分隔帶等典型建筑的環(huán)境差異性特點，構(gòu)建公路建筑色彩協(xié)調(diào)性設(shè)計方法，對提升行車安全、豐富路域景觀具有重要意義；沈曉倩［11］針對橋梁色彩與周圍環(huán)境不協(xié)調(diào)的問題，總結(jié)了橋梁色彩設(shè)計要點，確定控制色源與被控制色源，將橋梁色彩設(shè)計分為搭建環(huán)境模擬系統(tǒng)和推薦色彩方案及系統(tǒng)模擬，為橋梁色彩方案設(shè)計提供參考。隧道洞口環(huán)境色彩對司乘人員的視覺審美、感知可行性、滿意度和愉悅感有重要影響，葉飛［12-13］利用眼動指標(biāo)分析了洞門顏色對隧道洞口駕駛環(huán)境的影響，并基于動靜結(jié)合的視覺特性，建立了隧道洞口設(shè)計綜合評價體系；Duan［14］利用生理儀研究了不同行車速度下，洞門色彩與駕駛?cè)诵穆手g的相互關(guān)系；另有不少學(xué)者研究了洞口綠化在隧道洞口減光、降低照明能耗、緩解駕駛?cè)司o張情緒等方面發(fā)揮的重要功能［15-16］。

綜合我國公路隧道景觀發(fā)展需求，以及隧道洞口景觀在洞門色彩設(shè)計方面的研究尚且存在不足，既有、新建隧道洞門色彩選取具有隨意性。鑒于此，本文引入色彩協(xié)調(diào)性理論，使用圖像處理技術(shù)，提出一種考慮自然環(huán)境色彩影響的隧道墻式洞門色彩設(shè)計方法，并將其應(yīng)用于隧道洞門色彩設(shè)計與評價中，以期推動隧道洞門與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一［17］。

1 洞門色彩應(yīng)用情況

根據(jù)氣候區(qū)劃，對我國647座隧道洞門色彩和洞口環(huán)境的應(yīng)用情況進行統(tǒng)計。國家《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準》將全國劃分為嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、溫和地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)五大分區(qū)［18］，考慮到季節(jié)變化、地表植被形態(tài)特征等因素，將上述五大分區(qū)進行整合并命名為：四季分明環(huán)境、春秋兩季分明環(huán)境和全年常綠環(huán)境三大分區(qū)。依據(jù)HSV色彩三屬性（色相、飽和度、明度），對三大分區(qū)環(huán)境下洞門色彩與洞口環(huán)境色彩進行色差分析［19］，如表1所示。

表1 三大分區(qū)環(huán)境下色差統(tǒng)計結(jié)果Tab. 1 Statistic of color difference in three major partition environments

由統(tǒng)計結(jié)果得出：四季分明和春秋兩季分明環(huán)境下，隧道洞門色彩與洞口環(huán)境色彩之間的色相差以鄰近色和同類色為主，較少使用差色、中差色且不使用互補色，對于全年常綠環(huán)境下色相差類型不具備顯著差異，對比色類型占比略多，且存在互補色類型；不同分區(qū)環(huán)境下的飽和度差具有相同的分布規(guī)律，均以弱對比為主，其次為中對比，強對比最低，隨著地區(qū)環(huán)境色彩變化劇烈程度的減弱，弱對比類型逐漸降低，中、強對比類型逐漸升高；三大分區(qū)環(huán)境下的明度差均以弱對比為主，中對比其次，強對比最低，與飽和度差的分布規(guī)律相一致。

綜合不同分區(qū)環(huán)境下色相差、飽和度差與明度差的分布規(guī)律可知：隧道洞門設(shè)計時均選擇了弱對比的飽和度和明度，然而色相的選擇仍然存在較多差異。

2 洞門色彩協(xié)調(diào)性調(diào)研與分析

為了探究既有洞門色彩設(shè)計的協(xié)調(diào)性，本節(jié)選取了10組隧道洞門案例進行主觀問卷。

2.1 問卷設(shè)計

問卷分為兩部分，第一部分為基本信息調(diào)研，包括性別、年齡、駕齡以及對隧道洞門色彩的關(guān)注程度等；第二部分為洞門色彩協(xié)調(diào)性調(diào)研，被調(diào)研者在每組案例中選出協(xié)調(diào)性最優(yōu)的選項。10組案例來源于黃土高原地區(qū)、華南地區(qū)、秦嶺地區(qū)、地表植被不太發(fā)育地區(qū)以及典型民族地區(qū)（藏族聚居區(qū)）。每組案例中的圖片在選取時遵循隧道洞口環(huán)境（色彩）類似、洞門結(jié)構(gòu)形式相近、洞門色彩存在差異的原則，如圖1所示。

圖1 洞門案例Fig. 1 Portal cases of tunnel

2.2 結(jié)果統(tǒng)計

（1）基本信息

調(diào)研結(jié)果共回收64份問卷，性別：男性43人，女性21人，男女比接近2：1，接近交通部21年公布的駕駛?cè)诵詣e比；年齡：18～25、26～35、36～50 歲的人數(shù)分別占37.5 %、43.8 %、18.8 %；駕齡：0～4、4～10、10年以上的人數(shù)分別占40 %、37.5 %、22.5 %。被調(diào)研者中有62.5 %會關(guān)注洞門色彩，認為適宜的洞門色彩會改善駕駛體驗感。

（2）洞門色彩協(xié)調(diào)性

10組案例的問卷調(diào)研結(jié)果如圖2所示，除案例9外，其余9組案例中有60 %以上的被調(diào)研者選擇了同一個選項，說明大眾對于洞門色彩協(xié)調(diào)性的看法具有明顯趨同性。另外，既有隧道存在洞門色彩與周圍環(huán)境色彩協(xié)調(diào)性不足的情況，如案例1中的B隧道，案例4中的A隧道，案例10中的B隧道，被調(diào)研者對以上隧道洞門色彩協(xié)調(diào)性的評價結(jié)果均低于20 %。

圖2 色彩協(xié)調(diào)性統(tǒng)計Fig. 2 Statistics of color coordination

為了進一步量化分析洞門色彩的協(xié)調(diào)性，對案例統(tǒng)計結(jié)果中大眾審美趨同性較高的9個洞門案例（1-A、2-A、3-A、4-B、5-B、6-A、7-A、8-B、10-A）進行色差分析，如圖3所示。由結(jié)果得知：色相差中以鄰近色占比最高，其次是同類色與對比色，類似色和中差色占比最低；飽和度差和明度差均為中、弱對比度，其中弱對比飽和度占88.9%，弱對比明度占66.7 %。

圖3 色差分析Fig. 3 Analysis of color difference

3 洞門色彩設(shè)計方法

根據(jù)洞門色彩協(xié)調(diào)性調(diào)研結(jié)果，符合色彩協(xié)調(diào)性設(shè)計的案例中，飽和度和明度呈現(xiàn)出統(tǒng)一的規(guī)律，均以弱對比度為主，然而色相卻沒有明確的取值范圍。因此，本文借鑒色彩學(xué)中的諧波協(xié)調(diào)理論，提出色相選取準則，并據(jù)此總結(jié)出一種洞門色彩的設(shè)計方法。

3.1 諧波協(xié)調(diào)理論

Matsuda［9］20世紀末在HSV色彩空間的色相通道上提出8種諧波協(xié)調(diào)類型（圖4），Daniel等將其成功應(yīng)用于圖像美化處理領(lǐng)域［20］。受此啟發(fā)，本文將其引入用于隧道墻式洞門色彩色相選取標(biāo)準中。由于Matsuda的第八種類型為灰度圖，本文不考慮該種類型，剩下7種類型，分別為：i型、V型、L型、I型、T型、Y型和X型。

圖4 8種色相諧波協(xié)調(diào)類型Fig. 4 Eight types of hue harmonic coordination

（1）理論介紹

以i型為例，其在色輪上的分布是一個較小的扇形陰影區(qū)，如果一幅圖像的色相分布全部位于陰影區(qū)內(nèi)，那么就認為該圖像滿足諧波協(xié)調(diào)理論，即符合色彩協(xié)調(diào)性，其協(xié)調(diào)類型為i 型。i 型的陰影區(qū)圓心角為18°，其含義為色相分布區(qū)域可以是［0，18°］，也可以是［90°，108°］，只要其色相分布的極差不大于18°即可，其他協(xié)調(diào)類型同理。

為了定量描述每種協(xié)調(diào)類型的分布特點，將每種類型陰影區(qū)的分布范圍（對應(yīng)的圓心角）用矩形寬度來表示，當(dāng)有兩個陰影區(qū)時，分別用“第一個矩形寬度”、“第二個矩形寬度”來區(qū)分，“距離”表示兩個矩形區(qū)域左側(cè)邊界的間距，單位均為度（°），見表2。

表2 7種諧波協(xié)調(diào)類型的分布特征Tab. 2 Characteristic of seven harmonic coordination types

（2）實現(xiàn)過程

當(dāng)輸入一張圖像后，判斷其屬于哪種諧波協(xié)調(diào)類型的實現(xiàn)過程為：獲取圖像色彩RGB（紅、綠、藍）值、RGB值轉(zhuǎn)化為HSV值、計算HSV直方圖、計算直方圖距離和判斷諧波協(xié)調(diào)類型。RGB色彩空間的三個分量表示為：Ir、Ig和Ib，其中，Ir為紅色分量，Ig為綠色分量，Ib為藍色分量；HSV色彩空間的三個分量表示為：Ih、Is和Iv，其中，Ih為色相，Is為飽和度，Iv為明度，具體實現(xiàn)流程如下：

①輸入圖像并獲取其Ir、Ig和Ib值；

②圖像RGB值與HSV值的色彩空間轉(zhuǎn)換；

③計算Ih的直方圖，其橫坐標(biāo)為色相的取值范圍（［0，360°］），縱坐標(biāo)為每個角度（色彩）的像素點數(shù)量；

④計算Ih直方圖上每一個角度與7 種色彩協(xié)調(diào)類型上每個角度的距離。將距離最小的色相協(xié)調(diào)類型定義為最優(yōu)的諧波協(xié)調(diào)類型，即：

在最優(yōu)的諧波協(xié)調(diào)類型下，最小距離的位置被視為最優(yōu)角度（最優(yōu)方案）。

⑤根據(jù)最優(yōu)方案生成RGB圖像，即為色彩協(xié)調(diào)特征圖（色輪分布圖）。進而完成圖像的色相分布規(guī)律與最接近（匹配）的諧波協(xié)調(diào)類型判斷。

3.2 設(shè)計方法

在進行隧道墻式洞門色彩設(shè)計時，洞門與洞口環(huán)境需要滿足的色彩協(xié)調(diào)性準則為：色相符合諧波協(xié)調(diào)類型、飽和度為弱對比、明度為弱對比。利用圖像處理技術(shù)，得出墻式洞門配色流程，如圖5所示。

圖5 墻式洞門色彩選取流程Fig. 5 Selection of the color of wall portal

①獲取隧道洞口環(huán)境圖像。當(dāng)針對已建項目進行隧道洞門重新裝飾時，需要利用PS等圖像編輯軟件，將已有洞門色彩從圖像之中摳離，僅保留洞口周圍植被部分，以免受到既有洞門色彩的影響；

②色彩構(gòu)成分析?；诰垲惙治龅膱D像色彩提取算法將隧道洞口圖像信息進行提取，完成色彩空間的轉(zhuǎn)換；

③諧波類型分析。將所用的圖像導(dǎo)入至諧波協(xié)調(diào)分析程序中，從而判斷圖像的色輪分布及最接近的諧波協(xié)調(diào)類型；

④選定洞門色彩。

i 色相 當(dāng)希望獲得與周圍環(huán)境更強的協(xié)調(diào)感時，應(yīng)盡量選擇陰影區(qū)內(nèi)靠近色相直方圖分布集中的區(qū)域；若希望獲得一定的對比性，以提升洞門的醒目程度，則選擇陰影區(qū)內(nèi)遠離色相直方圖分布集中的區(qū)域，如陰影區(qū)邊界位置；

ii 飽和度 應(yīng)盡量做到周圍環(huán)境為輔助色，洞門色彩為主色，以增強洞門的醒目性與主導(dǎo)性，但由于飽和度與明度的非獨立性，因此二者的選擇可綜合考慮；

iii 明度 應(yīng)盡量做到與環(huán)境明度范圍相一致，或者偏差不宜太大。同時明度與飽和度的選擇進行綜合考慮；

iv 在選定洞門色彩時，可提供多組方案，然后綜合地域文化、風(fēng)土人情以及大眾意愿確定最優(yōu)方案。

4 案例分析

為了進一步說明設(shè)計方法的可行性與有效性，以第2節(jié)主觀問卷案例3-B作為已建項目進行洞門色彩設(shè)計和評價，并將評價結(jié)果與主觀問卷結(jié)果進行對比。

4.1 色彩協(xié)調(diào)性設(shè)計

按照3.2節(jié)中提出的墻式洞門色彩設(shè)計方法，對已建隧道洞門色彩進行協(xié)調(diào)性設(shè)計：

①獲取隧道洞口環(huán)境圖像

案例3-B作為已建隧道，利用PS技術(shù)將原隧道洞門色彩摳除，如圖6所示。

圖6 隧道洞口環(huán)境圖像獲取過程Fig. 6 Acquisition of ring surrounding image of tunnel entrance

②色彩構(gòu)成分析

利用聚類分析的圖像處理算法，對圖6b進行主要色塊提取和色彩空間轉(zhuǎn)換，得表3，其中，j為主要色彩類型，p為比例，Ihj，Isj，Ivj分別為第j種色彩的色相、飽和度和明度。

表3 主要色彩信息Tab. 3 Information of Main color

③諧波類型分析

通過對圖像的色輪分析，判斷其諧波協(xié)調(diào)類型為“T”型，如圖7所示。

圖7 案例3-B隧道洞口環(huán)境色彩諧波協(xié)調(diào)類型Fig. 7 Harmonic coordination type of entrance environment in case 3-B

依據(jù)3.2節(jié)中的色相值選取方法，將圖7所示陰影區(qū)域作為洞門色彩色相選取范圍。利用式（1）分別計算洞口環(huán)境色彩的加權(quán)飽和度與加權(quán)明度：

根據(jù)3.2 節(jié)的色彩協(xié)調(diào)性準則，飽和度和明度均為弱對比類型，由公式（2）計算出洞門色彩的飽和度Ism與明度Ivm取值范圍，得：飽和度取值為［0，0.454］、明度取值為［0，0.576］。

4.2 協(xié)調(diào)性評價

結(jié)合4.1 節(jié)給出的洞門色彩取值范圍，對原隧道洞門色彩設(shè)計進行評價。

（1）色相評價

對原隧道洞門圖像（圖6a）進行諧波協(xié)調(diào)處理，得到其色輪分布及所屬諧波類型（圖8），結(jié)合4.1節(jié)得出的洞門色彩色相選取范圍，原隧道洞門色彩位于陰影區(qū)域之外，據(jù)此推斷原隧道洞門色彩和洞口環(huán)境色彩在色相上不符合諧波協(xié)調(diào)類型。

圖8 案例3-B隧道洞門色彩協(xié)調(diào)性評價Fig. 8 Portal color coordination assessment in case 3-B

（2）飽和度及明度評價

對原隧道洞門圖像（圖6a）進行色彩提取，得到其飽和度和明度，分別為0.090和0.412，依據(jù)式（2）計算結(jié)果，原隧道洞門色彩的飽和度和明度均在取值范圍之內(nèi)，符合弱對比類型。

綜合色相、飽和度、明度的評價結(jié)果，得出原隧道洞門色彩設(shè)計不滿足色彩協(xié)調(diào)性，這與主觀問卷中的調(diào)研結(jié)果相一致，進一步驗證了此設(shè)計方法的有效性。

5 結(jié)語

針對公路隧道墻式洞門色彩協(xié)調(diào)性問題開展研究，統(tǒng)計了我國隧道墻式洞門色彩應(yīng)用情況以及大眾對于隧道洞門色彩審美的趨向性，提出一種滿足色彩協(xié)調(diào)性的隧道洞門設(shè)計方法，具體結(jié)論如下：

（1）考慮季節(jié)變化和地表植被特征的三大分區(qū)環(huán)境下，我國既有隧道洞門色彩與洞口環(huán)境色彩之間的飽和度差與明度差以弱對比為主，色相差類型在四季分明環(huán)境和春秋兩季分明環(huán)境中，以鄰近色和同類色為主，全年常綠環(huán)境下的色相差類型不具有顯著差異。大眾對于洞門色彩協(xié)調(diào)性的認知具有趨同性，符合大眾協(xié)調(diào)性認知的隧道洞門色彩具有相同規(guī)律：飽和度和明度均為中、弱對比，色相中鄰近色占比最高；（2）引用色彩協(xié)調(diào)理論，同時借鑒設(shè)計學(xué)中飽和度與明度計算方法，構(gòu)建了隧道墻式洞門色彩設(shè)計準則：色相符合諧波協(xié)調(diào)類型、飽和度為弱對比、明度為弱對比；（3）基于洞門色彩設(shè)計準則，應(yīng)用圖像處理技術(shù)提出了一種墻式洞門色彩設(shè)計方法：獲取隧道洞口環(huán)境圖像、提取圖像色彩信息、判斷諧波類型、確定洞門色彩三屬性取值范圍。最后以既有隧道洞門為例，對其進行色彩協(xié)調(diào)性設(shè)計與評價，進一步驗證了設(shè)計方法的可行性和有效性。

作者貢獻聲明：

葉飛：提出研究主題與論文思路。

劉佳：論文構(gòu)思及撰寫。

溫小寶：提出論文框架與論文修改。

張興冰：圖像信息處理，指導(dǎo)論文修改。

朱文豪：調(diào)研結(jié)果統(tǒng)計與分析。

楊永：論文構(gòu)思與修訂。